黃克海

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

用于發(fā)電的瓦斯氣體中含有一定的水分，這些水分一部分來(lái)自井下抽放鉆孔裂隙水；一部分來(lái)自地面瓦斯抽放泵站的濕式水環(huán)真空泵及瓦斯輸送管路上的水封阻火泄爆裝置。瓦斯氣體含水對(duì)瓦斯發(fā)電機(jī)組具有以下危害[1]：

1)降低發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率。含有液態(tài)水的瓦斯氣體進(jìn)入發(fā)電機(jī)組氣缸時(shí)，氣缸內(nèi)瓦斯氣體量及燃燒后產(chǎn)生的熱量都將減少，另外液態(tài)水在氣缸內(nèi)氣化也將消耗瓦斯氣體燃燒產(chǎn)生的熱量，降低缸內(nèi)溫度，從而降低發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率[2]。

2)增加發(fā)電機(jī)組故障率及維修成本。水分進(jìn)入發(fā)電機(jī)組易造成發(fā)電機(jī)組氣缸、活塞、缸蓋、增壓器等零部件損壞，增加了發(fā)電機(jī)組維修成本及操作人員的維護(hù)、保養(yǎng)工作量[3]。

因此，需要在瓦斯氣體進(jìn)入發(fā)電機(jī)組之前安設(shè)氣液分離裝置，脫出瓦斯氣體中的水分，滿足發(fā)電機(jī)組氣源品質(zhì)要求。

1 氣液分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)分離機(jī)理不同氣液分離包括：重力分離、慣性分離、離心式分離、過(guò)濾式分離及冷凍降溫分離等。重力分離、慣性分離、離心式分離、過(guò)濾式分離等機(jī)械式分離裝置用于分離出液態(tài)水。冷凍降溫分離用于脫出瓦斯氣體中的飽和水，工藝復(fù)雜、投資及運(yùn)行成本較高。

瓦斯發(fā)電機(jī)組氣源品質(zhì)要求瓦斯氣體中水分相對(duì)濕度小于80%，且無(wú)游離水[4]。為了滿足機(jī)組要求需要采用機(jī)械式+冷凍降溫相結(jié)合的氣液分離方式[5]，但實(shí)際情況是：大多數(shù)低濃度瓦斯發(fā)電站經(jīng)過(guò)分離效果及經(jīng)濟(jì)成本綜合考慮一般僅采用機(jī)械分離方式。各種機(jī)械分離方式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1[6，7]。

表1 各種機(jī)械氣液分離方式優(yōu)缺點(diǎn)

瓦斯發(fā)電站建設(shè)在煤礦瓦斯抽放泵站附近，瓦斯氣沿著管路從抽放泵站輸送到發(fā)電站，管路上安設(shè)有閥門(mén)、安全保障裝置，其沿程阻力較大。發(fā)電機(jī)組入口處壓力常常不足3kPa，直接影響到發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，因此，氣液分離優(yōu)先考慮采用阻力小的重力分離，但重力分離效率不高，為克服這個(gè)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了重力與絲網(wǎng)過(guò)濾相結(jié)合的立式氣液分離裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣液分離裝置結(jié)構(gòu)

含有液態(tài)水的瓦斯氣體從進(jìn)氣口沿徑向切線進(jìn)入分離裝置，依靠重力分離掉粒徑較大的水，然后再由裝置上部絲網(wǎng)進(jìn)一步過(guò)濾掉粒徑小的水，最后分離水的瓦斯氣體由出氣口流出。

2 氣液分離裝置工藝設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

氣液分離裝置工藝設(shè)計(jì)主要包括：筒體直徑設(shè)計(jì)、絲網(wǎng)設(shè)計(jì)、筒體高度設(shè)計(jì)等。本文以山西蘭能發(fā)電站瓦斯氣體工況參數(shù)開(kāi)展氣液分離裝置工藝設(shè)計(jì)。氣液分離裝置工藝設(shè)計(jì)所依據(jù)的工況參數(shù)見(jiàn)表2[8]。

表2 氣液分離裝置工藝設(shè)計(jì)依據(jù)

2.2 筒體直徑設(shè)計(jì)

依據(jù)立式筒體氣相空間的氣體上升速度等于液滴沉降速度的80%推導(dǎo)筒體直徑計(jì)算公式[9-11]：

式中，Dk為筒體直徑，m；qv為管道瓦斯氣體流量，Nm2/h；T為工況下氣體溫度，K；P為工況下氣體壓力，kPa；Uc為液態(tài)水滴沉降速度，m/s。

式(1)中液態(tài)水滴沉降速度依據(jù)液滴在靜止的流體中下落時(shí)滿足牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)求得，即：當(dāng)液滴下落速度達(dá)到極限時(shí)，重力等于浮力加上阻力[12，13]。水滴沉降速度計(jì)算公式為：

式中，g為重力加速度，取9.81m/s2；d1為液態(tài)水滴直徑，m；ρL為工況下液態(tài)水滴密度，kg/m3；ρv為工況下瓦斯氣體密度，kg/m3；C為液態(tài)水滴在氣體中的阻力系數(shù)。

液態(tài)水滴在氣體中的阻力系數(shù)C根據(jù)C(Re)2由SH3009-2013標(biāo)準(zhǔn)中圖8.1.16-1查出，C(Re)2按照式(3)計(jì)算。

式中，μ為瓦斯氣體粘度，mPa·s。

重力分離負(fù)責(zé)將瓦斯氣中直徑大于或等于600μm的水滴分離出來(lái)。將液態(tài)水滴直徑600μm及表2中數(shù)據(jù)代入以上各式，計(jì)算后取分液裝置筒體直徑為1.3m。

2.3 絲網(wǎng)設(shè)計(jì)

氣液分離裝置過(guò)濾水的絲網(wǎng)選用絲網(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除沫器需要確定絲網(wǎng)型式、絲網(wǎng)材質(zhì)、網(wǎng)層厚度、絲網(wǎng)除沫器型式及公稱直徑等。瓦斯發(fā)電氣液分離裝置絲網(wǎng)除沫器的絲網(wǎng)型式選擇SP標(biāo)準(zhǔn)型，材質(zhì)選擇不銹鋼，網(wǎng)塊的網(wǎng)層厚度選擇常用的150mm規(guī)格[14]。根據(jù)圖1中氣液分離裝置的結(jié)構(gòu)圖，絲網(wǎng)除沫器設(shè)計(jì)為上裝式。絲網(wǎng)除沫器公稱直徑依據(jù)處理瓦斯氣體需要的流通直徑從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中選取。處理瓦斯氣體需要的流通直徑由瓦斯氣體通過(guò)絲網(wǎng)的流速等于操作氣速推導(dǎo)得到，其計(jì)算公式如式(4)所示。

式中，D1為絲網(wǎng)除沫器處理瓦斯氣需要的流通直徑D1，m；Q為瓦斯氣處理量，m3；ug為操作氣速，m/s。

氣體流速太大，氣體在絲網(wǎng)上部把液滴破碎，并帶出絲網(wǎng)，形成“液泛”狀態(tài)，如果氣速太低，由于達(dá)不到湍流狀態(tài)，使許多液滴穿過(guò)絲網(wǎng)，而沒(méi)與絲網(wǎng)接觸，降低了絲網(wǎng)的效率[15，16]。式(4)中操作氣速u(mài)g取(0.5～0.8)uf，其中uf是除沫器的液泛氣速，按式(5)計(jì)算。

式中，uf為除沫器的液泛氣速，m/s；ρL為 液態(tài)水滴密度，kg/m3；ρg為 瓦斯氣密度，kg/m3；K為絲網(wǎng)常數(shù)，SP型除沫器K取0.201。

在表2設(shè)計(jì)依據(jù)下，經(jīng)計(jì)算：除沫器的液泛氣速為5.872m/s，操作氣速取值范圍為(2.936～4.698)m/s，絲網(wǎng)除沫器處理瓦斯氣需要的流通直徑D1取(0.8～1)m。根據(jù)計(jì)算的流通直徑選擇標(biāo)準(zhǔn)的除沫器的公稱直徑為DN800～DN1100均滿足氣液分離要求。重力原理計(jì)算后取筒體直徑為1.3m，則除沫器絲網(wǎng)公稱直徑取上限值DN1100mm。除沫器公稱直徑小于筒體直徑通過(guò)安裝方式解決。

2.4 筒體高度設(shè)計(jì)

筒體高度由液相空間高度、氣相空間高度、除沫器高度、出氣口高度、排水口高度等構(gòu)成。液相空間高度和瓦斯含水量、液態(tài)水在筒體內(nèi)的停留時(shí)間有關(guān)，計(jì)算公式如式(6)所示。

式中，HL為液相空間高度，m；VL為瓦斯氣含水量，m3/h；D為裝置內(nèi)徑，m；T為液態(tài)水停留時(shí)間，min。

山西晉城蘭能瓦斯發(fā)電站實(shí)測(cè)瓦斯氣體液態(tài)含水量最低為40g/m3，最高為148g/m3，計(jì)算液態(tài)空間高度時(shí)取100g/m3。每間隔30min人工放水一次，液態(tài)水停留時(shí)間取30min。經(jīng)計(jì)算，液相空間高度為322mm。

氣相空間高度應(yīng)大于或等于筒體內(nèi)徑，且不小于1m。除沫器高度與網(wǎng)層厚度有關(guān)。出氣口高度由出氣口直徑、出氣口下端與除沫器的距離、出氣口上端與筒體頂部蓋板距離構(gòu)成，一般出氣口下端與除沫器的距離不小于300mm[10]，出氣口上端與筒體頂部距離不小于100mm。排水口高度與排水管直徑有關(guān)。結(jié)合前述蘭能瓦斯發(fā)電站氣液分離裝置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，筒體氣相空間高度取1.3m；網(wǎng)層厚度加上下支撐板高度則除沫器總高度為268mm；出氣口直徑為530mm、出氣口下端與除沫器的距離取300mm、出氣口上端與裝置頂部蓋板距離取100mm，出氣口空間高度共計(jì)930mm；排水管直徑為50mm，取排水口高度100mm。將筒體各部分高度求和，得到筒體總高度為2920mm。蘭能瓦斯發(fā)電站氣液分離裝置筒體各部分高度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 筒體各部分高度統(tǒng)計(jì) mm

3 結(jié) 論

1)依據(jù)不同氣液分離機(jī)理的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了重力分離與絲網(wǎng)分離相結(jié)合的立式結(jié)構(gòu)瓦斯發(fā)電氣液分離裝置。

2)基于氣相空間氣體上升速度等于液滴沉降速度的80%設(shè)計(jì)氣液分離裝置筒體直徑。結(jié)合山西蘭能發(fā)電站DN500mm瓦斯輸送管路工況參數(shù)，經(jīng)計(jì)算筒體直徑取1.3m。

3)氣液分離裝置分離絲網(wǎng)選擇網(wǎng)層厚度為150mm、絲網(wǎng)型式為SP型、上裝式的絲網(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除沫器公稱直徑則依據(jù)處理瓦斯氣體需要的流通直徑從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中選取，經(jīng)計(jì)算，選取適用于山西蘭能發(fā)電站DN500mm瓦斯輸送管路氣液分離裝置的絲網(wǎng)除沫器公稱直徑為1.1m。

4)設(shè)計(jì)了氣液分離裝置筒體高度。經(jīng)計(jì)算，適用山西蘭能發(fā)電站DN500mm瓦斯輸送管路氣液分離裝置的筒體總高度為2.92m。