燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防霧霾技術(shù)研究應(yīng)用

引 言

某燃?xì)饫洹?、電三?lián)供電廠所在地為北京市昌平區(qū)。近年來(lái)，該地區(qū)每年清明節(jié)前后沙塵暴較嚴(yán)重，4、5月份空氣中柳絮含量極高，秋冬季長(zhǎng)期為霧霾天，空氣含塵量高。環(huán)境大氣作為燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)，影響著燃?xì)廨啓C(jī)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，會(huì)使燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)過濾器壓差快速升高，降低燃?xì)廨啓C(jī)的效率與功率，造成機(jī)組被迫下調(diào)負(fù)荷或停機(jī)[1,2]。對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)過濾器進(jìn)行改造，使燃機(jī)在惡劣氣候條件下能夠正常運(yùn)行是十分必要的，否則，既影響燃機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，又影響供冷供熱。

1 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)介紹

某廠燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為1套300MW級(jí)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)抽汽供熱發(fā)電機(jī)組，配置1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)蒸汽輪機(jī)以及2臺(tái)發(fā)電機(jī)，布置類型為多軸布置。燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)為SGT5-2000E（V94.2），最大發(fā)電出力168MW（采用德國(guó)西門子公司的技術(shù)，由上海汽輪機(jī)廠制造）。按照西門子公司9E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)典型布置，其燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)布置在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)房屋頂，其作用是過濾空氣中塵土、初步分離空氣中液滴，并將過濾后的潔凈空氣供應(yīng)至燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)，以維持燃?xì)廨啓C(jī)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行[3]。該套進(jìn)氣系統(tǒng)由上海華強(qiáng)公司設(shè)計(jì)制造，進(jìn)氣過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2級(jí)，第1級(jí)為防凍倉(cāng)，從外到內(nèi)依次為風(fēng)雨防護(hù)罩、防柳絮網(wǎng)、防冰凍系統(tǒng)和折板除霧器；第2級(jí)為過濾器倉(cāng)，含粗濾層和精濾層，其中粗濾為聚結(jié)式玻璃纖維材料，過濾等級(jí)為：G3/G4（EN779；2012），共504塊；精濾為1個(gè)圓柱筒和1個(gè)圓錐筒組裝式濾芯，過濾等級(jí)為：F9（EN779；2012），共616套；精濾帶脈沖反吹自清潔系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與手動(dòng)控制。

2 問題研究分析

圖1 燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)粗濾網(wǎng)構(gòu)造

圖2 燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)粗濾網(wǎng)構(gòu)造

圖3 黏附了灰塵的精濾筒

1號(hào)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組自2014年7月初完成96小時(shí)滿負(fù)荷試運(yùn)行，轉(zhuǎn)生產(chǎn)后一直運(yùn)行到9月初機(jī)組停備，燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)F9級(jí)精過濾器從最初的180Pa初始?jí)翰钪饾u升至510Pa。運(yùn)行期間進(jìn)行了階段性反吹，效果不明顯。9月底再次啟動(dòng)，機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷后，精過濾器壓差在大氣濕度為75%時(shí)達(dá)到570Pa，濕度為98%時(shí)達(dá)到890Pa。在此期間，對(duì)G3級(jí)粗濾網(wǎng)進(jìn)行更換，由于空氣質(zhì)量差，平均20多天更換一次粗濾網(wǎng)。同北京類似電廠的精過濾器使用情況進(jìn)行比較，精過濾器壓差上升速度較快，粗濾網(wǎng)更換頻率高，且在精濾筒進(jìn)行脈沖反吹時(shí)，整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)會(huì)有一定的振動(dòng)，部分濾網(wǎng)會(huì)脫離安裝位置，造成進(jìn)氣短路，無(wú)法過濾空氣。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣過濾系統(tǒng)粗濾網(wǎng)的內(nèi)部吸附有大量的灰塵并在表面形成板結(jié)，從而導(dǎo)致粗濾壓差高并超過最大允許值；精濾筒的表面也有較大顆粒的灰塵，其黏附在精濾筒紙質(zhì)材料表面，個(gè)別的精濾筒表面還有粗濾的玻璃纖維殘留。以上表明燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在問題，無(wú)法適應(yīng)北京霧霾、風(fēng)沙、雨雪等惡劣環(huán)境，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有待提高。具體作如下分析：

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)粗濾網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理

燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)進(jìn)氣中所含的污染物濃度及顆粒物粒徑要求嚴(yán)格[4]。濾網(wǎng)作為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)給壓氣機(jī)提供過濾的清潔的空氣，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行要求，在整個(gè)機(jī)組中起著至關(guān)重要的作用[5]。燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)粗濾網(wǎng)構(gòu)造分為可拆卸部分與不可拆卸部分。可拆卸部件包括：凝聚式玻璃纖維、不銹鋼絲夾持網(wǎng)，不銹鋼壓緊網(wǎng)。不可拆卸部件包括：固定網(wǎng)、固定不銹鋼框架（見圖1、圖2）。安裝時(shí)，首先將凝聚式玻璃纖維塊裝入不銹鋼絲夾持網(wǎng)，然后將夾有玻璃纖維塊的不銹鋼絲夾持網(wǎng)裝入不銹鋼框架里并壓緊鉤釘固定到網(wǎng)上，最后裝上壓緊網(wǎng)。粗濾網(wǎng)靠不銹鋼絲夾持網(wǎng)及不銹鋼壓緊網(wǎng)的彈性變形卡在固定不銹鋼框架內(nèi)。為防止粗濾網(wǎng)在運(yùn)行中脫離安裝位置，造成進(jìn)氣短路，需將固定網(wǎng)上的鉤釘折彎，鉤住壓緊網(wǎng)。拆卸工作為上述逆過程。

該結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)：一是機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，凝聚式玻璃纖維需不斷進(jìn)行更換。固定網(wǎng)上的鉤釘也需不斷進(jìn)行折彎、扳直操作。反復(fù)操作，金屬鉤釘易斷裂；二是粗濾網(wǎng)與固定框架之間的間隙在反吹過程中會(huì)有變大的可能性。更換粗濾網(wǎng)時(shí)，氣流會(huì)將粗濾中灰塵吹向精濾筒，污染精濾筒。更換后的粗濾不能完全杜絕氣流短路的現(xiàn)象發(fā)生，仍會(huì)有未經(jīng)過濾的空氣流向精濾筒，直接影響精過濾筒的壽命；三是整個(gè)安裝與拆卸操作過于復(fù)雜，更換粗濾網(wǎng)工作量大，作業(yè)人員如防護(hù)不當(dāng)，極易將灰塵吸入身體，造成人身傷害。

2.2 北京空氣濕度在早晚時(shí)較大，最大可達(dá)到98%。因空氣過濾器在空氣濕度較大情況下的工作性能與空氣干燥時(shí)有較大區(qū)別，所以精過濾筒的壓差對(duì)濕度比較敏感[6]?？諝飧稍飼r(shí)，經(jīng)G3/G4級(jí)粗濾過濾后的小粒徑灰塵隨著機(jī)組的運(yùn)行會(huì)吸附在精濾筒濾紙表面，但通過脈沖反吹，可將其從濾筒表面吹離，實(shí)現(xiàn)一定的反吹效果。但空氣濕度較大時(shí)，小粒徑灰塵會(huì)與空氣中水汽混合，黏附在精濾筒濾紙表面（見圖3），此時(shí)脈沖反吹不易將其吹落，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。長(zhǎng)期運(yùn)行，精過濾筒表面的灰塵會(huì)不斷累積，進(jìn)而導(dǎo)致壓差過快升高。

2.3 燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為粗效過濾器G3與高中效過濾器F9組合。兩者的精度等級(jí)相差較大，不是最優(yōu)的過濾方案。

3 進(jìn)氣過濾系統(tǒng)優(yōu)化方案及應(yīng)用

3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用的基礎(chǔ)條件為：

3.1.1 降低燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)總壓差上升速度，提高機(jī)組運(yùn)行效率。

3.1.2 在燃機(jī)不停機(jī)、不降低負(fù)荷的情況下，快捷、方便地在線更換，降低維護(hù)工作量及成本。

3.1.3 精過濾筒的造價(jià)及更換費(fèi)用高，需對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)，以延長(zhǎng)使用壽命。

3.1.4 機(jī)組進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，機(jī)組檢修期時(shí)間短，必須根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

根據(jù)分析的原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，增加一層M5級(jí)中效過濾器。將原設(shè)計(jì)：粗效過濾器G3+高中效過濾器F9，優(yōu)化為：粗效過濾器G3+中效過濾器M5+高中效過濾器F9。具體論述如下：

3.2 原有粗效過濾器G3布置在進(jìn)氣系統(tǒng)的過濾器倉(cāng)內(nèi)，緊貼在折板除霧器后安裝。優(yōu)化方案將其布置于防凍倉(cāng)內(nèi)，在折板除霧器前安裝。使用不銹鋼網(wǎng)格將G3凝聚式玻璃纖維氈固定在進(jìn)氣系統(tǒng)折板除霧器前的模架上。單塊面積是原先的2倍多，數(shù)量由原先的504塊變?yōu)?24塊。日常更換時(shí)僅需將舊的凝聚式玻璃纖維氈卷起即可拆除，將新的凝聚式玻璃纖維氈卷成柱狀，展開端先與固定框一側(cè)對(duì)齊，然后逐步展開使其填充在固定框內(nèi)即可完成安裝，大大的減少了更換工作量。同時(shí)，在固定框架設(shè)有防水槽，下雨天及空氣濕度較大時(shí)，凝聚的水可以通過防水槽流入折板除霧器的排污管中排走。經(jīng)優(yōu)化的G3級(jí)粗濾網(wǎng)見圖4。

3.3 在原有粗效過濾器G3的位置處布置中效過濾器M5。該級(jí)過濾器可選方案為：

3.3.1 采用折疊式框架結(jié)構(gòu)，將2000mm×560mm×50mm固定框骨架固定在1個(gè)不銹鋼框架內(nèi)，進(jìn)風(fēng)過濾面積約為單片粗濾的3倍，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)試，初始?jí)翰顑H為90Pa，單個(gè)粗濾框的容塵量約為單片粗濾的2倍，延長(zhǎng)了粗濾的更換周期。

3.3.2 采用鋁合金外框的玻纖袋式過濾器525mm×560mm×400mm-80(長(zhǎng)m，80-數(shù)量)，其通風(fēng)過濾面積為單片粗濾的10倍以上，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)試，初始?jí)翰顑H為50Pa，其更換周期更長(zhǎng)。綜合比較兩種方案，后者更優(yōu)。中效過濾器的固定采用導(dǎo)槽形式，即在現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上焊接不銹鋼導(dǎo)槽，導(dǎo)槽與原結(jié)構(gòu)間的縫隙用密封膠密封，玻纖袋式過濾器的鋁合金外框與導(dǎo)槽間用PE密封條密封。該方式可有效的防止空氣流短路，防止未經(jīng)過濾的空氣流向精濾，對(duì)精濾筒起到可靠的保護(hù)。由于是導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)，更換時(shí)僅需將鋁合金外框滑進(jìn)滑出即可，減少了更換的工作量。經(jīng)優(yōu)化的M5級(jí)鋁合金外框的玻璃纖維袋式過濾器見圖5。

圖4 經(jīng)優(yōu)化的G3級(jí)粗濾網(wǎng)

3.3.3 將增加的一層M5級(jí)袋式粗濾布置于折板除霧器后面，遇到霧霾、雨雪、潮濕天氣時(shí)，前面的G3級(jí)粗濾及折板除霧器會(huì)過濾掉大部分的水汽與灰塵，對(duì)其產(chǎn)生很好的保護(hù)作用，從而提高其使用壽命。

3.3.4 優(yōu)化后的G3級(jí)粗濾是進(jìn)氣系統(tǒng)的第一級(jí)過濾，因此更換頻率較高。在線更換時(shí)，只需將其卷起即可拆除，操作過程中僅有極少量灰塵被吹落。被吹落的灰塵會(huì)被后面的M5級(jí)袋式濾網(wǎng)過濾，從而完全杜絕了更換粗濾時(shí)對(duì)精濾筒造成污染。更換G3級(jí)粗濾時(shí)，操作人員在氣流的上方，從而也從根源上杜絕了更換粗濾時(shí)，灰塵對(duì)操作人員的身體傷害。

3.3.5 優(yōu)化后的燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的總壓差較優(yōu)化之前會(huì)增加一個(gè)M5級(jí)袋式濾網(wǎng)產(chǎn)生的初始?jí)翰?0Pa，僅占進(jìn)氣過濾系統(tǒng)壓差報(bào)警值1.3KPa的3.8%。由于優(yōu)化改造過濾系統(tǒng)可以有效地保護(hù)精濾筒，提高精濾筒的壽命，從而降低了進(jìn)氣系統(tǒng)總壓差的上升速率，使燃機(jī)能較長(zhǎng)時(shí)間的在低進(jìn)氣壓差的階段運(yùn)行，提高了機(jī)組的效率。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

一套F9級(jí)精過濾筒的價(jià)格約為180萬(wàn)元，一套M5級(jí)袋式濾網(wǎng)的價(jià)格約為11萬(wàn)元，整個(gè)優(yōu)化改造的費(fèi)用為30萬(wàn)元。

4.1 按延長(zhǎng)精過濾筒壽命的1/3計(jì)算，可得收益為180萬(wàn)元1/3=60萬(wàn)元，如在壽命延長(zhǎng)后的整個(gè)精濾筒壽命期內(nèi)更換4套M5級(jí)袋式濾網(wǎng)，費(fèi)用為11萬(wàn)元×4=44萬(wàn)元，收益為60萬(wàn)元-44萬(wàn)元=16萬(wàn)元。

圖5 經(jīng)優(yōu)化的M5級(jí)鋁合金外框的玻璃纖維袋式過濾器

4.2 減少更換濾網(wǎng)的工作量。優(yōu)化前，更換一次504塊G3級(jí)粗濾網(wǎng)的工作量約為50人工日，優(yōu)化改造后更換一次224塊G3級(jí)粗濾網(wǎng)的工作量約為15人工日。機(jī)組年發(fā)電時(shí)間按300天計(jì)算，G3級(jí)粗濾網(wǎng)的更換周期按20天計(jì)算，年更換次數(shù)為15次。人工費(fèi)按0.04萬(wàn)元/人＊天。則可節(jié)約人工費(fèi)：（50天-15天）×0.04萬(wàn)元×15次=21萬(wàn)元。

4.3 優(yōu)化改造后，進(jìn)氣系統(tǒng)總平均壓差按降低400Pa計(jì)算。根據(jù)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)壓差與效率曲線，壓差與發(fā)電系數(shù)為線性關(guān)系。現(xiàn)取兩點(diǎn)讀數(shù)：壓差為400Pa時(shí)發(fā)電系數(shù)為0.994；當(dāng)壓差為800Pa時(shí)發(fā)電系數(shù)為0.988，即400Pa的壓差會(huì)導(dǎo)致發(fā)電系數(shù)變化0.006。按機(jī)組年發(fā)電量6.1億千瓦時(shí)，每度電價(jià)0.8元計(jì)算，可提高年經(jīng)濟(jì)效益：610000000千瓦×（0.994-0.988）×0.8元×10-4=292.8萬(wàn)元

優(yōu)化改造后的第一年的凈收益為：16萬(wàn)元+21萬(wàn)元+292.8萬(wàn)元-30萬(wàn)元=299.8萬(wàn)元。

5 結(jié) 語(yǔ)

優(yōu)化改造燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)，能夠有效延緩進(jìn)氣系統(tǒng)總壓差上升時(shí)間，減少粗濾網(wǎng)更換、維護(hù)工作量，避免了更換時(shí)對(duì)作業(yè)人員的身體傷害；能夠保護(hù)精濾筒，延長(zhǎng)其使用壽命；可以增強(qiáng)機(jī)組對(duì)霧霾、風(fēng)沙、雨雪、柳絮等惡劣天氣的適應(yīng)力，改善機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性；還可以提高燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電效率因數(shù)，增加機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益，值得國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化改造借鑒與參考。

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