低熱值高爐煤氣沿海CCPP機(jī)組空氣進(jìn)氣系統(tǒng)研究分析

梁 飛 王 恒

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司)

某公司采用三菱公司的150 MW改進(jìn)型701S(DA)X燃?xì)廨啓C(jī)組，整體循環(huán)效率達(dá)到47%。該低熱值燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組將煤氣與空氣壓縮至1.4～1.5 MPa，通過(guò)燃燒室燃燒產(chǎn)生的高溫高壓煙氣，推動(dòng)燃機(jī)透平膨脹做功。燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)空氣的潔凈度要求非常高，良好的空氣質(zhì)量可延長(zhǎng)空氣壓縮機(jī)可調(diào)靜葉及第一級(jí)動(dòng)葉的檢修周期，保證機(jī)組性能和運(yùn)行可靠性。

作為外界空氣進(jìn)入燃機(jī)系統(tǒng)的唯一防線，進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的選擇十分重要，該公司地處唐山渤海灣曹妃甸港附近，屬于典型北方沿海氣候。每年5月至9月的夏季高濕度季節(jié)，11月至次年1月的大霧季節(jié)，會(huì)多次出現(xiàn)導(dǎo)致過(guò)濾器差壓急劇升高的濕堵現(xiàn)象。

進(jìn)氣系統(tǒng)濕堵將直接開啟701S(DA)X型燃機(jī)機(jī)組空氣旁路門，大量未經(jīng)過(guò)濾的空氣直接進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，造成機(jī)組運(yùn)行安全隱患。文章將針對(duì)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析及優(yōu)化。

1 燃機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)概述

該公司燃機(jī)空氣過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)過(guò)濾，如表1所示。

表1 空氣過(guò)濾系統(tǒng)參數(shù)

經(jīng)過(guò)兩級(jí)過(guò)濾后，空氣中直徑≥0.3 μm的灰塵顆粒有99.99%留在了兩級(jí)濾芯上，使進(jìn)入燃機(jī)的空氣十分潔凈，延長(zhǎng)了燃機(jī)空壓機(jī)葉片使用壽命。

一級(jí)脈沖過(guò)濾器共配備了12段反吹壓縮空氣管道，通過(guò)極短時(shí)間從濾芯內(nèi)部噴射壓縮空氣的方式，使濾芯振蕩，將附著在濾芯表面的灰塵脫除。每段反吹空氣管道含12個(gè)分支，由144個(gè)電磁閥控制反吹，每次反吹有6個(gè)電磁閥開啟，持續(xù)約100 ms，按由上到下順序進(jìn)行。通過(guò)反吹能夠一定程度延長(zhǎng)脈沖過(guò)濾器使用壽命。

隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加，濾芯中的灰塵增多，兩級(jí)過(guò)濾器的差壓都有不同程度的上升。為保證機(jī)組安全，過(guò)濾房單側(cè)設(shè)3個(gè)空氣旁路門，當(dāng)過(guò)濾器差壓總和達(dá)到2.05 kPa時(shí)，空氣旁路門受外部空氣壓力作用打開，保證機(jī)組進(jìn)氣壓力小于2.05 kPa，防止空氣阻力過(guò)大、空氣進(jìn)氣量過(guò)低，影響燃機(jī)冷卻空氣量，損傷燃機(jī)葉片。但在空氣旁路門開啟狀態(tài)下，大量未經(jīng)過(guò)濾的空氣進(jìn)入燃機(jī)，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)造成空壓機(jī)葉片結(jié)垢、降低性能，嚴(yán)重情況下甚至?xí)斐扇~片損傷。

所以當(dāng)任一級(jí)濾芯差壓超過(guò)設(shè)計(jì)終阻力時(shí)，都需要更換濾芯。

此機(jī)組空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了空氣過(guò)濾器使用效果，以及在異常狀況下的應(yīng)對(duì)措施，能夠保證燃機(jī)在環(huán)境適宜的情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)際狀況

由于不同機(jī)組所處環(huán)境不同，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，濾芯的使用壽命也不同。在沿海地區(qū)，受夏季及秋季持續(xù)高濕天氣影響，燃機(jī)空氣過(guò)濾器濾芯易發(fā)生濕堵，差壓上升變快，濾芯壽命縮短。此機(jī)組中一級(jí)脈沖濾芯直接接觸大氣。當(dāng)大氣濕度持續(xù)高于90%時(shí)，兩級(jí)濾芯差壓變化如表2和表3所示。

表2 一級(jí)脈沖過(guò)濾器濾芯高濕天氣差壓變化

表3 二級(jí)HEPA過(guò)濾器濾芯高濕天氣差壓變化

從表2、3可以看出，在濾芯使用過(guò)程中，前期濾芯差壓較低時(shí)，大氣濕度持續(xù)升高對(duì)濾芯差壓影響很?。缓笃诋?dāng)濾芯使用達(dá)到設(shè)計(jì)終阻力80%以上時(shí)，大氣濕度升高會(huì)造成濾芯差壓急劇上升。

造成此現(xiàn)象的原因主要為濾芯濕堵。即在大氣濕度升至80%以上時(shí)，濾芯差壓在3～6 h內(nèi)急劇上升，而當(dāng)大氣濕度降至80%后，濾芯的差壓可降至濕堵發(fā)生前的狀態(tài)。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大氣濕度持續(xù)高于90%時(shí)，脈沖過(guò)濾器濾芯運(yùn)行差壓達(dá)到0.78 kPa的運(yùn)行時(shí)間為4 000 h，HEPA過(guò)濾器濾芯運(yùn)行差壓達(dá)到0.679 kPa的運(yùn)行時(shí)間為10 000 h，濾芯差壓超過(guò)濾芯設(shè)計(jì)的終阻力1.0 kPa，為保證機(jī)組正常運(yùn)行，需要更換濾芯。在同類型其他機(jī)組

使用過(guò)程中，一級(jí)濾芯使用壽命8 000 h，二級(jí)濾芯使用壽命16 000 h。

2 燃機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)分析

2.1 進(jìn)氣濾芯差壓急劇上升原因分析

燃機(jī)空氣濾芯主要材質(zhì)為木漿纖維，是一種多孔介質(zhì)材料，空氣流通量受局部阻力影響。當(dāng)遇到高濕天氣時(shí)，濾芯局部阻力增加，差壓增加，空氣流通量降低，發(fā)生濕堵。

濕堵主要原因?yàn)椋?/p>

(1)過(guò)濾器材料含有吸水性較強(qiáng)的木漿纖維，吸水膨脹，擠壓纖維間孔徑，會(huì)降低流通面積；

(2)黏附在過(guò)濾器中的部分污染物受潮體積膨脹，降低了濾材的流通面積；

(3)濾紙受潮后強(qiáng)度降低，造成濾紙粘連或塌陷，氣體流通面積降低，過(guò)濾器阻力增加。

根據(jù)表2、3數(shù)據(jù)可知，濾芯使用前期，濾芯日常差壓在終阻力50%以下時(shí)，濕堵對(duì)濾芯影響較??；隨著濾芯使用時(shí)間增加，當(dāng)濾芯日常差壓超過(guò)終阻力50%時(shí)，濕堵對(duì)濾芯的影響將逐漸增大。

前期濾芯污染物較少時(shí)，僅由濾芯本身材質(zhì)吸水膨脹降低流通面積，造成濾芯差壓變化不明顯；當(dāng)濾芯內(nèi)污染物達(dá)到一定數(shù)量后，污染物受潮體積膨脹，同時(shí)濾芯本身材質(zhì)吸水膨脹降低流通面積，局部阻力增加明顯，濾芯差壓增加顯著。所以，濾芯內(nèi)污染物受潮膨脹是濕堵后差壓急劇升高的關(guān)鍵因素，濾芯本身材質(zhì)吸水膨脹為次要因素。

2.2 濕堵對(duì)進(jìn)氣濾芯壽命影響

非沿海地區(qū)同類型機(jī)組濾芯使用壽命及差壓變化情況為：一級(jí)脈沖過(guò)濾器約8 000 h，差壓總變化Δp=pz-pc=1.0-0.12=0.88 kPa，月平均差壓增加量=0.88÷8 000×720=0.079 kPa；二級(jí)HEPA過(guò)濾器約16 000 h，差壓總變化Δp=pz-pc=0.75-0.2=0.55 kPa，月平均差壓增加量=0.55÷16 000×720=0.024 7 kPa。

該北方沿海地區(qū)機(jī)組實(shí)際差壓變化情況見表4和表5。

表4 一級(jí)脈沖過(guò)濾器不同月份差壓變化

表5 二級(jí)HEPA過(guò)濾器不同月份差壓變化

可以看出，月平均濕度與濾芯差壓增長(zhǎng)呈正相關(guān)趨勢(shì)，當(dāng)空氣月平均濕度超過(guò)70%時(shí)，一級(jí)脈沖濾芯平均差壓增長(zhǎng)超過(guò)0.12 kPa，二級(jí)HEPA濾芯平均差壓增長(zhǎng)超過(guò)0.05 kPa，增長(zhǎng)量超過(guò)非沿海地區(qū)機(jī)組濾芯差壓增長(zhǎng)量的一倍。

在濾芯運(yùn)行過(guò)程中，雖然高濕天氣過(guò)后大氣濕度降低使濾芯差壓恢復(fù)到高濕天氣之前的差壓，但持續(xù)高濕天氣會(huì)提高濾芯差壓增長(zhǎng)幅度。當(dāng)連續(xù)發(fā)生濕堵時(shí)，濾材吸水膨脹和濾紙粘連或塌陷，造成了濾材一定程度的不可逆損壞，縮短了濾材使用壽命。

考慮到在平均濕度較高月份，濾芯達(dá)到終阻力80%以上時(shí)，濾芯差壓會(huì)隨著濕度增加而大幅度升高，所以濾芯在高濕月份前需要滿足一級(jí)脈沖過(guò)濾器差壓<0.8 kPa，二級(jí)HEPA過(guò)濾器差壓<0.6 kPa。

北方沿海地區(qū)每年6月至8月及11月至次年1月平均濕度較高，一級(jí)濾芯運(yùn)行6個(gè)月后差壓=0.12+0.6=0.72 kPa，接近設(shè)計(jì)終阻力的80%(0.8 kPa)，所以一般在4月和10月對(duì)一級(jí)濾芯進(jìn)行更換，保證機(jī)組進(jìn)入高濕天氣前為新濾芯。二級(jí)濾芯運(yùn)行12月后差壓=0.2+0.19×2=0.58 kPa，達(dá)到設(shè)計(jì)終阻力的80%(0.6 kPa)，每年10月進(jìn)行更換。

由于持續(xù)高濕天氣造成差壓變化增加，產(chǎn)生濕堵，目前一級(jí)濾芯壽命為4 000 h，二級(jí)濾芯壽命為8 000 h。

3 沿海CCPP機(jī)組空氣系統(tǒng)解決方案研究

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化方式

國(guó)內(nèi)延長(zhǎng)CCPP機(jī)組燃機(jī)空氣濾芯壽命主要方式為增加一級(jí)初過(guò)濾系統(tǒng)，即在脈沖過(guò)濾器前增加一套等級(jí)較低、費(fèi)用較便宜的國(guó)產(chǎn)濾芯，并縮短該套濾芯更換周期。一般過(guò)濾等級(jí)為F5。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇板框式或布袋式。其主要設(shè)計(jì)原理為：

(1)通過(guò)增加初級(jí)濾芯過(guò)濾空氣中顆粒較大雜質(zhì)，減少進(jìn)入原F9脈沖過(guò)濾器濾芯的灰塵，降低后續(xù)濾芯的差壓變化，延長(zhǎng)濾芯壽命，降低更換頻率，節(jié)約成本。

(2)在高濕天氣下，木纖維結(jié)構(gòu)材質(zhì)的濾芯可吸收一定量水分，降低進(jìn)入后續(xù)濾芯的空氣濕度，避免后續(xù)濾芯差壓的快速上升。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化條件

雖然通過(guò)增加初級(jí)濾芯可延長(zhǎng)原脈沖過(guò)濾器濾芯和HEPA濾芯的使用壽命，但也增加了燃機(jī)空氣進(jìn)口阻力，燃機(jī)空氣濾芯阻力增加100 Pa，燃機(jī)輸出功率減少0.16%。

考慮發(fā)電成本，在每個(gè)更換周期內(nèi)，要求每月新增初級(jí)濾芯增加阻力要小于等于每月后續(xù)過(guò)濾芯減小的阻力。

(PF5終-PF5初)/MF5≤(0.6 kPa÷6-0.88 kPa /MF9)+(0.19 kPa÷6-0.55 kPa/MH13)

式中：PF5終為新增初級(jí)濾芯終阻力，一般為0.05kPa；PF5初為新增初級(jí)濾芯初阻力，一般為0.2kPa；MF5為新增初級(jí)濾芯運(yùn)行月數(shù)；MF9為新增初級(jí)濾芯后脈沖過(guò)濾濾芯運(yùn)行月數(shù)；MH13為新增初級(jí)濾芯后HEPA過(guò)濾濾芯運(yùn)行月數(shù)；0.88 kPa和0.55 kPa為2.2中的Δp。

同時(shí)，以增加初級(jí)濾芯的成本為代價(jià)，減少進(jìn)口脈沖過(guò)濾器濾芯和HEPA濾芯的更換，也會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。因環(huán)境不同，更換周期也不同，需根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)CCPP機(jī)組在北方沿海環(huán)境下燃機(jī)空氣進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，分析出濾芯濕堵是影響濾芯使用壽命的主要原因。濾芯在接近使用壽命上限時(shí)，濕堵將造成濾芯差壓急速升高。同時(shí)，長(zhǎng)期高濕天氣將縮短濾芯的使用壽命。

通過(guò)分析濾芯濕堵的原因，提出解決濕堵問(wèn)題的優(yōu)化方向，并根據(jù)運(yùn)行成本和設(shè)備成本，提出新增一套初級(jí)濾芯的理論依據(jù)。

目前項(xiàng)目正在考察期，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化效果將根據(jù)實(shí)際情況做出進(jìn)一步分析。