M251S型燃機(jī)電除塵與煤氣含氧量上升的分析及解決方案

黃杰光

（湖南華菱漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司 能源中心，湖南 婁底417009）

0 前言

燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組具有高效、清潔、啟動(dòng)快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰，近幾年來(lái)在鋼鐵行業(yè)裝機(jī)數(shù)量逐漸上升，機(jī)組多為進(jìn)口，具有自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)較為匱乏，可以借鑒的案例非常少，面對(duì)運(yùn)行維護(hù)中出現(xiàn)的問(wèn)題需要從各個(gè)方面分析成因，找出問(wèn)題的癥結(jié)，然后對(duì)癥下藥，制定出具體的解決問(wèn)題的方法。 漣鋼自2007 年以來(lái)先后引進(jìn)了3 套由日本三菱重工生產(chǎn)的M251S 型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)（簡(jiǎn)稱CCPP）方式運(yùn)行，其工藝流程是將經(jīng)過(guò)電除塵裝置凈化除塵后的高爐煤氣經(jīng)煤氣壓縮機(jī)加壓，與通過(guò)燃機(jī)同軸的空壓機(jī)壓縮后送至燃燒室的空氣混合燃燒， 生成高溫、高壓的氣體，經(jīng)燃?xì)馔钙綑C(jī)膨脹做功，推動(dòng)燃?xì)馔钙綆?dòng)燃機(jī)本體設(shè)備與發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)做功；從燃?xì)馔钙街信懦龅母邷貧怏w通過(guò)余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。機(jī)組運(yùn)行至今，先后出現(xiàn)過(guò)許多典型案例，案例涉及到多個(gè)傳統(tǒng)專業(yè)，技術(shù)涉及面廣且深，因此，正確的判定案例的成因，及時(shí)消除設(shè)備隱患，直接影響到機(jī)組的安全運(yùn)行和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 含氧量與燃機(jī)要求

燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組對(duì)高爐煤氣的要求較高，主要包括熱值、壓力、含氧量及其相應(yīng)的波動(dòng)幅度，其中煤氣氧濃度的高低直接影響到電除塵裝置和燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)行安全，如果高爐煤氣氧濃度超過(guò)定值，在通過(guò)電除塵高壓電場(chǎng)極易引發(fā)爆炸。 為此，在電除塵裝置入口前方安裝了一套能連續(xù)在線測(cè)量且測(cè)量響應(yīng)時(shí)間很短的氧量?jī)x，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控高爐煤氣管道中的氧濃度， 測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送往燃機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行判別，設(shè)置有預(yù)警（0.5%）、報(bào)警（1.0%）、緊急停機(jī)（1.2%）等多個(gè)級(jí)別的聯(lián)鎖控制邏輯， 確保高爐煤氣氧濃度超標(biāo)時(shí)立即退出電除塵裝置，聯(lián)鎖燃機(jī)停機(jī)。

電除塵與含氧量的關(guān)系及分析

電除塵裝置原理

日本三菱M251S 型燃機(jī)采用了水平流動(dòng)型濕式電除塵器， 由煤氣總管過(guò)來(lái)的高爐煤氣通過(guò)入口喉板上安裝的燃?xì)夥峙浒?，均勻的分配到電除塵器的各個(gè)通道，通道中安裝有用于發(fā)生負(fù)電暈的放電電極和吸引帶電顆粒的集塵極板，通電后，放電電極與集塵極板之間形成一定強(qiáng)度的靜電場(chǎng)，煤氣流經(jīng)通道時(shí)，放電電極放電，使煤氣中的固態(tài)或液態(tài)顆粒帶電，帶電的粉塵顆粒在電場(chǎng)力的作用下吸附到集塵極板上，然后通過(guò)連續(xù)的清洗水對(duì)積塵電極進(jìn)行沖洗，在極板上形成連續(xù)的液膜，使粉塵隨著沖刷液的流動(dòng)而清除。 電除塵裝置內(nèi)部安裝有絕緣加熱裝置與高壓電源裝置，絕緣加熱裝置用于加熱放電電極絕緣支撐，確保絕緣體表面干燥，防止放電電極通電時(shí)發(fā)生短路現(xiàn)象；高壓電源裝置用于將交流電升壓整流，為放電電極與集塵電極提供高壓直流電源，制造除塵時(shí)需要的靜電場(chǎng)。

高壓直流電源主要參數(shù)：

輸出電壓：DC 50kV

輸出電流：900mA

控制邏輯

電除塵裝置在運(yùn)行中的主要操作是對(duì)絕緣加熱器與高壓電源的操作，其相關(guān)運(yùn)行要求與控制邏輯如下：

1） 電除塵裝置絕緣加熱器在高壓電源投運(yùn)前必須連續(xù)運(yùn)行6 小時(shí)；

2）高壓電源啟動(dòng)為手動(dòng)啟動(dòng)，在燃機(jī)啟動(dòng)前必須先期投入運(yùn)行；

3） 高壓電源在燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的停運(yùn)分為正常停運(yùn)與非正常停運(yùn)，均由程序自動(dòng)控制。正常停運(yùn)為燃機(jī)停機(jī)指令發(fā)出后30 分鐘自動(dòng)停運(yùn)高壓電源，非正常停運(yùn)發(fā)生以下任一條件成立時(shí)自動(dòng)停運(yùn)高壓電源：

在線式氧濃度檢測(cè)儀測(cè)得濃度超過(guò)1.0%時(shí)自動(dòng)停運(yùn)高壓電源；

PLC 電池電量低或故障；

可控硅溫度失效或其熔斷器故障；

電源故障或其熔斷器故障；

風(fēng)扇故障或其熔斷器故障

故障現(xiàn)象

由于我們公司的燃機(jī)以高爐煉鐵產(chǎn)生的高爐煤氣為主燃料，高爐檢修或停產(chǎn)期間，高爐煤氣供應(yīng)不足，燃機(jī)停機(jī)次數(shù)較多。燃機(jī)停機(jī)一段時(shí)間后，均會(huì)出現(xiàn)管道內(nèi)高爐煤氣含氧量上升的現(xiàn)象，有時(shí)甚至觸發(fā)氧濃度高報(bào)警 （〉1.2%）， 而三菱要求煤氣管道極限濃度必須低于3.7%，否則將引起管道爆炸。

原因分析

根據(jù)煤氣管道的工藝流程，我們先后排除了吹掃用壓縮空氣漏入煤氣管道，煤氣冷卻水和低壓氮?dú)鈳в锌諝饣烊朊簹夤艿赖瓤赡芤鹈簹庵醒鯘舛壬仙囊蛩?，最終疑點(diǎn)落在了電除塵高壓電源裝置上。

由于電除塵的基本原理是將待處理氣體持續(xù)流經(jīng)電除塵內(nèi)部的高壓靜電場(chǎng)，利用物質(zhì)在高壓靜電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生物理電離的特點(diǎn)，分離氣體與其中所含的粉塵顆粒。 在燃機(jī)停機(jī)后，由于管道內(nèi)氣體流動(dòng)基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，滯留在高壓靜電場(chǎng)內(nèi)的氣體成分發(fā)生電離，出現(xiàn)游離的氧原子，而氧原子的氧化性非常強(qiáng)，氧原子之間的碰撞很容易產(chǎn)生較為穩(wěn)定的氧分子和臭氧，因此引起煤氣中氧濃度上升。

實(shí)驗(yàn)方法

圖1 燃機(jī)停機(jī)后煤氣回流示意圖

為證實(shí)高壓靜電場(chǎng)內(nèi)氣體可能發(fā)生電離引起氧濃度上升，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)條件相同和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，我們利用公司兩臺(tái)燃機(jī)4 次正常停機(jī)的機(jī)會(huì)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 如圖1 所示，燃機(jī)停機(jī)后煤氣管道內(nèi)的煤氣為接近靜止的狀態(tài)，燃機(jī)高速盤(pán)車時(shí)煤氣將在虛線范圍內(nèi)的管道中快速循環(huán)流動(dòng)。 第一次實(shí)驗(yàn)是利用公司3 號(hào)燃機(jī)停機(jī)的機(jī)會(huì)，進(jìn)行高壓電源運(yùn)行狀態(tài)下與管道內(nèi)煤氣氧濃度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，燃機(jī)正常停機(jī)后，維持高壓電源運(yùn)行，每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次高速盤(pán)車，高速盤(pán)車同時(shí)將管道內(nèi)煤氣快速循環(huán)流動(dòng)，利用循環(huán)回路中電除塵入口的氧濃度光譜分析儀對(duì)管道內(nèi)煤氣的含氧量進(jìn)行在線成分分析，記錄每次高速盤(pán)車結(jié)束后的測(cè)量數(shù)據(jù)， 此時(shí)的數(shù)據(jù)為管道內(nèi)煤氣充分混合的數(shù)據(jù)；第二次實(shí)驗(yàn)是利用公司3 號(hào)燃機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后再次停機(jī)的機(jī)會(huì)進(jìn)行的，燃機(jī)正常停機(jī)后立即停運(yùn)高壓電源（期間高壓電源有10 分鐘的運(yùn)行時(shí)間），然后按第一次實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行記錄。為排除其他方面因素的影響， 我們又利用公司1 號(hào)燃機(jī)的兩次停機(jī)機(jī)會(huì)進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果分析

圖2 公司1# 燃機(jī)兩種情況下含氧量的曲線圖

圖3 公司3# 燃機(jī)兩種情況下含氧量的曲線圖

由上圖公司1 號(hào)、3 號(hào)燃機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可看出， 煤氣含氧量與電除塵裝置高壓電源存在以下關(guān)系：

1）實(shí)驗(yàn)表明，停機(jī)后煤氣管道內(nèi)的氧濃度隨著電除塵高壓電源運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而增高。 圖2 中1 號(hào)燃機(jī)兩次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的氧濃度為0.0070±0.0005%， 在停機(jī)后轉(zhuǎn)速到達(dá)零轉(zhuǎn)速時(shí)停運(yùn)高壓電源的實(shí)驗(yàn)中，75 分鐘后測(cè)得的煤氣含氧量為0.0282%； 而在停機(jī)后不停運(yùn)高壓電源的實(shí)驗(yàn)中，75 分鐘后測(cè)得的煤氣含氧量為0.3642%。 圖3 中3 號(hào)燃機(jī)兩次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的氧濃度為0.0010±0.0005%， 在停機(jī)后轉(zhuǎn)速到達(dá)零轉(zhuǎn)速時(shí)停運(yùn)高壓電源的實(shí)驗(yàn)中，75 分鐘后測(cè)得的煤氣含氧量為0.0442%； 而在停機(jī)后不停運(yùn)高壓電源的實(shí)驗(yàn)中，75 分鐘后測(cè)得的煤氣含氧量為0.4728%。 對(duì)兩臺(tái)燃機(jī)的四次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，可以看出在停機(jī)期間，同樣的情況下啟動(dòng)電除塵裝置高壓電源會(huì)引起煤氣含氧量的顯著上升，原因是由于高壓靜電場(chǎng)的作用，使處于電場(chǎng)中的氣體發(fā)生了電離，分解出氧原子，氧原子的結(jié)合產(chǎn)生了氧氣，致使管道內(nèi)氧濃度升高。

2）實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明，燃機(jī)停機(jī)后高壓電源運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，煤氣中含氧量上升速度越快。 以圖2 中1 號(hào)燃機(jī)為例，1 號(hào)燃機(jī)高壓電源運(yùn)行30 分鐘后煤氣含氧量變化速率為0.00084%/min，45 分鐘時(shí)變化速率為0.003389%/min，60 分鐘時(shí)變化速率為0.003517%/min，75 分鐘的變化速率為0.004853%/min。 由此可看出，在停機(jī)期間，隨著高壓電源運(yùn)行時(shí)間的增加，會(huì)引起電場(chǎng)內(nèi)氣體電離速度加劇，氧濃度快速上升。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)為燃機(jī)高速盤(pán)車后煤氣充分混合的氧濃度，電除塵的有效容積約為回流管道的1/3， 按照氣體濃度與氣體體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知， 高速盤(pán)車前電除塵裝置內(nèi)的氧濃度約為混合后濃度的3倍，約為1.09～1.42%左右。

同時(shí)，我們?cè)趯?duì)停機(jī)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間啟動(dòng)電除塵裝置高壓電源進(jìn)行點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，電除塵內(nèi)部有爆鳴聲，說(shuō)明電除塵內(nèi)部環(huán)高壓電極間的局部區(qū)域存在火花放電，短路次數(shù)的增加將引起電極壽命縮短，同時(shí)隨著氧含量的迅速上升， 如果電除塵內(nèi)部氧濃度達(dá)到極限值3.7%將引起電除塵爆炸。

2 改進(jìn)完善

為降低燃機(jī)停機(jī)后電除塵裝置對(duì)管道內(nèi)煤氣氧濃度的影響，我們對(duì)燃機(jī)及電除塵運(yùn)行做了如下改進(jìn)措施：

1）修改電除塵自動(dòng)停運(yùn)高壓電源的控制邏輯，將高壓電源自動(dòng)停運(yùn)的條件燃機(jī)停機(jī)30 分鐘后自動(dòng)停運(yùn)高壓電源改為燃機(jī)停機(jī)后轉(zhuǎn)速降至3 轉(zhuǎn)（低速盤(pán)車轉(zhuǎn)速）時(shí)自動(dòng)停止高壓電源運(yùn)行，使燃機(jī)停機(jī)后及時(shí)停止高壓電源，以縮短燃機(jī)低轉(zhuǎn)速下，回流管道內(nèi)煤氣流動(dòng)基本靜止的情況下高壓電源的運(yùn)行時(shí)間。

2）修訂電除塵高壓電源運(yùn)行規(guī)程

（1）要求運(yùn)行人員嚴(yán)格控制高壓電源運(yùn)行時(shí)間，縮短高速盤(pán)車前人工啟動(dòng)高壓電源的時(shí)間， 禁止高盤(pán)前高壓電源持續(xù)運(yùn)行超過(guò)5 分鐘；

（2） 燃機(jī)停機(jī)后在線氧量?jī)x測(cè)得濃度高于1%時(shí)禁止啟動(dòng)電除塵高壓電源，須在電除塵后進(jìn)行煤氣放散，直至氧濃度低于0.5%才允許投入電除塵高壓電源；

3）定期對(duì)在線式氧量?jī)x進(jìn)行標(biāo)定，確保氧濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

自本案例問(wèn)題出現(xiàn)到解決歷時(shí)近4 個(gè)月，案例中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和問(wèn)題，除了要求具備系統(tǒng)的思維方式、方法，對(duì)待問(wèn)題耐心、堅(jiān)持不懈的工作作風(fēng)，還需具備思維大膽創(chuàng)新，學(xué)識(shí)面廣等要求。

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