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        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

        2022-10-14 00:35:18
        冶金能源 2022年5期
        關(guān)鍵詞:差壓燃機(jī)濾芯

        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)對空氣的潔凈度要求非常高,良好的空氣質(zhì)量可延長空氣壓縮機(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。文章將針對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析及優(yōu)化。

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

        1.1 燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)概述

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

        表1 空氣過濾系統(tǒng)參數(shù)

        經(jīng)過兩級(jí)過濾后,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,延長了燃機(jī)空壓機(jī)葉片使用壽命。

        一級(jí)脈沖過濾器共配備了12段反吹壓縮空氣管道,通過極短時(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。通過反吹能夠一定程度延長脈沖過濾器使用壽命。

        隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加,濾芯中的灰塵增多,兩級(jí)過濾器的差壓都有不同程度的上升。為保證機(jī)組安全,過濾房單側(cè)設(shè)3個(gè)空氣旁路門,當(dāng)過濾器差壓總和達(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,防止空氣阻力過大、空氣進(jìn)氣量過低,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)過濾的空氣進(jìn)入燃機(jī),長期運(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)充分考慮了空氣過濾器使用效果,以及在異常狀況下的應(yīng)對措施,能夠保證燃機(jī)在環(huán)境適宜的情況下長期穩(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)脈沖過濾器濾芯高濕天氣差壓變化

        表3 二級(jí)HEPA過濾器濾芯高濕天氣差壓變化

        從表2、3可以看出,在濾芯使用過程中,前期濾芯差壓較低時(shí),大氣濕度持續(xù)升高對濾芯差壓影響很小;后期當(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)。

        通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)大氣濕度持續(xù)高于90%時(shí),脈沖過濾器濾芯運(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),濕堵對濾芯影響較?。浑S著濾芯使用時(shí)間增加,當(dāng)濾芯日常差壓超過終阻力50%時(shí),濕堵對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)脈沖過濾器不同月份差壓變化

        表5 二級(jí)HEPA過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呈正相關(guān)趨勢,當(dāng)空氣月平均濕度超過70%時(shí),一級(jí)脈沖濾芯平均差壓增長超過0.12 kPa,二級(jí)HEPA濾芯平均差壓增長超過0.05 kPa,增長量超過非沿海地區(qū)機(jī)組濾芯差壓增長量的一倍。

        在濾芯運(yùn)行過程中,雖然高濕天氣過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)脈沖過濾器差壓<0.8 kPa,二級(jí)HEPA過濾器差壓<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

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

        (1)通過增加初級(jí)濾芯過濾空氣中顆粒較大雜質(zhì),減少進(jìn)入原F9脈沖過濾器濾芯的灰塵,降低后續(xù)濾芯的差壓變化,延長濾芯壽命,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

        雖然通過增加初級(jí)濾芯可延長原脈沖過濾器濾芯和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)濾芯后脈沖過濾濾芯運(yùn)行月數(shù);MH13為新增初級(jí)濾芯后HEPA過濾濾芯運(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)口脈沖過濾器濾芯和HEPA濾芯的更換,也會(huì)帶來經(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

        通過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),長期高濕天氣將縮短濾芯的使用壽命。

        通過分析濾芯濕堵的原因,提出解決濕堵問題的優(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。

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