程 宏

(西山煤電發(fā)電公司， 山西 太原 030027)

瓦斯電廠預(yù)處理系統(tǒng)作用是對(duì)礦井所產(chǎn)生的瓦斯氣體進(jìn)行除塵、脫濕、加壓、過濾、降溫，并對(duì)氣體進(jìn)行輸送和計(jì)量[1]. 由于發(fā)電機(jī)組對(duì)預(yù)處理出口氣體要求嚴(yán)格(出口氣體壓力≤20 kPa，出口溫度≤40 ℃)，故而，瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)冷卻能力和增壓效果優(yōu)化是預(yù)處理性能提升的關(guān)鍵。

1 冷凝系統(tǒng)升級(jí)改造

屯蘭瓦斯電廠采用南京某廠生產(chǎn)的集裝箱式煤層氣預(yù)處理系統(tǒng)，其內(nèi)部有過濾裝置、冷凝裝置、升壓裝置、計(jì)量裝置等[2]. 其中冷凝裝置的原理是瓦斯氣體進(jìn)入水汽管式換熱器，通過安裝于集裝箱頂部的冷水機(jī)組冷卻防凍液，帶走瓦斯氣體中的一部分熱量，冷卻后的瓦斯氣體進(jìn)入液氣分離器冷凝脫水。升壓裝置的原理是采用離心風(fēng)機(jī)將瓦斯氣體進(jìn)行升壓，由變頻器控制將瓦斯氣出口壓力穩(wěn)定在20 kPa.預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行示意圖見圖1.

圖1 預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

1.1 存在的問題

夏季外部環(huán)境溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，預(yù)處理系統(tǒng)瓦斯氣體出口溫度會(huì)急劇升高，達(dá)到運(yùn)行臨界值40 ℃，為此發(fā)電設(shè)備只能降載運(yùn)行，以降低預(yù)處理出口流量需求，進(jìn)而降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低出口溫度的目的。因此，環(huán)境溫度升高會(huì)很大程度影響發(fā)電量。

1.2 問題分析

電廠通常采用的解決方案是夏季來臨前提前維護(hù)冷水機(jī)組，清除露天冷水機(jī)組內(nèi)部絮狀雜物，補(bǔ)充氟利昂，更換氟利昂壓縮機(jī)，但收效甚微，究其原因是由于水汽換熱器能力有限。目前該廠采用兩套并聯(lián)安裝的水汽管式換熱器(筒徑為DN300)，參數(shù)見表1. 冷凝介質(zhì)為防凍液，正常情況下通過將預(yù)處理入口瓦斯氣體由40 ℃降低到26 ℃(經(jīng)驗(yàn)值)冷凝，而防凍液的溫度由5 ℃提高到13 ℃，經(jīng)過水汽換熱器的瓦斯氣體再進(jìn)入液氣分離器內(nèi)脫水，脫水后的瓦斯氣體進(jìn)一步經(jīng)過離心風(fēng)機(jī)升壓后會(huì)由26 ℃再次機(jī)械升溫至35 ℃左右(≤40 ℃警戒值)送出預(yù)處理系統(tǒng)出口。為了確保預(yù)處理系統(tǒng)出口瓦斯氣體溫度低于40 ℃警戒值，需要對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)一步研究。

表1 水汽管式換熱器參數(shù)表

換熱公式：

Q=λA(Tr-Δt)

(1)

式中,Q為換熱量，W；λ為換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為換熱面積，A=3.14ndL，m2；Tr為高溫介質(zhì)的平均溫度，℃；Δt為次熱介質(zhì)的平均溫度，℃；n為換熱器內(nèi)部管數(shù)；d為換熱管徑，mm；L為換熱管長度，m.

瓦斯氣經(jīng)過水汽管式換熱器時(shí)，Tr=33 ℃(高溫介質(zhì)瓦斯氣體溫度由40 ℃降低到26 ℃，平均溫度為33 ℃)，Δt=9 ℃(低溫介質(zhì)防凍液溫度由5 ℃升高至13 ℃，平均溫度為9 ℃)，換熱管材為鈦合金管λ為15.24 W/(m2·℃)[3]，A=7.09 m2，由此計(jì)算出換熱量Q=2 593.24 W. 管式換熱器示意圖見圖2.

圖2 管式換熱器示意圖

按照以往的解決方案，當(dāng)夏季高溫時(shí)，提高冷水機(jī)組冷卻能力(補(bǔ)充氟利昂等)，以此擴(kuò)大冷凝介質(zhì)防凍液的溫度變化范圍Δt，從而擴(kuò)大高溫介質(zhì)的溫度變化范圍Tr,即公式內(nèi)保持換熱面積、換熱系數(shù)、換熱量不變的情況下，提高Δt，進(jìn)而提高Tr. 然而，受到設(shè)備運(yùn)行條件約束，為了防止管式換熱器內(nèi)管路結(jié)霜，防凍液的最低溫度不允許低于5 ℃(設(shè)定參數(shù))，因此無法進(jìn)一步提高Δt. 故而，單靠提高冷水機(jī)組能力降低防凍液溫度是不行的。考慮保持原有的冷水機(jī)組能力不變，在液氣分離器脫水階段之后，離心風(fēng)機(jī)增壓階段之前，增加一段管式換熱器，達(dá)到氣體進(jìn)一步降溫的目的，即瓦斯氣體由26 ℃進(jìn)一步降溫，之后再經(jīng)過離心風(fēng)機(jī)增壓。

1.3 升級(jí)改造

集裝箱內(nèi)部空間有限，在盡量保持冷水機(jī)組能力不變的狀況下，選擇在初過濾集裝箱與精密過濾集裝箱之間增加一段筒徑DN400管式換熱器(不影響原有管徑，冷卻管路并聯(lián)于原冷水機(jī)組管路上)，以此進(jìn)一步增加換熱面積，提高換熱量，達(dá)到瓦斯進(jìn)一步降溫的效果。改造升級(jí)后的布置圖見圖3.

圖3 改造后預(yù)處理冷水機(jī)組及水汽管式換熱器布置圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，增加的管式換熱器參數(shù)見表2.

表2 增加的管式換熱器參數(shù)表

由于換熱器筒徑增加，內(nèi)部管數(shù)更多，換熱管管徑、長度、材質(zhì)不改變，采用原廠家系列型號(hào)管式換熱器即可。假設(shè)換熱能力與原DN300管式換熱器一致，Q取2 593 W(前式已計(jì)算得出，實(shí)際換熱能力要高很多)，采用同樣管路中的防凍液，Δt取經(jīng)驗(yàn)值9 ℃，當(dāng)瓦斯氣經(jīng)過第一次管式換熱器和冷凝器處理后，瓦斯氣體溫度為26 ℃，此時(shí)再經(jīng)過第二次管式換熱器，A=12.31 m2，經(jīng)過計(jì)算可知高溫介質(zhì)的平均溫度為Tr=22.8 ℃，而高溫介質(zhì)的最低溫度會(huì)高于低溫介質(zhì)的最高溫度，即假設(shè)高溫介質(zhì)最低溫度為防凍液出口最高溫度13 ℃(Δt=9 ℃，最低溫為5 ℃，防凍液最高溫為13 ℃)，所以第二次換熱前入口瓦斯氣最高溫只要低于32.6 ℃即可滿足(第一次換熱后的瓦斯氣體溫度26 ℃)，理論上瓦斯氣體經(jīng)過二次水汽換熱出口溫度為13 ℃.

此時(shí)瓦斯氣體再經(jīng)過離心風(fēng)機(jī)增壓、穩(wěn)壓、機(jī)械升溫等作用，預(yù)處理系統(tǒng)瓦斯氣出口溫度相較于改造前(改造前機(jī)械升溫會(huì)導(dǎo)致瓦斯氣體由26 ℃升高至35 ℃)得到明顯改善。

1.4 改造后實(shí)際運(yùn)行情況

對(duì)已改造完成的1#預(yù)處理和未進(jìn)行改造的2#預(yù)處理進(jìn)行連續(xù)15天(每日13:00)監(jiān)護(hù)運(yùn)行，得出預(yù)處理出口排氣溫度對(duì)比，見圖4. 從圖4可以看到，經(jīng)過改造后的1#預(yù)處理系統(tǒng)瓦斯氣出口溫度相較于2#預(yù)處理明顯下降。且在生產(chǎn)過程中，1#預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)高負(fù)載運(yùn)行，保障了后續(xù)瓦斯發(fā)電機(jī)組的正常使用，也穩(wěn)定了發(fā)電量。

圖4 1#、2#預(yù)處理瓦斯氣出口溫度對(duì)比圖

2 增壓系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 存在的問題

瓦斯電廠預(yù)處理增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)主要包括：變頻器、離心風(fēng)機(jī)、精密過濾器、計(jì)量報(bào)警裝置。其中主要設(shè)備離心風(fēng)機(jī)為法國生產(chǎn)，由ABB生產(chǎn)的55 kW防爆電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，升壓能力為32 kPa，單臺(tái)最高流量為3 000 Nm3/h，采用兩備一用進(jìn)行輪換[4]. 離心風(fēng)機(jī)經(jīng)過多年運(yùn)行，多次出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端泄漏瓦斯現(xiàn)象，手動(dòng)盤車卡澀，亟需對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行拆機(jī)檢查。

對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行解體可以看出，風(fēng)機(jī)瓦斯進(jìn)口處和殼體內(nèi)部嚴(yán)重生銹；驅(qū)動(dòng)端軸與排氣端軸密封檔存在不同程度的磨損。這也是導(dǎo)致瓦斯泄漏的主要原因，此外可以看到排氣端軸承室出現(xiàn)液體流出，軸承生銹嚴(yán)重，機(jī)械密封室出現(xiàn)大量泥垢。

2.2 問題診斷分析與優(yōu)化

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端泄漏瓦斯是由于風(fēng)機(jī)長期運(yùn)行，殼體內(nèi)部積累的泥垢與液體腐蝕導(dǎo)致風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端和排氣端軸與機(jī)械密封接觸部位形成了不同程度的磨損,以及離心風(fēng)機(jī)采用的鋰基脂存在變質(zhì)失效。為此進(jìn)一步取樣分析鋰基脂的理化性質(zhì)(已加注運(yùn)行1 200 h,每隔3 000 h周期加注一次，每次加注50 g)，實(shí)驗(yàn)室對(duì)取樣鋰基脂化驗(yàn)得到的測(cè)試結(jié)果見表3.

表3 原鋰基脂理化測(cè)試結(jié)果表

鋰基潤滑脂生產(chǎn)用的脂肪原料主要是12-羥基硬脂酸和硬脂酸，12-羥基硬脂酸高溫時(shí)容易失去羥基，酸值升高。由測(cè)試結(jié)果可以看出,樣品酸值明顯升高、錐入度變大、運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度升高明顯下降。說明運(yùn)行溫度(65～80 ℃)下原鋰基脂變軟，受氧化明顯，抗磨性能下降，變質(zhì)明顯，需要更換。鑒于此，更換鋰基脂為某品牌稠度值2級(jí)的鋰基脂，并對(duì)軸進(jìn)行拋光、更換原裝機(jī)械密封；對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行軸密封處超音速噴涂修復(fù)，葉輪動(dòng)平衡及軸晃動(dòng)檢測(cè)及修復(fù)，安裝了原裝機(jī)械密封及軸承，在出廠前對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試。

另外，針對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部泥沙量較大，對(duì)經(jīng)過初級(jí)過濾器(每月更換一次)后的瓦斯氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，瓦斯成分及雜質(zhì)顆粒度見表4.

表4 1#預(yù)處理初效過濾器瓦斯氣分析表

根據(jù)以上化驗(yàn)結(jié)果，參考運(yùn)行操作規(guī)程,發(fā)現(xiàn)顆粒物粒度已超過規(guī)定5 μm，考慮初級(jí)過濾器濾芯已經(jīng)失效，需及時(shí)更換初級(jí)過濾器。

2.3 優(yōu)化后運(yùn)行建議

1) 要定期檢查預(yù)處理自動(dòng)排水裝置，確保液位指示正常。2) 定期檢查離心風(fēng)機(jī)皮帶，確保皮帶松緊度正常，手動(dòng)盤車正常、無卡澀、無異響。3) 按照保養(yǎng)周期按時(shí)更換初效管理器、液氣分離器濾芯，對(duì)風(fēng)機(jī)軸承按時(shí)加注潤滑脂。

2.4 優(yōu)化后監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況

在發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，預(yù)處理穩(wěn)定輸出瓦斯氣流量在4 000 Nm3/h左右，分別對(duì)1#預(yù)處理系統(tǒng)(風(fēng)機(jī)已保養(yǎng))和2#預(yù)處理系統(tǒng)(風(fēng)機(jī)未保養(yǎng))風(fēng)機(jī)頻率、驅(qū)動(dòng)端軸溫進(jìn)行監(jiān)護(hù)，得到運(yùn)行監(jiān)護(hù)圖，見圖5.

圖5 6月9日1#、2#預(yù)處理離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)護(hù)圖

由圖5可以看出，受環(huán)境溫度影響，離心風(fēng)機(jī)頻率、驅(qū)動(dòng)端軸溫都會(huì)受環(huán)境溫度的升高而升高，至15:00，離心風(fēng)機(jī)的頻率和驅(qū)動(dòng)端軸溫都達(dá)到最大值，但可以看出經(jīng)過優(yōu)化后的1#預(yù)處理系統(tǒng)的兩臺(tái)離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)頻率和驅(qū)動(dòng)端軸溫相較于2#預(yù)處理系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻都有明顯的下降，說明風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加順暢、穩(wěn)定，也進(jìn)一步降低了潤滑鋰基脂變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，為設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行提供了保障。

3 總 結(jié)

通過對(duì)瓦斯電廠預(yù)處理系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，在初過濾集裝箱與精過濾集裝箱之間增加一套水汽換熱器，從而改善原有系統(tǒng)冷卻能力不足的問題。通過對(duì)離心風(fēng)機(jī)使用的鋰基脂進(jìn)行分析并更換，按照瓦斯氣的測(cè)試結(jié)果更換初級(jí)過濾器，進(jìn)而優(yōu)化了預(yù)處理氣體增壓系統(tǒng)?，F(xiàn)階段華北地區(qū)高濃度瓦斯電廠多采用此類型的瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)，夏季高溫是制約預(yù)處理穩(wěn)定運(yùn)行的最大障礙，此冷卻系統(tǒng)的改造和增壓系統(tǒng)的優(yōu)化，可以為同類型瓦斯電廠預(yù)處理系統(tǒng)夏季穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒。