沙曲瓦斯發(fā)電廠二期工程設(shè)計優(yōu)化研究

閆中元

(中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

隨著煤炭行業(yè)綠色清潔發(fā)展的深化，我國煤礦瓦斯抽采量呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢[1，2]。伴隨著節(jié)能環(huán)保要求不斷提高，碳減排壓力的增加，煤礦瓦斯利用率逐年提升[3]。瓦斯發(fā)電作為一種煤礦瓦斯氣體的綜合利用方式，具有可觀的經(jīng)濟、社會效益[4]，在我國得到了廣泛推廣。然而，瓦斯發(fā)電機組出力不足、設(shè)備超溫、能耗高、故障率高等問題也時有發(fā)生，以往研究往往針對機組和冷卻系統(tǒng)本身進行改造，例如通過優(yōu)化控制系統(tǒng)提升冷卻系統(tǒng)性能[5]，通過增加管式換熱器、優(yōu)化增壓系統(tǒng)保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行[6]，針對機組循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行節(jié)能改造[7-10]等。本文結(jié)合沙曲瓦斯發(fā)電廠二期工程存在的通風(fēng)、冷卻、爆震等問題進行診斷分析，從優(yōu)化機組和冷卻水箱工作環(huán)境著手，給出有針對性的優(yōu)化措施。

1 工程概況

沙曲瓦斯電廠二期工程位于整個瓦斯電廠的東北部，設(shè)有瓦斯發(fā)電主廠房、余熱利用發(fā)電車間、配電室、瓦斯預(yù)處理間、110kV升壓站、化水車間、備品間等。其中，主廠房與余熱發(fā)電車間采用聯(lián)合建筑形式。主廠房通風(fēng)系統(tǒng)采用自然進風(fēng)和機械排風(fēng)相結(jié)合的方式，進風(fēng)從發(fā)動機一側(cè)進入，經(jīng)進風(fēng)過濾器后進入瓦斯發(fā)電廠房，對發(fā)電機組進行冷卻后由發(fā)電機側(cè)屋頂機械排風(fēng)消音裝置排出，主廠房布置如圖1所示。14臺瓦斯發(fā)電機組單排并列布置在瓦斯發(fā)電主廠房內(nèi)，其配套有瓦斯氣供應(yīng)系統(tǒng)、缸套水及中冷水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等。每臺機組配套1臺閉式冷卻水箱，單排并列布置在瓦斯發(fā)電主廠房屋頂。煙氣余熱回收采用“多對一”方式(14臺瓦斯發(fā)電機組對應(yīng)3臺煙氣余熱鍋爐)，余熱鍋爐橫向排列在瓦斯發(fā)電主廠房南側(cè)，其產(chǎn)生的過熱蒸汽匯入一根蒸汽母管送入余熱利用車間，驅(qū)動1臺3MW汽輪發(fā)電機組發(fā)電使用。目前，余熱發(fā)電系統(tǒng)尚未進行調(diào)試運行。

圖1 二期工程瓦斯氣發(fā)電主廠房布置(mm)

2 工程問題診斷分析

該工程共配置14臺卡特彼勒G3520C高濃度機組，額定發(fā)電功率為2MW。夏季主廠房溫度高達45～50℃，機組出力始終保持在1.4～1.8MW范圍內(nèi)，且故障率較高，造成瓦斯綜合利用不充分，各項技術(shù)經(jīng)濟指標均低于設(shè)計值。機組出力不足的原因是多方面的，通過現(xiàn)場調(diào)查研究并結(jié)合實際工況，就通風(fēng)、冷卻、爆震等得出如下診斷結(jié)果：

2.1 瓦斯發(fā)電廠房通風(fēng)設(shè)計不合理

良好的通風(fēng)環(huán)境能夠使得機組故障率明顯降低，設(shè)備的老化程度放緩，維護成本下降，為企業(yè)的降本增效提供有力保障[11]。該工程主廠房內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)采用自然進風(fēng)和機械排風(fēng)相結(jié)合的方式，其從發(fā)動機側(cè)進入主廠房，冷卻機組后由發(fā)電機側(cè)屋頂機械排風(fēng)裝置排出(圖1)。

上述通風(fēng)方式存在很大問題：室外冷空氣經(jīng)除塵從發(fā)動機一側(cè)進入主廠房，吸收發(fā)動機輻射散熱后，一部分熱空氣通過空氣濾清器進入機組參與燃燒。另一部分熱空氣流向發(fā)電機側(cè)，并與發(fā)電機輻射散熱空氣混合。這部分混合熱氣流經(jīng)發(fā)電機后端時，又被吸入發(fā)電機內(nèi)作為冷卻氣體，從而導(dǎo)致發(fā)電機線圈無法得到有效冷卻，機組即使降負荷運行也經(jīng)常超溫，這也是導(dǎo)致瓦斯發(fā)電機組難以達到額定出力的主要原因之一。

2.2 閉式冷卻水箱冷卻效果較差

二期工程閉式冷卻水箱與瓦斯發(fā)電機組按“一對一”形式布置在主廠房屋頂，設(shè)備間距不足1m，其一側(cè)緊鄰機械排風(fēng)消音裝置，另一側(cè)布置有排煙消音器(圖1)。

上述分析表明：現(xiàn)狀閉式冷卻水箱所處冷卻環(huán)境不佳，原設(shè)計機械排風(fēng)消音裝置外形尺寸較大，在很大程度上堵塞了水箱冷風(fēng)匯入通道。另外，由于閉式冷卻水箱之間的凈空較小，冷空氣也難以從該處匯入，反倒是水箱頂部的熱空氣經(jīng)該間隙再次匯流至閉式冷卻水箱底部，形成熱風(fēng)循環(huán)回流。這種布置，閉式冷卻水箱將主要依靠排煙消音器一側(cè)補充新鮮冷空氣，但是由于排煙消音器本身也是一個熱載體，其周邊空氣溫度較高，導(dǎo)致冷卻水箱冷卻效果較差。

2.3 發(fā)動機存在頻繁爆震現(xiàn)象

據(jù)現(xiàn)場工作人員反饋，當(dāng)瓦斯發(fā)電機組負荷達到1.8MW時，機組存在頻繁爆震現(xiàn)象，限制了機組負荷的進一步提高，使現(xiàn)有機組一直不能滿負荷運行。發(fā)電機組爆震是一種不正常的工作狀態(tài)，存在異常聲響和震動，會削弱發(fā)動機出力，增加排煙溫度和熱耗，并對發(fā)動機造成不利影響，嚴重時甚至?xí)p壞發(fā)動機。國內(nèi)工程技術(shù)人員針對爆震跳機等實例也進行了一系列的分析和研究，并總結(jié)了發(fā)動機爆震原因和相關(guān)解決方案[12-16]。

該工程選用的瓦斯發(fā)電機組點火控制和爆震檢測由電子控制模塊(ECM)完成，產(chǎn)生爆震的原因可能是多方面的，發(fā)電機組過負荷或負荷波動、機組積碳嚴重、進氣溫度較高、空燃比不良、進氣壓力波動等均有可能直接或者間接導(dǎo)致發(fā)動機缸爆震。

3 整改措施

3.1 瓦斯發(fā)電主廠房通風(fēng)改造

由于該項目已建成并投產(chǎn)運營，本著盡可能減少改造工程量，最大限度壓縮整改周期和改造成本的原則提出相關(guān)整改方案，實現(xiàn)廠房通風(fēng)優(yōu)化、改善機組工作環(huán)境。整改后主廠房布置如圖2所示。

圖2 整改后二期工程主廠房布置(mm)

3.1.1 發(fā)電機及發(fā)動機側(cè)加裝機械進風(fēng)裝置

在發(fā)電機及發(fā)動機側(cè)分別加裝機械進風(fēng)裝置，保障其潔凈冷空氣供應(yīng)，防止出現(xiàn)因發(fā)電機線圈溫度超標造成的機組負荷提升受限。

1)發(fā)電機側(cè)機械進風(fēng)(機械進風(fēng)1)風(fēng)量計算。每臺機組發(fā)電機側(cè)外墻增加一臺機械進風(fēng)風(fēng)機，滿足發(fā)電機通風(fēng)散熱需要。同時，為改善進風(fēng)空氣質(zhì)量并降低廠房噪音影響，在風(fēng)機進口處設(shè)置過濾降噪設(shè)施。每臺發(fā)電機運行發(fā)熱量按53.4kW計，室內(nèi)通風(fēng)按t1=38℃設(shè)計，夏季通風(fēng)室外計算溫度按t0=30℃計，設(shè)計溫度差為Δt=8℃。熱量平衡計算公式[17]如下：

L=3600×Q/c×ρ(t1-t0)

(1)

式中，Q為輻射總熱量，kW；c為空氣定壓比熱，取1.013kJ/(kg·℃)；ρ為空氣密度，取ρ=1.092kg/m3。經(jīng)計算每臺風(fēng)機風(fēng)量約為21723Nm3/h，共需14臺。

機械進風(fēng)1進風(fēng)口距離發(fā)電機約9m，其進風(fēng)口過濾降噪設(shè)施與管道總風(fēng)阻約為400Pa，考慮廠房正壓通風(fēng)正壓值宜不大于50Pa[18]，風(fēng)機風(fēng)壓選為440Pa。

2)發(fā)動機側(cè)機械進風(fēng)(機械進風(fēng)2)風(fēng)量計算?？ㄌ乇死誈3520C機型2MW瓦斯發(fā)電機組的發(fā)動機對機房總輻射量約115kW，室內(nèi)每臺機組對應(yīng)的管道總輻射熱量按10kW計，室內(nèi)通風(fēng)按t1=38℃設(shè)計，夏季通風(fēng)室外計算溫度按t0=30℃計，設(shè)計溫度差為Δt=8℃。熱量平衡計算方法見式(1)。瓦斯發(fā)電機組資料表明，項目所選機型每臺機組燃燒空氣消耗量約為8000Nm3/h。因此，單臺機組所需風(fēng)機風(fēng)量約為58850Nm3/h，共需14臺。機械進風(fēng)2進風(fēng)口距離發(fā)電機約7m，其進風(fēng)口過濾降噪設(shè)施與管道總風(fēng)阻約為350Pa，考慮廠房正壓通風(fēng)正壓值宜不大于50Pa[18]，風(fēng)機風(fēng)壓選為390Pa。

3.1.2 取消屋頂機械排風(fēng)機

為了達到預(yù)期的通風(fēng)效果，除了通風(fēng)設(shè)備的選型外，合理的氣流組織設(shè)計也非常重要[19，20]。通過取消原有屋頂機械排風(fēng)機，可使得整個廠房通風(fēng)方式由原先的發(fā)動機側(cè)自然進風(fēng)屋頂強制排風(fēng)變?yōu)閮蓚?cè)強制進風(fēng)屋頂自然排風(fēng)的方式，這種通風(fēng)方式是目前瓦斯發(fā)電主廠房普遍采用的通風(fēng)方式，通過此項整改能夠?qū)⒃袕S房的負壓通風(fēng)改為正壓通風(fēng)。

3.1.3 適當(dāng)調(diào)整空氣濾清器位置

原設(shè)計中機組助燃空氣濾清器布置在廠房內(nèi)，而由于廠房內(nèi)空氣溫度較高(夏季可達45～50℃)，造成空氣濾清器吸入溫度較高的空氣，影響機組出力。通過適當(dāng)調(diào)整空氣濾清器位置，保證其能夠吸入新鮮冷空氣即可。

經(jīng)過以上整改措施，可保證夏季車間內(nèi)環(huán)境溫度低于38℃，完全滿足發(fā)電機和發(fā)動機散熱的環(huán)境溫度需求，大幅度降低機組因超溫產(chǎn)生的故障率，保證機組能夠長期高效穩(wěn)定運行。

3.2 閉式冷卻水箱改造

3.2.1 調(diào)整部分閉式冷卻水箱位置

原設(shè)計中14臺閉式冷卻水箱均布置在瓦斯發(fā)電廠房屋頂，與廠房內(nèi)發(fā)電機組同向、“一對一”布置，改造前冷卻水箱布置如圖3(a)所示?？蓪⑵渲?臺機組的閉式冷卻水箱移動至主廠房左側(cè)余熱發(fā)電廠房和配電樓頂部，在移動前應(yīng)核算余熱發(fā)電廠房和配電樓結(jié)構(gòu)是否滿足負荷需求，以便對現(xiàn)有廠房進行合理的加固處理。剩余7臺閉式冷卻水箱仍布置在瓦斯發(fā)電主廠房屋頂，但布置方向較現(xiàn)狀旋轉(zhuǎn)90°，同時與屋頂排風(fēng)口保持約5m間距，改造后的冷卻水箱布置如圖3(b)所示。

圖3 冷卻水箱平面布置

3.2.2 盡早投入余熱發(fā)電系統(tǒng)

二期工程余熱發(fā)電系統(tǒng)至今未投入使用，待其投運后熱煙氣將集中通過余熱鍋爐排放，屆時每臺機組排煙消音器將基本不再排放高溫?zé)煔?，從而使得屋頂閉式冷卻水箱冷卻環(huán)境得到進一步改善。

3.2.3 冷卻水箱增加冷卻組件

根據(jù)機組實際運行情況，該項目所采用的冷卻水箱的冷卻效果不佳，一方面是因為水箱周圍冷卻環(huán)境不良，另一方面也與自身冷卻能力不足有關(guān)。原冷卻水箱分兩層，下層散熱能力為171kW(中冷水冷卻)，上層散熱能力為836kW(缸套水冷卻)，共有10臺風(fēng)量為3600m3/h的風(fēng)機進行冷卻。本次改造首先將現(xiàn)冷卻水箱的下層中冷水進出口管路和上層缸套水進出口管路合并串聯(lián)，使其全部用于冷卻機組缸套水，從而提高缸套水的冷卻能力。機組中冷水則可通過在原有冷卻水箱基礎(chǔ)上加裝5臺中冷水冷卻機組進行冷卻，進而保障瓦斯發(fā)電機組的正常運行。經(jīng)過上述整改措施，中冷水冷卻能力仍保持171kW，缸套水冷卻能力可提升至1007kW，閉式冷卻水箱工作環(huán)境和自身冷卻能力均將得到改善，冷卻效果基本可滿足機組正常穩(wěn)定運行需求。

3.3 發(fā)動機爆震原因排查

針對卡特彼勒G3520C機組爆震現(xiàn)象，羅繼晶[12]在研究中針對其可能的原因及相應(yīng)解決方案給出了較為詳細的闡述。依據(jù)該工程項目特點，目前機組主廠房通風(fēng)條件較差且閉式冷卻水箱冷卻效果不佳，以至于機組長期工作在環(huán)境溫度偏高的工況下運行，會造成機組積碳嚴重并產(chǎn)生爆震現(xiàn)象，因此在治理過程中應(yīng)重點從發(fā)電機組冷卻效果差、機組積碳嚴重、進氣溫度較高這幾方面原因進行排查。另外，在潤滑油選擇上應(yīng)首選品質(zhì)較好的潤滑油并定期化驗檢測，加強潤滑油管理也能夠在一定程度上緩解機組爆震現(xiàn)象。

隨著相關(guān)整改措施的逐步落實，機組冷卻系統(tǒng)性能將得到大幅提升，主廠房夏季環(huán)境溫度可保持在38℃以下，機組運行負荷率可穩(wěn)定在90%以上，其爆震現(xiàn)象也會在一定程度上得到控制。

4 結(jié) 論

1)從改善主廠房通風(fēng)環(huán)境著手，通過在發(fā)電機組發(fā)電機側(cè)及發(fā)動機側(cè)布置機械風(fēng)機，滿足發(fā)電機和發(fā)動機的散熱需求，使得主廠房夏季環(huán)境溫度低于38℃，大幅度降低機組因超溫產(chǎn)生的故障率。

2)通過優(yōu)化閉式冷卻水箱布置形式，增加水箱冷卻組件，保證水箱能夠獲得新鮮冷空氣進行冷卻，缸套水冷卻能力由836kW提升至1007kW，保證機組運行負荷穩(wěn)定在90%以上，爆震現(xiàn)象也會在一定程度上得到控制。

3)通過廠房通風(fēng)及冷卻機組改造不但能夠有效解決本項目瓦斯綜合利用不充分、各項技術(shù)經(jīng)濟指標低于預(yù)期等問題，對于其他類似項目的優(yōu)化改造設(shè)計也具有一定的借鑒意義。