一種具有遠(yuǎn)程傳輸功能的空氣過濾器性能對比檢測裝置的研制

蔡曉清， 吳寅琛，陳 劼， 盧桂賢，劉 威， 李 波

(1. 江蘇華電儀征熱電有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 211400；2. 江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司, 江蘇 常州 213011；3. 南京國源電氣有限公司, 南京 210001)

進(jìn)氣過濾系統(tǒng)對燃?xì)廨啓C(jī)是必不可少的。隨著燃?xì)廨啓C(jī)初溫的不斷升高和壓氣機(jī)葉片加工精度的提高，燃?xì)廨啓C(jī)對進(jìn)氣質(zhì)量變得越來越敏感，劣質(zhì)的進(jìn)口空氣除了導(dǎo)致葉片積垢、腐蝕、沖蝕，堵塞高溫部件的冷卻通道引起熱部件的失效，還極易引起壓氣機(jī)偏離設(shè)計(jì)運(yùn)行工況，對燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和使用壽命產(chǎn)生重大影響。為了最大限度地延緩進(jìn)氣品質(zhì)引起的燃?xì)廨啓C(jī)的性能老化，必須正確選擇進(jìn)氣過濾系統(tǒng)。

目前，過濾器的選擇均依據(jù)試驗(yàn)室條件中的檢測方法來確定分組及分級。這種實(shí)驗(yàn)室檢測方法，為不同過濾器的性能對比提供了一種共有的基礎(chǔ)條件，具有可重復(fù)性。但試驗(yàn)條件是在特定的流速、顆粒大小、顆粒的類型、濕度、溫度等進(jìn)行的，檢測的性能結(jié)果僅與此條件相關(guān)，如果這些條件中的一個(gè)因素發(fā)生變化，則過濾器將表現(xiàn)出不同的性能。而不同的地區(qū)，空氣中所含污染物千差萬別，導(dǎo)致同種組別、級別的過濾器在某地區(qū)性能較好，但在另一地區(qū)有可能性能表現(xiàn)較差，因此，測試結(jié)果并不能作為預(yù)測過濾器實(shí)際運(yùn)行性能和使用壽命的依據(jù)。

基于以上因素，本文提出了一種新的空氣過濾器的檢測方法，設(shè)計(jì)和搭建一套新的空氣過濾器性能檢測裝置。該裝置可在過濾器的實(shí)際運(yùn)用環(huán)境下進(jìn)行性能檢測，在全面、客觀地反映空氣過濾器實(shí)際運(yùn)用中的過濾性能的同時(shí)，檢測裝置具有操作簡便、無人值守、檢測精度高和檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠、且檢測數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)方傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)過濾器設(shè)計(jì)選型提供更可靠的決策依據(jù)。

1 空氣過濾器檢測方法的發(fā)展?fàn)顩r

過濾器的檢測標(biāo)準(zhǔn)及方法是隨著過濾器及其他相關(guān)檢測技術(shù)的進(jìn)步而逐步發(fā)展與演變的。針對一般通風(fēng)用空氣過濾器和HEPA/ULPA(高效/超低穿透率空氣過濾器)的性能檢測，大體上分為歐洲體系、美國體系和中國體系三類。對于一般通風(fēng)用空氣過濾器檢測標(biāo)準(zhǔn)有以EN779[1]為代表的歐洲體系，以ASHARE52.2[2]為代表的美國體系，我國的GB/14295[3]基本上是借鑒ASHARE52.2。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會EN779：2012根據(jù)計(jì)重效率和最低計(jì)數(shù)效率對空氣過濾器進(jìn)行分級，根據(jù)測試效率將過濾器評定為粗中細(xì)三檔9個(gè)級別。計(jì)數(shù)測試采用0.4 μm液態(tài)未處理的純凈DEHS (一種用于產(chǎn)生試驗(yàn)氣溶膠的液體，癸二酸二辛酯，DiEthylHexylSebacate)，或者其他具有相同特性的氣溶膠，最低效率是初始效率、消除靜電效率以及測試過程中的平均效率三者的最低者；計(jì)重效率及容塵采用ASHRAE人工塵。

美國標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE52.2是根據(jù)不同粒徑的KCl(氯化鉀)固態(tài)氣溶膠的過濾效率來評定空氣過濾器。其過濾效率分別在過濾器清潔狀態(tài)、五次容塵階段進(jìn)行測量的。KCl固態(tài)氣溶膠的粒徑范圍在0.3 μm～10 μm之間，至少應(yīng)包含12個(gè)粒徑段。每個(gè)粒徑段六次測量的最小值組成組合最小效率，然后取0.3～1、1～3、3～10 μm三個(gè)區(qū)間各4個(gè)粒徑段的效率平均值，得到了三個(gè)組合平均效率，與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，對過濾器進(jìn)行分級。

GB/T—14295分別采用多分散固相氯化鉀粒子氣溶膠和人工塵測試過濾器的計(jì)數(shù)效率和計(jì)重效率，并據(jù)此對過濾器進(jìn)行評定分級。氯化鉀粒子粒徑范圍為 0.3 μm～10 μm，計(jì)數(shù)效率按大于或等于0.3 μm、大于或等于 0.5 μm、大于或等于 1.0 μm 和大于或等于2.0 μm四個(gè)粒徑檔進(jìn)行測試，根據(jù)大于或等于 0.5 μm、大于或等于2.0 μm兩個(gè)粒徑檔下的計(jì)數(shù)效率進(jìn)行分級；計(jì)數(shù)效率低于2.0 μm粒徑檔的，采用人工塵按計(jì)重效率分級。

2 性能對比檢測裝置的設(shè)計(jì)

2.1 檢測對象、目的

檢測對象：基于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)2級過濾配置的現(xiàn)狀，檢測對象為2級過濾組合配置。為使檢測結(jié)果具有可比性，檢測裝置按同時(shí)對四種組合進(jìn)行檢測而設(shè)計(jì)。檢測目的：驗(yàn)證過濾器的使用壽命及其性能特征。

2.2 檢測條件

在過濾器使用環(huán)境下對候選過濾器進(jìn)行檢測。為此，對比檢測裝置安裝在集裝箱內(nèi)，可根據(jù)需要運(yùn)至不同的地點(diǎn)。

塵源：自然塵源，即新建、已建、擴(kuò)建燃?xì)廨啓C(jī)電廠廠址下的塵源。

溫濕度：電廠廠址下的溫濕度。

風(fēng)量：風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量為5 430 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)工況下)，為保證試驗(yàn)風(fēng)量與候選過濾器的設(shè)計(jì)工況及變工況風(fēng)量一致性，試驗(yàn)風(fēng)量可通過變頻裝置調(diào)節(jié)。

2.3 裝置組成

圖1為對比試驗(yàn)裝置的P&ID圖。圖2為空氣過濾器性能對比檢測裝置立體示意圖，圖3為遠(yuǎn)程傳輸拓?fù)鋱D。

1. 防雨罩；2. 預(yù)過濾器；3. 二級過濾器；4. 引風(fēng)機(jī)；5. 預(yù)過濾器差壓變送器；6. 二級過濾差壓變送器；7. 流量測量裝置； 8. 顆粒粒徑及濃度在線檢測儀；9. 大氣環(huán)境檢測儀；10. 電控及數(shù)傳柜。圖1 空氣過濾器性能對比檢測裝置P&ID

1. 防雨罩；4. 引風(fēng)機(jī)；10. 電控及傳輸柜；11. 風(fēng)道；12. 預(yù)過濾室；13. 二級過濾室；14. 穩(wěn)流室；15. 變徑管；16. 圓管；17. 排空管；18. 支架；19. 集裝箱圖2 空氣過濾器性能對比檢測裝置立體示意圖

圖3 空氣過濾器性能對比檢測裝置遠(yuǎn)程傳輸拓?fù)鋱D

如圖所示，檢測裝置由四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)道11，大氣環(huán)境檢測儀9、電控及數(shù)傳柜10、集裝箱19、云服務(wù)器、無線互聯(lián)網(wǎng)及客戶端組成。四個(gè)風(fēng)道11按兩列布置，兩列之間留有檢修維護(hù)通道，每列分上下兩個(gè)風(fēng)道，上風(fēng)道支撐在下風(fēng)道上，下風(fēng)道通過緊固件固定在鋼支架18上，支架18為型材焊接件。四個(gè)風(fēng)道11、電控及數(shù)傳柜10布置在集裝箱19中。

2.3.1 風(fēng)道設(shè)計(jì)

為真實(shí)反映過濾器的實(shí)際運(yùn)行效果，風(fēng)道按照燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的常規(guī)配置進(jìn)行設(shè)計(jì)。每一個(gè)風(fēng)道由防雨罩1、預(yù)過濾器室12、二級過濾室13、穩(wěn)流室14、變徑管15、圓管16、引風(fēng)機(jī)4及配套電機(jī)、排空管17及支架18組成。預(yù)過濾器2、二級過濾器3分別安裝在預(yù)過濾器室12和二級過濾室13內(nèi)。

預(yù)過濾器室12、二級過濾室13的結(jié)構(gòu)尺寸為750 mm×750 mm的方型管，材料均為鍍鋅碳鋼，厚度5 mm；為便于更換過濾器，預(yù)過濾器室12和二級過濾室13的四個(gè)面為法蘭連接，一個(gè)側(cè)面設(shè)置了觀察窗；風(fēng)機(jī)進(jìn)口和風(fēng)管之間借助于膨脹節(jié)實(shí)現(xiàn)柔性連接。引風(fēng)機(jī)4額定流量、全壓分別為5 430 m3/h，1 500 Pa，其配套電機(jī)的銘牌功率為5.5 kW,防護(hù)等級為IP65。

預(yù)過濾器室12、二級過濾室13的長度和結(jié)構(gòu)充分考慮到待測過濾器的類型和尺寸，適用于安裝袋式、板式和筒式過濾器等各種型式的過濾器。

過濾器下游的風(fēng)道兩側(cè)配置有視窗玻璃，用于測量顆粒粒度和濃度[4]，視窗玻璃與圓管通過螺栓相連接。

2.3.2 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)覆蓋了檢測裝置的強(qiáng)弱電系統(tǒng)，主要的電負(fù)荷有風(fēng)機(jī)電機(jī)、照明燈具及其控制回路、PLC、一次儀表等。動力進(jìn)線電源為AC 380 V，50 Hz，電機(jī)控制保護(hù)回路為AC 110 V，PLC及一次儀表為DC 24 V。

每臺風(fēng)機(jī)的電機(jī)配一臺變頻器，用于調(diào)節(jié)控制檢測風(fēng)量，目標(biāo)風(fēng)量可在操作面盤上設(shè)定。配電系統(tǒng)集成在電控及數(shù)模轉(zhuǎn)化柜中。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集、控制

數(shù)據(jù)采集包括預(yù)過濾器、二級過濾器壓差變送器5與6、流量測量裝置7、顆粒粒徑及濃度在線檢測儀8、大氣環(huán)境檢測儀9。預(yù)過濾器和二級過濾器壓差變送器、流量測量裝置、顆粒粒徑及濃度在線檢測儀每一風(fēng)道各配一套，大氣環(huán)境檢測儀四個(gè)風(fēng)道共用一套。各傳感器的輸出信號均為4～20 mA,送至PLC中。

顆粒粒度及濃度在線檢測儀采用了激光前向小角散射方法,與此同時(shí),顆粒濃度的在線檢測則采用光透消光方法[4]，顆粒粒度及濃度在線檢測儀的視窗玻璃安裝在過濾器下游的風(fēng)道兩側(cè)。

風(fēng)量控制:風(fēng)量控制的目的是保證試驗(yàn)風(fēng)量與待測過濾器的設(shè)計(jì)風(fēng)量相一致。借助于變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的供電頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)風(fēng)量的控制。首先根據(jù)待測過濾器的設(shè)計(jì)風(fēng)量設(shè)定目標(biāo)風(fēng)量，風(fēng)量傳感器測得的信號送至變頻器，計(jì)算風(fēng)量若不滿足設(shè)定值，變頻器據(jù)此調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使運(yùn)行風(fēng)量達(dá)到設(shè)定風(fēng)量。

2.3.4 遠(yuǎn)程傳輸

遠(yuǎn)程傳輸包括三部分:(1)現(xiàn)場實(shí)施部分：該部分主要包含PLC模塊、數(shù)傳模塊；(2)云端服務(wù)器部分：該部分架設(shè)在阿里云上，主要包括數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)站服務(wù)器。(3)客戶終端，可以是PC機(jī)或手機(jī)。

現(xiàn)場信號通過兩線制信號進(jìn)入PLC單元，組態(tài)后將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、封裝等處理后傳輸至數(shù)傳單元，同時(shí)向云服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請求，云服務(wù)器在收到傳輸請求后建立連接，數(shù)傳模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收并保存數(shù)據(jù)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫；同時(shí)，云服務(wù)器等待接收客戶端的連接請求，當(dāng)有客戶端連接請求時(shí)，接收、分析請求信息，解析出請求的方法、URL目標(biāo)、可選的查詢信息及表單信息等，同時(shí)根據(jù)請求做出相應(yīng)處理，向客戶端發(fā)送響應(yīng)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)傳單元與互聯(lián)網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)功能以及報(bào)文的顯示功能。

PLC的編程語言為簡易C語言，云端服務(wù)器租用時(shí)已預(yù)裝windows系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用SQL，主控單元與云服務(wù)器端的通信選擇面向連接的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程傳輸功能集成在電控及數(shù)模轉(zhuǎn)化柜中。

3 檢測過程及檢測結(jié)果的整理

3.1 檢測過程

首先根據(jù)待測過濾器的額定流量在變頻器操作面盤上設(shè)定目標(biāo)風(fēng)量，分別將四個(gè)風(fēng)道的風(fēng)量設(shè)定到目標(biāo)值，運(yùn)行中變頻器將根據(jù)風(fēng)量設(shè)定值與反饋值的差距，不斷調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的饋電頻率，也就是調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)的流量與目標(biāo)值一致。然后進(jìn)行初始風(fēng)量阻力檢測，把目標(biāo)風(fēng)量依次調(diào)節(jié)到額定風(fēng)量的50%、75%、100%和125%，相應(yīng)風(fēng)量下的過濾器的阻力值被傳送儲存至云端服務(wù)器，登錄云端服務(wù)器下載相關(guān)數(shù)據(jù)后，可以繪制出過濾器的風(fēng)量阻力曲線圖。初始風(fēng)量阻力曲線圖需在現(xiàn)場進(jìn)行。

初始風(fēng)量阻力檢測完成后，將風(fēng)量目標(biāo)值調(diào)整為100%的額定風(fēng)量，進(jìn)行過濾器壽命、容塵量和計(jì)重效率的檢測。隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷增長，過濾器差壓將持續(xù)升高，流量反饋值與目標(biāo)值產(chǎn)生了偏差，變頻器隨之調(diào)整供電頻率，使風(fēng)機(jī)流量跟蹤目標(biāo)值而調(diào)整，因此，風(fēng)機(jī)流量始終跟蹤目標(biāo)值。在此過程中，運(yùn)行時(shí)間、過濾器的差壓、環(huán)境空氣的顆粒物濃度、濕溫度以及待測過濾器(組)上下游的顆粒粒徑、濃度等參數(shù)均通過PLC、數(shù)傳模塊傳輸至云端服務(wù)器。當(dāng)過濾器差壓達(dá)到終值時(shí)，此時(shí)累計(jì)運(yùn)行的時(shí)間作為過濾器的實(shí)際運(yùn)行壽命。

在客戶終端登錄云端服務(wù)器可以下載檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)需要整理出過濾器的差壓、過濾效率隨時(shí)間的變化曲線，估算不同差壓下的容塵量和計(jì)重效率。

各種測量參數(shù)的上傳頻率是5 s 1次，為了方便起見，對下載的離散數(shù)據(jù)每1 min計(jì)算一次算術(shù)平均值，該值作為實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)。

(1) 塵量和平均計(jì)重效率

塵量和平均計(jì)重效率分別按公式(1)、(2)估算：

(1)

(2)

式中：CDH為總的容塵量，mg；T為檢測運(yùn)行時(shí)間，h；qv為額定過濾風(fēng)量，m3/s；PTS(t)為環(huán)境空氣總懸浮物濃度，μg/m3；Wc(t):過濾后的空氣顆粒物濃度，μg/m3；A:平均計(jì)重效率。

(2) 過濾效率的估算

計(jì)數(shù)效率是以待測過濾器上下游的不同粒徑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。首先對下載的上下游顆粒濃度每1min計(jì)算一次算術(shù)平均值，按公式(3)計(jì)算過濾效率：

(3)

式中：nj是待測過濾器下游j檔粒徑顆粒數(shù)量，Nj是待測過濾器上游j檔粒徑顆粒數(shù)量。

3.2 檢測初步結(jié)果

在調(diào)試階段，空氣過濾器性能對比檢測裝置布置在某一電廠空閑區(qū)域，該電廠東西兩個(gè)方位均與化工園區(qū)或化工廠相鄰。調(diào)試過程中，安裝了市場出售的4種不同廠家的筒式過濾器(標(biāo)稱過濾等級均為 EN779:2012 F9級)，在額定流量運(yùn)行了500 h，對四種過濾器的性能進(jìn)行了初步測試。過濾器的壓差隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，初始過濾效率和500 h下的過濾效率分別見圖5和圖6。

圖4 四種過濾器的差壓曲線

圖5 四種過濾器的初始過濾效率

圖6 過濾器運(yùn)行500 h時(shí)的過濾效率

綜合壓差變化趨勢和過濾效率兩個(gè)性能指標(biāo)，過濾器C的性能要優(yōu)于A、B、D三種過濾器，且在連續(xù)20小時(shí)的高濕度環(huán)境運(yùn)行時(shí)，過濾器C沒有出現(xiàn)差壓超標(biāo)的現(xiàn)象，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗?jié)裥?。盡管過濾器B的運(yùn)行差壓變化平穩(wěn)，但其過濾效率不及另外三種過濾器。

筆者認(rèn)為隨著測試儀器的不斷完善和測試時(shí)間的不斷增加，過濾器的實(shí)際運(yùn)行壽命、容塵量以及過濾效率隨時(shí)間或壓差的變化將得到進(jìn)一步的量化。

4 本裝置的優(yōu)越性

4.1 檢測條件、檢測結(jié)果更切合實(shí)際

在選擇進(jìn)氣過濾器時(shí)，由于現(xiàn)有檢測方法不能準(zhǔn)確地評價(jià)過濾器對電廠環(huán)境的適應(yīng)能力，因此常常導(dǎo)致過濾器的運(yùn)行時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命。本文提出的檢測條件、檢測對象的組合可與使用現(xiàn)場的完全一致，因此檢測結(jié)果更能反映實(shí)際的運(yùn)行性能，對過濾器的選型決策提供了科學(xué)的依據(jù)。另外,檢測裝置布置在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)，可通過汽車和火車將裝置運(yùn)輸?shù)讲煌倪^濾器應(yīng)用場所。

4.2 檢測更方便

性能檢測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)器，可遠(yuǎn)程傳輸、存儲，做到無人值守。檢測內(nèi)容不再像以前那樣由人工讀取微壓計(jì)數(shù)值,調(diào)整變頻器輸出頻率,記錄復(fù)雜的數(shù)據(jù),而一切工作都自動完成,檢測結(jié)果自動存入數(shù)據(jù)庫中。檢測操作非常方便,節(jié)省人力和檢測時(shí)間。

4.3 可比性強(qiáng)

檢測裝置的四個(gè)風(fēng)道均配置獨(dú)立的引風(fēng)機(jī)，且風(fēng)量可調(diào)，檢測結(jié)果具有可對比性，同時(shí)具備變工況性能對比檢測能力。

5 結(jié)論

通過對4只同等級的過濾器樣品試驗(yàn)證明，基于環(huán)境空氣條件下的空氣過濾器性能對比檢測裝置，能夠較準(zhǔn)確地反映出過濾器的性能，為空氣過濾器的選型以及結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)；數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳功能，實(shí)現(xiàn)了無人值守，減少了測試記錄的環(huán)節(jié)，降低性能測試工作強(qiáng)度，為測試空氣過濾器全壽命周期性能提供了可靠的手段。