空氣凈化靜電吸附裝置的研制及應(yīng)用

劉 超，吳長虎，吳群英

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452

空氣凈化靜電吸附裝置的研制及應(yīng)用

劉 超，吳長虎，吳群英

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452

海洋石油平臺透平機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣凈化均采用物理過濾方法，空氣中以溶膠狀存在的鹽霧不可避免地會造成濾芯壽命大幅度降低。根據(jù)靜電吸附原理，采用電暈線和集電極管束結(jié)構(gòu)、運(yùn)用全生命周期經(jīng)濟(jì)效果分析方法設(shè)計(jì)、研制的靜電吸附裝置能夠提高透平進(jìn)氣質(zhì)量，除鹽霧效率可達(dá)94%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），從而提升濾芯使用壽命。簡要介紹了靜電吸附原理，較為詳細(xì)地論述了靜電除鹽霧試驗(yàn)裝置的研制及除鹽霧效果、透平進(jìn)氣系統(tǒng)靜電吸附實(shí)用裝置的研制，最后闡明了采用全生命周期經(jīng)濟(jì)效果分析方法確定吸附實(shí)用裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的過程及該裝置的使用效果。

透平機(jī)組；進(jìn)氣系統(tǒng)；靜電吸附裝置；全生命周期；設(shè)計(jì)

目前海洋石油平臺透平機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣凈化均采用物理過濾方法，透平機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)處于海洋環(huán)境，空氣中以溶膠狀存在的鹽霧頻繁引發(fā)透平進(jìn)氣系統(tǒng)高壓差報(bào)警，不可避免地造成濾芯壽命大幅度降低，導(dǎo)致透平葉片發(fā)生腐蝕斷裂等一系列問題。因此，如何降低鹽霧對設(shè)備的影響，確保機(jī)組持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，是一個(gè)亟待解決的問題[1-2]。

經(jīng)前期調(diào)研，靜電吸附技術(shù)在陸地火力發(fā)電煙氣除塵、石化除酸霧等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，這為靜電吸附原理在除鹽霧方面的應(yīng)用提供了借鑒。本文采用問題導(dǎo)向、技術(shù)移植的研究方法，將靜電吸附原理成功應(yīng)用于除鹽霧領(lǐng)域，研制出了用于透平進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣凈化靜電吸附裝置。采用電暈線和集電極管束結(jié)構(gòu)研制的靜電吸附裝置在海洋石油平臺已成功應(yīng)用。經(jīng)分析該裝置的應(yīng)用能夠提高透平進(jìn)氣質(zhì)量，從而提升濾芯使用壽命（意味著濾芯成本降低），降低機(jī)組故障率，對保障平臺設(shè)施的正常生產(chǎn)、降低運(yùn)維成本具有積極作用。

1 靜電吸附裝置研制

靜電吸附裝置采用電暈線與集電極管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，由電暈線（陰極系統(tǒng)）、集電極管束（碳纖維管，即蜂窩陽極系統(tǒng)）、高壓直流電源等部件組成，從而建立了靜電吸附所需的靜電，正、負(fù)極必備條件。電暈線和集電極管束如圖1所示。

圖1 電暈線和集電極管束

1.1 靜電除鹽霧工作原理

利用可調(diào)高壓直流電源（10～70 kV）在集電極和電暈線之間產(chǎn)生一個(gè)非均勻電場。電壓值改變時(shí)，電暈線周圍的電場強(qiáng)度隨之改變，當(dāng)電場強(qiáng)度接近空氣的擊穿電場強(qiáng)度時(shí)氣體發(fā)生電離，形成大量的正離子和自由電子。自由電子隨電場向正極漂移過程中和鹽霧中性分子或顆粒發(fā)生碰撞，帶上負(fù)電的鹽霧和塵埃在電場的作用下向集電極管束方向移動直至被吸附，見圖2、圖3。

圖2 高壓直流電通過電暈線形成擊穿電場

圖3 鹽霧、塵埃被吸附于集電極管束

1.2 靜電除鹽霧試驗(yàn)裝置的研制及除鹽霧效果

研制的一套靜電除鹽霧試驗(yàn)裝置見圖4。該裝置采用超聲波鹽霧發(fā)生器模擬沿海鹽霧環(huán)境，離心風(fēng)機(jī)模擬透平進(jìn)氣系統(tǒng)，通過在裝置進(jìn)出口處的視鏡觀察除鹽霧效果。通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)除鹽霧效果良好，按照GBT 10593.2-2012《電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測量方法鹽霧》[3]對環(huán)境鹽霧進(jìn)行采樣、分析和計(jì)算其鹽霧含量和鹽霧沉降率，并經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測，確認(rèn)其除鹽霧效果可達(dá)94%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上。

圖4 靜電除鹽霧試驗(yàn)裝置

1.3 透平進(jìn)氣系統(tǒng)靜電吸附實(shí)用裝置的研制

在對靜電除鹽霧試驗(yàn)裝置進(jìn)行除鹽霧論證及效果驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對海洋石油平臺透平機(jī)組進(jìn)氣量、空間限制等情況，研制了一套靜電吸附裝置，見圖5。目前海洋石油平臺透平機(jī)組絕大多數(shù)為進(jìn)口設(shè)備，國內(nèi)外透平進(jìn)氣濾器均選用物理過濾法，將靜電吸附裝置應(yīng)用于透平進(jìn)氣濾器進(jìn)行吸附空氣中的鹽霧屬首次。

圖5 透平進(jìn)氣系統(tǒng)靜電吸附實(shí)用裝置

2 靜電吸附實(shí)用裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及裝置使用效果

經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)、論證，靜電吸附實(shí)用裝置（以下簡稱靜電吸附裝置）的除鹽霧率也達(dá)到94%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在很大程度上提高了透平機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量。為了確定靜電除鹽霧裝置的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，以及便于對因添加靜電除鹽霧裝置而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行分析，采用了全生命周期經(jīng)濟(jì)效果分析方法，對靜電吸附裝置在使用年限為N年（一般取20年）內(nèi)的投入與產(chǎn)生的收益值進(jìn)行分析比較。

2.1 全生命周期內(nèi)節(jié)約濾芯費(fèi)用Cf

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，使用靜電吸附裝置后，透平進(jìn)氣系統(tǒng)濾芯使用壽命約延長20%，即在增加除鹽霧裝置之前濾芯更換周期為Tf，增加除鹽霧裝置后濾芯更換周期可延長至1.2 Tf。濾芯使用量的減少可以為企業(yè)節(jié)約部分費(fèi)用Cf，費(fèi)用額可以通過全生命周期內(nèi)濾芯使用減少量△Qf及市場價(jià)格Af來確定：

式中：qf為濾芯年消耗量。

2.2 全生命周期內(nèi)透平維保節(jié)約費(fèi)用Ct

通過對比，在增加除鹽霧裝置后，透平機(jī)內(nèi)部潔凈度有了一定程度的提升，這無形提升了透平機(jī)組持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的效率，降低了機(jī)組故障率及相關(guān)的維保費(fèi)用。因該部分費(fèi)用無法精確計(jì)算，因此在經(jīng)濟(jì)效果分析時(shí)暫不予考慮。

2.3 增加靜電吸附裝置的費(fèi)用Cs

根據(jù)靜電吸附裝置特點(diǎn)，后續(xù)耗能（海上設(shè)施發(fā)電絕大多數(shù)為自給自足）、維保等相關(guān)費(fèi)用相對于制作、安裝費(fèi)用少很多，可在經(jīng)濟(jì)效果分析時(shí)忽略不計(jì)。因此增加靜電吸附裝置的綜合費(fèi)用Cs取決于自身的體積規(guī)模，即與集電極管束（碳纖維管）的數(shù)量n、長度l有關(guān)，而碳纖維管數(shù)量、長度則取決于透平進(jìn)氣量Q、進(jìn)氣截面積S，即：

2.4 目標(biāo)函數(shù)

基于空氣凈化靜電吸附裝置全生命周期的經(jīng)濟(jì)效果分析方法，以增加靜電吸附裝置的費(fèi)用Cs減去全生命周期內(nèi)節(jié)約濾芯費(fèi)用Cf的值為最小作為目標(biāo)函數(shù)，即：

約束條件：

（1）碳纖維管長度l：

式中：l-、l+分別為碳纖維管長度的下限和上限，上限l+受透平進(jìn)氣橇內(nèi)空間限制，下限l-受除鹽霧裝置除鹽霧效率η的限制，碳纖維管長度低于下限值時(shí)無法保障除鹽霧效率。

（2）除鹽霧裝置除鹽霧效率η：

式中：u為高壓直流電壓，kV，10 kV≤u≤70 kV。

2.5 優(yōu)化求解與驗(yàn)證實(shí)例

（1） 模型分析。經(jīng)分析該評估模型涉及n、l、u、η多個(gè)變量，其中n為正整數(shù)，l、η和u為連續(xù)變量；對于特定機(jī)組，l-、l+、Q、S、N為常量，因此該評估模型屬于0-1整型規(guī)劃問題的范疇。

（2）求解方法。應(yīng)用MATLAB對評估模型進(jìn)行求解，步驟如下：

第一，首先定義目標(biāo)函數(shù)，并建立對應(yīng)的文件。

第二，對各約束條件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，并編寫對應(yīng)的文件。

第三，調(diào)用求解函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。

（3）優(yōu)化結(jié)果。其中目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果作為判定增加除鹽霧裝置是否經(jīng)濟(jì)可行的重要指標(biāo)，當(dāng)minC小于零時(shí)表示收益大于投入，方案基本可行，此時(shí)對應(yīng)的各變量優(yōu)化結(jié)果n、l、u可作為靜電吸附裝置設(shè)計(jì)、制作的依據(jù)，η是對應(yīng)的除鹽霧效率。

（4）實(shí)例驗(yàn)證。中國海洋石油有限公司天津分公司BZ34-1CEPA平臺透平A機(jī)型號為SolarTaurus70，根據(jù)機(jī)組工況及現(xiàn)場空間限制條件，經(jīng)建模、求解，判定該方案經(jīng)濟(jì)可行，其中u=70 kV，l=2 500 mm，n=94，后經(jīng)檢驗(yàn)，除鹽霧效率η=94% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

3 結(jié)束語

靜電吸附裝置在海洋石油平臺上的應(yīng)用能夠在很大程度上提高透平進(jìn)氣質(zhì)量，從而提升濾芯使用壽命，降低機(jī)組故障率，對保障設(shè)施正常生產(chǎn)、降低運(yùn)維成本具有積極作用。

[1]吳長虎.燃?xì)馔钙届o電除鹽霧裝置的研發(fā)及應(yīng)用[J].中國科技縱橫，2016（12）：99.

[2]楊林，吳長虎，劉全恩，等.海上燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣靜電除鹽霧裝置[P].中國：ZL2015 2 0169929.7.

[3]GB/T10593.2-2012，電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測量方法鹽霧[S].

Development and application of electrostatic adsorption device for air purification

LIU Chao，WU Changhu，WU Qunying
CNOOC EnerTech Equipment Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

Air purification of gas inlet system of turbine unit on offshore platform applies physical filtering method.Salt mist aerosol in air can inevitably decrease service life of filter element.Based on the electrostatic adsorption principle and adopting corona wire and collector tube bundle structure，then applying lifecycle economic effect analysis method to design and develop an electrostatic adsorption device can raise turbine unit gas inlet quality，the salt mist eliminating efficiency reaches 94%so as to prolong lifecycle of the filter element.This article illustrates the development of the electrostatic adsorption experimentaldevice and its salt mist eliminating effect，the development of the applied turbine unit electrostatic adsorption device，the structural parameters determination with lifecycle economic effect analysis method，and the application effect of the device.

turbine unit；gas inlet system；electrostatic adsorption device；lifecycle；design

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.012

劉 超（1988-），男，河北衡水人，工程師，2014年畢業(yè)于天津科技大學(xué)機(jī)械制造及其自動化專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋石油平臺設(shè)備維保相關(guān)的工作。Email：liuchao46@cnooc.com.cn

2017-07-10