陸子龍,李 青
(江蘇國信高郵熱電有限責(zé)任公司,揚(yáng)州 225600)
江蘇國信高郵熱電有限責(zé)任公司(以下簡稱國信高郵)2×100 MW燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程配置的燃?xì)廨啓C(jī)為美國通用(GE)公司的PG6111FA機(jī)型。燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)由南京汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì),由上海華強(qiáng)新能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)。
進(jìn)氣系統(tǒng)主要作用是將空氣中大量的雜質(zhì)、灰塵、顆粒等懸浮物去除,同時(shí)去除空氣中大部分的水分,防止這些物質(zhì)進(jìn)入到壓氣機(jī),影響機(jī)組運(yùn)行。
進(jìn)氣系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)是否到位直接決定了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。若運(yùn)行維護(hù)不到位,可造成以下后果:葉片和氣流通道積灰,導(dǎo)致運(yùn)行效率降低,喘振曲線漂移;進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉(Inlet Guiding Vane,IGV)及燃?xì)廨啓C(jī)葉片的磨損;腐蝕性粉塵造成的葉片的永久性破壞。因此,燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)維護(hù)是否到位直接決定了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性及安全性[1]。本文從進(jìn)氣系統(tǒng)概況、濾芯選型及優(yōu)化措施等方面介紹國信高郵公司對于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)安全性提升所做的工作,為同類型機(jī)組的進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供一定的參考。
國信高郵機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)采用單面進(jìn)風(fēng),按照空氣流動(dòng)方向,各個(gè)基本部件的順序?yàn)椋悍烙暾?、防鳥網(wǎng)、折板除霧、布袋式粗過濾、脈沖過濾、凈氣室、膨脹節(jié)、水平管道、消音彎頭、過渡管道、膨脹節(jié)、垂直管道、膨脹節(jié)、進(jìn)氣端。另外,自動(dòng)清灰灰斗裝于反吹模塊底部。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)布置圖
空氣從防雨罩進(jìn)入,用不銹鋼鋼絲網(wǎng)制作的防鳥網(wǎng)置于進(jìn)氣系統(tǒng)最前端,防止飛鳥的進(jìn)入,在防鳥網(wǎng)后設(shè)置有折板除霧器??諝庠谡郯宄F器中流動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí),較大的塵埃顆粒和霧粒因慣性作用撞擊在折板上,這樣可以有效地去除15 μm以上的顆粒雜質(zhì)。后面的框式初過濾模塊對空氣進(jìn)行初級過濾,達(dá)到M5等級,并同時(shí)起到除濕效果。之后,空氣進(jìn)入脈沖過濾器,在脈沖過濾器的兩側(cè)設(shè)置有壓差測量裝置,脈沖過濾器在積累了一定的灰塵,壓差達(dá)到設(shè)定值后,可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)自動(dòng)打開相關(guān)電磁脈沖閥,壓縮空氣氣流經(jīng)專用噴管整流噴出,從濾筒內(nèi)部向外反吹,將集聚在濾筒外表面的灰塵吹落,從而完成自潔過程。至此,空氣的凈化階段完成,潔凈的空氣流入凈氣室。在凈氣室之后,潔凈空氣流經(jīng)消聲彎頭、過渡管道、膨脹節(jié)、進(jìn)氣端,最后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)入口。
影響進(jìn)氣系統(tǒng)空氣清潔度的主要設(shè)備為布袋式過濾器和動(dòng)態(tài)脈沖過濾器,這兩套設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)直接決定了進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)空氣的質(zhì)量。其中,EN779:2012《一般通風(fēng)用空氣過濾器過濾性能檢測》規(guī)范是行業(yè)內(nèi)定義過濾器過濾等級最常用的標(biāo)準(zhǔn),它對過濾器過濾效率詳細(xì)的定義范圍如圖2所示。
圖2 過濾器效率規(guī)格比較
國信高郵機(jī)組布袋式過濾器采用鋁合金外框的玻璃纖維過濾器,尺寸為518 mm×504 mm×650 mm(長×高×深)。作為精濾的前置過濾,具有阻燃、阻力低、容塵量大等特點(diǎn),能有效過濾1μm及以上粒徑的微粒。濾料選用進(jìn)口玻璃纖維,能截留部分水汽,達(dá)到理想的預(yù)過濾效果。過濾等級達(dá)到M5標(biāo)準(zhǔn)(按照EN779:2012標(biāo)準(zhǔn))。布袋式濾芯外形如圖3所示。
圖3 布袋式濾芯外形圖
由圖3可見,濾袋內(nèi)部呈“V”型結(jié)構(gòu),能保證氣流均勻穩(wěn)定地通過,不會產(chǎn)生紊流現(xiàn)象,在機(jī)組運(yùn)行過程中,濾袋與濾袋不會相互貼合。V型通道能夠保證濾袋與濾袋之間的接觸最少,保證氣流的均勻性,使濾料利用最大化,同時(shí)確保了整個(gè)壽命周期最小的運(yùn)行阻力。
國信高郵機(jī)組動(dòng)態(tài)脈沖過濾器選用反吹式脈沖過濾器,過濾等級達(dá)到F9標(biāo)準(zhǔn)(按照EN779:2012標(biāo)準(zhǔn))。對于進(jìn)氣系統(tǒng),去除粒徑大于 5 μm微粒可以避免燃?xì)廨啓C(jī)葉片受侵蝕,去除粒徑小于 2 μm微??梢员苊馊~片結(jié)垢。1~2 μm的顆粒物對葉片的影響尤其大。細(xì)小粉塵顆粒(粒徑小于2 μm)、鹽類物質(zhì)以及空氣中具有黏性的碳?xì)浠衔餆N類物質(zhì)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部后附著在壓氣機(jī)和透平葉片表面,改變了葉片形狀,降低了葉片表面的轉(zhuǎn)動(dòng)平滑度,會導(dǎo)致機(jī)組效率下降。特別是對于連續(xù)運(yùn)行的機(jī)組,壓氣機(jī)結(jié)垢是常見的問題之一。
目前現(xiàn)場檢修時(shí)葉片狀態(tài)顯示積垢現(xiàn)象較為嚴(yán)重,成分多為油烴類物質(zhì)及氯離子。與此同時(shí),當(dāng)壓氣機(jī)和高溫段金屬部件表面存在鹽、烴類等物質(zhì)時(shí),其與來自燃料的硫元素會加速發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),在高溫條件下,燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部金屬部件會發(fā)生腐蝕,且此類損傷不可修復(fù)。日積月累,燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)維費(fèi)用會大幅增加,極端情況下,甚至?xí)l(fā)生葉片斷裂等生產(chǎn)事故。
進(jìn)氣系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)的第一道保障,其運(yùn)行工況直接決定了燃?xì)廨啓C(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,主要影響因素有設(shè)計(jì)選型、設(shè)備選型、運(yùn)行維護(hù)等方面,下面從這3個(gè)方面介紹進(jìn)氣系統(tǒng)對PG6111FA型燃?xì)廨啓C(jī)的影響。
進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面:進(jìn)氣差壓和流量,便于計(jì)算壓氣機(jī)性能;提高進(jìn)氣過濾等級,以保護(hù)壓氣機(jī),防止有異物進(jìn)入,等[2]。
在進(jìn)氣差壓和流量方面,關(guān)鍵是精濾的數(shù)量設(shè)計(jì),國信高郵公司將PG6111FA型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)精濾設(shè)為272組,每組精濾流量為2 247 m3/h,折合每個(gè)濾筒流量為1 123.522 47 m3/h,通過增加精濾數(shù)量減小運(yùn)行初始阻力。
在進(jìn)氣濾芯精度方面,根據(jù)EN779:2012標(biāo)準(zhǔn),影響空氣過濾等級的主要因素是對顆粒及水分的過濾等級。國信高郵公司粗濾選擇EN779:2012的M5標(biāo)準(zhǔn),精濾選用F9標(biāo)準(zhǔn),最終使空氣中0.4 μm的灰塵去除率達(dá)到了98.4%,1.00~2.00 μm灰塵去除率達(dá)到99.5%。
國信高郵機(jī)組自投產(chǎn)至今分別使用過A、B兩款動(dòng)態(tài)脈沖過濾器,從現(xiàn)場濾芯批量供貨中抽取全新的樣品交由權(quán)威第三方實(shí)驗(yàn)室,按照EN779:2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完整的效率分級測試,詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 動(dòng)態(tài)脈沖過濾器對比表
由表1可見,產(chǎn)品B的效率高于產(chǎn)品A,且在初始阻力及使用時(shí)間方面,產(chǎn)品B均優(yōu)于產(chǎn)品A。以上可以從以下幾個(gè)方面分析得出:
1)折紙技術(shù)。產(chǎn)品B采用非連續(xù)噴膠折紙技術(shù),濾褶間距更大,折形為長“V”形結(jié)構(gòu),氣流通過時(shí)更加均勻,這可以有效降低阻力,同時(shí)保障氣流均勻流通。在相同的風(fēng)量下,其阻力低于市面常見濾筒的初始阻力。極佳的濾折開度也能保證反吹時(shí)灰塵更易被吹出。脈沖過濾器對比如圖4所示。由圖4可見,產(chǎn)品A使用連續(xù)噴膠折紙技術(shù),濾褶固定過于緊密,大部分濾材不能過濾空氣,這導(dǎo)致在相同尺寸下濾芯的實(shí)際過濾面積偏小,無法形成良好的氣流環(huán)境。
(a) 非連續(xù)噴膠技術(shù)
(b) 連續(xù)噴膠技術(shù)
2)濾材選擇。A款產(chǎn)品濾材為3層合成玻纖無紡濾材,B款產(chǎn)品為全合成纖維材料濾材。全合成纖維濾材在一般的過濾環(huán)境下可全面替代無紡布及玻璃纖維,覆蓋粗、中、高效(G3-H13)全系列過濾產(chǎn)品,是過濾材料的主要發(fā)展方向。和其他同級別的濾材相比,具有阻力小、質(zhì)量輕、容量大、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
在機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)下,需對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。檢查及維護(hù)如果不到位,可能會造成燃?xì)廨啓C(jī)效率下降,甚至影響進(jìn)氣安全。進(jìn)氣系統(tǒng)的檢查和維護(hù)主要有以下幾個(gè)方面:
1)透光檢查。停機(jī)后,需要對進(jìn)氣系統(tǒng)各層精濾和進(jìn)氣室連接處等進(jìn)行透光檢查。由于長期重力影響,國信高郵機(jī)組出現(xiàn)過精濾頂層密封條不嚴(yán)的情況,需重新調(diào)整;精濾層后的進(jìn)氣室密封條由于長期老化,透光不合格,需要進(jìn)行重新處理,以防止異物進(jìn)入壓氣機(jī)中。
2)異物檢查。異物是影響燃?xì)廨啓C(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的直接因素,若有螺絲等異物脫落,會造成壓氣機(jī)、透平葉片損壞,造成重大財(cái)產(chǎn)損失。曾有電廠進(jìn)氣通道內(nèi)水洗噴頭在運(yùn)行中脫落,造成壓氣機(jī)及透平葉片全部報(bào)廢的重大事故。國信高郵公司也曾發(fā)現(xiàn)精濾托架螺絲脫落的情況,幸好被支撐架遮擋,未造成直接損失。
3)系統(tǒng)清理。對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行清理,是確保開機(jī)后壓氣機(jī)效率達(dá)到預(yù)期值的重要手段之一。第一,每次停機(jī)檢查粗濾、精濾,會發(fā)現(xiàn)積油,判斷其原因?yàn)橛拖渑艧燂L(fēng)機(jī)的油氣被反吸至進(jìn)氣道,需對精濾表面及地面進(jìn)行清理;第二,停機(jī)后會進(jìn)行反吹,但反吹后析出的灰塵會附著在精濾表面,特別是下層濾芯表面,導(dǎo)致濾芯表面灰塵不斷積聚,濾芯堵塞壓差增大,因此每次停機(jī)后應(yīng)當(dāng)用吸塵器將精濾表面的灰塵徹底清理,確保精濾清潔度;第三,由于油氣的影響,灰塵會隨油氣積聚在IGV表面,停機(jī)后應(yīng)對IGV進(jìn)行水洗,同時(shí)人工清理IGV表面,盡量確保葉片的清潔度。
燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)是一套相對成熟的設(shè)計(jì)。但國信高郵機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)在4年的運(yùn)行過程中,也出現(xiàn)了不同類型的問題。公司從運(yùn)行維護(hù)及設(shè)計(jì)角度進(jìn)行了部分優(yōu)化工作,以確保系統(tǒng)的相對安全穩(wěn)定性。
受環(huán)境因素的影響,江蘇地區(qū)在每年春季會進(jìn)入柳絮季節(jié),冬季進(jìn)入霧霾季節(jié)。大量柳絮、霧霾吸入布袋式濾芯,會導(dǎo)致粗濾壓差迅速上升。在機(jī)組投產(chǎn)初期,出現(xiàn)過粗濾阻力在霧霾季節(jié)升至1 100 Pa、在柳絮季節(jié)升至830 Pa的極端情況,影響了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
應(yīng)對極端天氣,主要從預(yù)判及過程處理兩方面制定措施,確保機(jī)組順利度過極端天氣[3]。第一,在每年4月底、11月底進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)粗濾的更換,確保布袋式濾芯的最大容塵量,同時(shí)對布袋式濾芯進(jìn)行擴(kuò)容,將袋長從550 mm增加至650 mm,將袋數(shù)從5個(gè)增加至7個(gè),從而增加粗濾的過濾面積,提高過濾器的使用壽命。第二,制定燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣道粗濾在線更換方案,當(dāng)極端天氣下粗濾阻力迅速上升至250 Pa時(shí),將燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷降低至40 MW,對布袋式濾芯進(jìn)行在線更換。
燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)2級過濾器,用于過濾空氣中的雜質(zhì),以防止壓氣機(jī)葉片臟污。當(dāng)初級過濾器及精濾出現(xiàn)堵塞情況時(shí),壓氣機(jī)運(yùn)行功耗將增加,壓氣機(jī)進(jìn)氣流量不足,嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。為此設(shè)計(jì)了3個(gè)測點(diǎn)用于監(jiān)視進(jìn)氣濾網(wǎng)總壓差,分別為96CS-3壓差變送器,63CS-2A、63CS-2B壓差開關(guān),詳細(xì)測點(diǎn)布置如圖5所示。其中,2個(gè)壓差開關(guān)布置在室外就地控制箱內(nèi)。
圖5 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣濾網(wǎng)壓差測點(diǎn)位置示意
燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣濾網(wǎng)壓差開關(guān)63CS-2A、63CS-2B為進(jìn)氣濾網(wǎng)總壓差測量開關(guān),此壓差開關(guān)因設(shè)備選型原因,已出現(xiàn)銹蝕情況,開關(guān)取壓點(diǎn)為壓氣機(jī)進(jìn)口及大氣,壓力開關(guān)存放在進(jìn)氣濾網(wǎng)就地控制箱內(nèi),儀表取壓點(diǎn)至進(jìn)氣濾網(wǎng)就地控制箱取樣管約40 m,中間活接頭多,加上部分管線室外布置,已有銹蝕情況,儀表管隨時(shí)都有漏氣風(fēng)險(xiǎn),影響進(jìn)氣濾網(wǎng)壓差開關(guān)準(zhǔn)確測量。進(jìn)氣壓差保護(hù)設(shè)置為63CS-2A、63CS-2B、96CS-3三取二跳閘,若壓差開關(guān)63CS-2A、63CS-2B誤動(dòng),則會觸發(fā)MARK 6E停機(jī)保護(hù)動(dòng)作,存在極大的安全隱患。邏輯設(shè)計(jì)如圖6所示。l63tf2ahh為63CS-2A高高,63tf2bhh為63CS-2高高。
圖6 進(jìn)氣差壓跳閘保護(hù)設(shè)計(jì)
綜合上述改造原因,將63CS-2A、63CS-2B進(jìn)行換型,并將換型后的壓差開關(guān)進(jìn)行移位,達(dá)到縮短取樣管路目的。新設(shè)計(jì)的壓差開關(guān)保護(hù)箱放置于室內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)房西側(cè)0 m地面,從燃?xì)廨啓C(jī)控制小室轉(zhuǎn)接間放置2根計(jì)算機(jī)控制電纜至壓差開關(guān)保護(hù)箱處,用于2個(gè)壓差開關(guān)接線。壓差開關(guān)控制系統(tǒng)端接線接入開關(guān)量卡件1E4A,選取TB1常閉觸點(diǎn)21、22作為63CS-2A節(jié)點(diǎn)接線,選取1L1A 27 28作為63CS-2B接線,控制系統(tǒng)接線圖如圖7所示。
圖7 控制系統(tǒng)接線圖
燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)采用粗濾加精濾的配置方式,延長濾芯使用壽命的關(guān)鍵在于減小粗濾、精濾的運(yùn)行阻力,這從安全性和經(jīng)濟(jì)性方面提升了機(jī)組的運(yùn)行能力。
對于粗濾,為確保機(jī)組順利度過柳絮、霧霾季節(jié),每年4月底、11月底進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)粗濾的更換。在剩余時(shí)間段,利用調(diào)停機(jī)會,每間隔2個(gè)月利用停機(jī)時(shí)間對布袋式過濾器內(nèi)部雜質(zhì)進(jìn)行清理,確保最大容塵量,以減小粗濾的進(jìn)氣阻力,從而提升壓氣機(jī)效率。
對于精濾,PG6111FA型燃?xì)廨啓C(jī)每套配置272組脈沖式過濾器,成本在45萬元左右。因此提高精濾的使用壽命對經(jīng)濟(jì)性有較大影響。
3.3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)反吹優(yōu)化
脈沖反吹系統(tǒng)以一套外置空壓機(jī)為氣源,用反向脈沖空氣去除表面吸附的灰塵,壓力設(shè)置為0.75 MPa。該裝置運(yùn)行通過PLC控制,一個(gè)自動(dòng)反吹周期為30 min?,F(xiàn)場根據(jù)壓差設(shè)定輪流反吹過濾器模塊,以減少過濾器阻力。
正常設(shè)計(jì)中,反吹造成瞬時(shí)反向氣流,脈沖氣流導(dǎo)致的濾筒反向阻力是正常正向阻力的1.2~1.5倍。反吹空氣可將濾筒上部的灰塵吹松脫,但反吹過后灰塵仍然回到原位或往下層濾芯墜落。橫向?yàn)V筒的反吹效果示意如圖8所示。
圖8 橫向?yàn)V筒的反吹效果示意圖
由于濾芯臥式安裝,上部濾芯反吹的灰塵會往下層落或停留在精濾表面,為防止灰塵的二次污染,每次反吹后會用吸塵器將每層精濾表面灰塵再進(jìn)行清理。相比于原反吹系統(tǒng),優(yōu)化方案能確保脈沖反吹系統(tǒng)脫落的灰塵最大程度地被清理干凈,以減小運(yùn)行時(shí)脈沖過濾器的阻力。
3.3.2 濾芯選型抗?jié)裥砸?/p>
國信高郵公司周邊環(huán)境常年濕度較大,全年平均濕度在70%左右。在初夏梅雨季節(jié)和秋冬大霧天氣,環(huán)境濕度大于95%,且持續(xù)時(shí)間較長,濾芯及濾芯表面灰塵受潮后會積聚在濾芯內(nèi),導(dǎo)致精濾壓差急劇上升,壓氣機(jī)效率大幅下降。根據(jù)EN779:2012 F9,對抗?jié)裥蜑V芯要求為噴霧量10 kg/h,噴霧時(shí)間120 min,噴霧后效率不低于初始效率(0.4 μm)。這要求濾材具有較強(qiáng)的抗?jié)裥浴?/p>
由材料學(xué)可知,當(dāng)水與固體的接觸角大于90°的時(shí)候,這種材料具有良好的疏水性。在濾材的選型上,濾材采用獨(dú)有的三層結(jié)構(gòu),中間為經(jīng)過特殊處理的玻璃纖維,上下2層為100%合成纖維。這樣不但可以保證濾芯的強(qiáng)度及過濾效率,而且有良好的抗?jié)裥?。濾材吸水性圖如圖9所示,由圖9可見,水在該濾材上呈現(xiàn)出完整的球狀,經(jīng)過濾材時(shí)便于疏水。
圖9 濾材吸水性圖
本文主要從安全性及經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā),分別介紹了布袋式過濾器和動(dòng)態(tài)脈沖過濾器選型、極端天氣下系統(tǒng)安全性、進(jìn)氣系統(tǒng)測點(diǎn)穩(wěn)定性等相關(guān)優(yōu)化及改造內(nèi)容,為同類型機(jī)組的運(yùn)行提供了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。得出結(jié)論如下:
1)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)濾芯的選型對空氣清潔度影響較大,特別是精濾的過濾效果直接決定了燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)的安全性及經(jīng)濟(jì)性。燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口壓降每增加1 kPa,燃?xì)廨啓C(jī)出力下降1.42%,熱耗增加0.45%,排氣溫度上升1.1 ℃。
2)對PG6111FA型燃?xì)廨啓C(jī)精濾不同選型進(jìn)行了對比,結(jié)果表明,對于南方潮濕多霧天氣,全合成纖維材料濾材更適合該天氣下的運(yùn)行,精濾采用優(yōu)質(zhì)非連續(xù)噴膠折紙技術(shù),更有利于空氣通過濾芯,能夠達(dá)到最大過濾面積,確保過濾后的空氣清潔度。
3)在系統(tǒng)優(yōu)化方面,進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)保護(hù)測點(diǎn)移位、精濾反吹優(yōu)化、防霧防霾運(yùn)行優(yōu)化等工作,從而提高了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。