程 宏

(西山煤電發(fā)電公司， 山西 太原 030027)

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

1 冷凝系統(tǒng)升級改造

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

圖1 預處理系統(tǒng)運行示意圖

1.1 存在的問題

夏季外部環(huán)境溫度達到35 ℃時，預處理系統(tǒng)瓦斯氣體出口溫度會急劇升高，達到運行臨界值40 ℃，為此發(fā)電設備只能降載運行，以降低預處理出口流量需求，進而降低風機轉(zhuǎn)速，達到降低出口溫度的目的。因此，環(huán)境溫度升高會很大程度影響發(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冷水機組，清除露天冷水機組內(nèi)部絮狀雜物，補充氟利昂，更換氟利昂壓縮機，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處理入口瓦斯氣體由40 ℃降低到26 ℃(經(jīng)驗值)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入液氣分離器內(nèi)脫水，脫水后的瓦斯氣體進一步經(jīng)過離心風機升壓后會由26 ℃再次機械升溫至35 ℃左右(≤40 ℃警戒值)送出預處理系統(tǒng)出口。為了確保預處理系統(tǒng)出口瓦斯氣體溫度低于40 ℃警戒值，需要對預處理系統(tǒng)進一步研究。

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，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，當夏季高溫時，提高冷水機組冷卻能力(補充氟利昂等)，以此擴大冷凝介質(zhì)防凍液的溫度變化范圍Δt，從而擴大高溫介質(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，進而提高Tr. 然而，受到設備運行條件約束，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 ℃(設定參數(shù))，因此無法進一步提高Δt. 故而，單靠提高冷水機組能力降低防凍液溫度是不行的?？紤]保持原有的冷水機組能力不變，在液氣分離器脫水階段之后，離心風機增壓階段之前，增加一段管式換熱器，達到氣體進一步降溫的目的，即瓦斯氣體由26 ℃進一步降溫，之后再經(jīng)過離心風機增壓。

1.3 升級改造

集裝箱內(nèi)部空間有限，在盡量保持冷水機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)于原冷水機組管路上)，以此進一步增加換熱面積，提高換熱量，達到瓦斯進一步降溫的效果。改造升級后的布置圖見圖3.

圖3 改造后預處理冷水機組及水汽管式換熱器布置圖

根據(jù)現(xiàn)場條件，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管式換熱器即可。假設換熱能力與原DN300管式換熱器一致，Q取2 593 W(前式已計算得出，實際換熱能力要高很多)，采用同樣管路中的防凍液，Δt取經(jīng)驗值9 ℃，當瓦斯氣經(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 ℃，此時再經(jīng)過第二次管式換熱器，A=12.31 m2，經(jīng)過計算可知高溫介質(zhì)的平均溫度為Tr=22.8 ℃，而高溫介質(zhì)的最低溫度會高于低溫介質(zhì)的最高溫度，即假設高溫介質(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 ℃.

此時瓦斯氣體再經(jīng)過離心風機增壓、穩(wěn)壓、機械升溫等作用，預處理系統(tǒng)瓦斯氣出口溫度相較于改造前(改造前機械升溫會導致瓦斯氣體由26 ℃升高至35 ℃)得到明顯改善。

1.4 改造后實際運行情況

對已改造完成的1#預處理和未進行改造的2#預處理進行連續(xù)15天(每日13:00)監(jiān)護運行，得出預處理出口排氣溫度對比，見圖4. 從圖4可以看到，經(jīng)過改造后的1#預處理系統(tǒng)瓦斯氣出口溫度相較于2#預處理明顯下降。且在生產(chǎn)過程中，1#預處理系統(tǒng)對應的發(fā)電機組可以實現(xiàn)高負載運行，保障了后續(xù)瓦斯發(fā)電機組的正常使用，也穩(wěn)定了發(fā)電量。

圖4 1#、2#預處理瓦斯氣出口溫度對比圖

2 增壓系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 存在的問題

瓦斯電廠預處理增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)主要包括：變頻器、離心風機、精密過濾器、計量報警裝置。其中主要設備離心風機為法國生產(chǎn)，由ABB生產(chǎn)的55 kW防爆電機同軸驅(qū)動，升壓能力為32 kPa，單臺最高流量為3 000 Nm3/h，采用兩備一用進行輪換[4]. 離心風機經(jīng)過多年運行，多次出現(xiàn)驅(qū)動端泄漏瓦斯現(xiàn)象，手動盤車卡澀，亟需對離心風機進行拆機檢查。

對離心風機進行解體可以看出，風機瓦斯進口處和殼體內(nèi)部嚴重生銹；驅(qū)動端軸與排氣端軸密封檔存在不同程度的磨損。這也是導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，軸承生銹嚴重，機械密封室出現(xiàn)大量泥垢。

2.2 問題診斷分析與優(yōu)化

風機驅(qū)動端泄漏瓦斯是由于風機長期運行，殼體內(nèi)部積累的泥垢與液體腐蝕導致風機驅(qū)動端和排氣端軸與機械密封接觸部位形成了不同程度的磨損,以及離心風機采用的鋰基脂存在變質(zhì)失效。為此進一步取樣分析鋰基脂的理化性質(zhì)(已加注運行1 200 h,每隔3 000 h周期加注一次，每次加注50 g)，實驗室對取樣鋰基脂化驗得到的測試結(jié)果見表3.

表3 原鋰基脂理化測試結(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-羥基硬脂酸高溫時容易失去羥基，酸值升高。由測試結(jié)果可以看出,樣品酸值明顯升高、錐入度變大、運動黏度隨溫度升高明顯下降。說明運行溫度(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級的鋰基脂，并對軸進行拋光、更換原裝機械密封；對離心風機進行軸密封處超音速噴涂修復，葉輪動平衡及軸晃動檢測及修復，安裝了原裝機械密封及軸承，在出廠前對風機進行機械性能測試。

另外，針對風機內(nèi)部泥沙量較大，對經(jīng)過初級過濾器(每月更換一次)后的瓦斯氣體進行實驗室檢測，瓦斯成分及雜質(zhì)顆粒度見表4.

表4 1#預處理初效過濾器瓦斯氣分析表

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

2.3 優(yōu)化后運行建議

1) 要定期檢查預處理自動排水裝置，確保液位指示正常。2) 定期檢查離心風機皮帶，確保皮帶松緊度正常，手動盤車正常、無卡澀、無異響。3) 按照保養(yǎng)周期按時更換初效管理器、液氣分離器濾芯，對風機軸承按時加注潤滑脂。

2.4 優(yōu)化后監(jiān)測風機運行狀況

在發(fā)電機組穩(wěn)定運行時，預處理穩(wěn)定輸出瓦斯氣流量在4 000 Nm3/h左右，分別對1#預處理系統(tǒng)(風機已保養(yǎng))和2#預處理系統(tǒng)(風機未保養(yǎng))風機頻率、驅(qū)動端軸溫進行監(jiān)護，得到運行監(jiān)護圖，見圖5.

圖5 6月9日1#、2#預處理離心風機運行監(jiān)護圖

由圖5可以看出，受環(huán)境溫度影響，離心風機頻率、驅(qū)動端軸溫都會受環(huán)境溫度的升高而升高，至15:00，離心風機的頻率和驅(qū)動端軸溫都達到最大值，但可以看出經(jīng)過優(yōu)化后的1#預處理系統(tǒng)的兩臺離心風機的風機頻率和驅(qū)動端軸溫相較于2#預處理系統(tǒng)每個時刻都有明顯的下降，說明風機運行更加順暢、穩(wěn)定，也進一步降低了潤滑鋰基脂變質(zhì)的風險，為設備穩(wěn)定生產(chǎn)運行提供了保障。

3 總 結(jié)

通過對瓦斯電廠預處理系統(tǒng)存在的問題進行分析，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。通過對離心風機使用的鋰基脂進行分析并更換，按照瓦斯氣的測試結(jié)果更換初級過濾器，進而優(yōu)化了預處理氣體增壓系統(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處理系統(tǒng)，夏季高溫是制約預處理穩(wěn)定運行的最大障礙，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處理系統(tǒng)夏季穩(wěn)定運行提供借鑒。