王蘇雯，呂悅，葉慶凡

陜西省天然氣股份有限公司（陜西 西安 710016）

0 引言

高效空氣濾芯為燃?xì)廨啓C(jī)提供清潔的空氣，是進(jìn)氣通流系統(tǒng)除塵清雜、防腐防磨的核心元件[1]。通?？諡V平臺將潔凈的空氣輸送至燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)與天然氣混合燃燒，產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能用于壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)，進(jìn)一步實現(xiàn)天然氣長輸管道增壓功能。因此，空氣濾芯性能完好是長輸管道增壓設(shè)備平穩(wěn)作業(yè)的首要保障。然而，2020年12月份[2]，陜北地區(qū)（榆林）空氣濕度達(dá)到57%，夜間最低溫度達(dá)-24℃，低溫外界環(huán)境使得空氣濾芯表面易出現(xiàn)不同程度結(jié)霜冰堵現(xiàn)象。濾芯霜堵不僅會降低部件本體使用壽命，更會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓降變大，燃燒室內(nèi)空氣不足導(dǎo)致燃燒不充分，壓縮機(jī)功耗增加[3]，引發(fā)參數(shù)報警、異常停機(jī)、供氣中斷等惡劣工況，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)正常、平穩(wěn)、安全運行。

目前，燃?xì)廨啓C(jī)空氣濾芯性能檢測標(biāo)準(zhǔn)并未考慮環(huán)境濕度對過濾器性能影響[4]。近年來國內(nèi)部分學(xué)者就高濕環(huán)境空氣濾芯抗?jié)裥阅荛_展試驗研究，李超、石俊鋒等指出合成纖維濾材空氣濾芯，可有效降低濾材吸水率，增強(qiáng)濾芯抗水霧能力[5]。張濤、劉道銀等提出提高過濾器耐濕性能和進(jìn)氣加熱可以有效解決進(jìn)氣系統(tǒng)濕堵[6]。相關(guān)研究均著重于濾芯本體結(jié)構(gòu)機(jī)理分析，對于極端天氣燃?xì)廨啓C(jī)空氣濾芯現(xiàn)場維護(hù)技術(shù)研究較少。因此，研究高效空氣濾芯現(xiàn)場霜堵預(yù)防技術(shù)，對燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性提升具有重要實用價值。

1 方案設(shè)計

TRIZ為前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒團(tuán)隊通過對大量專利分析創(chuàng)造發(fā)明內(nèi)在規(guī)律和原理理論，認(rèn)為解決矛盾是產(chǎn)品進(jìn)化的過程[7-8]。運用該體系方法分析空氣濾芯霜堵問題：冬季天然氣用戶用氣量增加，燃?xì)廨啓C(jī)需為壓縮機(jī)提供更多動能保障壓縮機(jī)相應(yīng)功率正常運轉(zhuǎn)，促使燃燒室空氣需求量增加，空氣濾芯單位時間進(jìn)氣量增大，對流換熱進(jìn)一步加劇空濾表面霜的形成[9-10]，結(jié)霜堵塞又會導(dǎo)致機(jī)組異常停機(jī)。因此，空氣濾芯結(jié)霜與壓縮機(jī)高功率運行存在技術(shù)矛盾。以改善參數(shù)為生產(chǎn)率，惡化參數(shù)為作用與物質(zhì)外部的有害因素為矛盾對象，選取矛盾矩陣中介物、變害為益解決原理進(jìn)行方案設(shè)計。

1.1 中介物原理應(yīng)用

空氣濾芯濾材組成主要為合成纖維，其導(dǎo)熱性低于金屬材料，因此設(shè)想空氣濾芯平臺外側(cè)加裝金屬隔霜網(wǎng)，其主要目的是對低溫濕空氣進(jìn)行初濾和利用金屬導(dǎo)熱性強(qiáng)對濕空氣進(jìn)行預(yù)冷除濕。由于金屬的導(dǎo)熱性強(qiáng)，濕空氣更易在金屬網(wǎng)表面凝結(jié)。隔霜網(wǎng)的設(shè)置實現(xiàn)了外界環(huán)境與空氣濾芯元件的半物理空間隔離，一方面孔隙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保障空氣進(jìn)入燃機(jī)正常流通；另一方面轉(zhuǎn)移結(jié)霜位置，減少空氣濾芯表面結(jié)霜量。因此，對比常見金屬（不銹鋼）絲網(wǎng)性能，304號不銹鋼材應(yīng)用廣泛易獲取，具有耐熱、耐酸、耐腐蝕、耐磨損等性能[11]，其不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性能好，常用于氣體、液體過濾和其他介質(zhì)分離用。為保障隔霜效果，最大程度轉(zhuǎn)移結(jié)霜量，綜合考慮絲網(wǎng)篩孔尺寸大小對空氣流量的影響，以及隔霜網(wǎng)與濕空氣接觸面積對除濕效果的影響，通過對比試驗現(xiàn)場選用14目規(guī)格（1.40 mm篩孔）304不銹鋼“雙層隔霜網(wǎng)+人工通道門”設(shè)置隔霜部件（圖1）。

圖1 隔霜網(wǎng)現(xiàn)場應(yīng)用

1.2 變害為益解決原理應(yīng)用

燃?xì)廨啓C(jī)正常運作期間需要經(jīng)煙囪向外界排放高溫尾氣，通常煙囪根部表面溫度220～262℃，設(shè)想從煙囪根部引熱至隔霜網(wǎng)（圖2）。隔霜網(wǎng)加熱后不僅能消除結(jié)霜，減小隔霜網(wǎng)人工除霜成本，且能預(yù)熱過濾空氣提高燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒效率，實現(xiàn)“變廢為益”資源利用。

圖2 除霜設(shè)備設(shè)計示意圖

因此，現(xiàn)場將儀表風(fēng)經(jīng)無縫鍍鋅管引至燃?xì)廨啓C(jī)煙囪處，通過煙囪底部環(huán)繞銅管換熱至40～50℃，再由鍍鋅管引至加裝隔霜網(wǎng)處，且在鍍鋅管末端加裝噴槍（圖3、圖4）。當(dāng)隔霜網(wǎng)結(jié)霜后，通過人工操作噴槍向隔霜網(wǎng)噴射熱空氣，達(dá)到快速高效除霜目的。

圖3 煙囪根部環(huán)繞銅管現(xiàn)場應(yīng)用

圖4 除霜設(shè)備噴槍現(xiàn)場應(yīng)用

2 效果評價

分別從實用性和經(jīng)濟(jì)性兩方面評價加裝隔霜網(wǎng)對于預(yù)防燃?xì)廨啓C(jī)濾芯結(jié)霜的有效性和可行性。

2.1 實用性評價

空氣濾芯的壓降是影響燃?xì)廨啓C(jī)運行的關(guān)鍵指標(biāo)，壓降過大將導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組異常停機(jī)，同時壓降也是濾芯清理和更換的指標(biāo)。因此，選取相同氣量、溫度、機(jī)組運行工況等客觀條件，測定加裝隔霜網(wǎng)有無對燃?xì)廨啓C(jī)空氣濾芯壓降影響變化（表1）。

表1 有無隔霜網(wǎng)空氣濾芯壓損對比

結(jié)果表明當(dāng)外部環(huán)境未構(gòu)成結(jié)霜條件，濾芯及隔霜網(wǎng)均未發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象時，安裝隔霜網(wǎng)對空氣濾芯壓降無顯著影響；當(dāng)外部環(huán)境使濾芯本體或隔霜網(wǎng)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象時，加裝隔霜網(wǎng)可轉(zhuǎn)移結(jié)霜區(qū)域，相較于未安裝隔霜網(wǎng)空氣濾芯壓損有效降低52%，不僅避免了空氣濾芯表面結(jié)霜，有效避免了燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的異常停機(jī)，且可延長供氣濾芯的使用壽命。

2.2 經(jīng)濟(jì)性評價

隔霜網(wǎng)以304不銹鋼絲網(wǎng)為主體，周邊為角鋼固定，“除霜設(shè)備”以鍍鋅管、銅管及噴槍為材料元件，計算建設(shè)成本（表2）。

依據(jù)表2所示，未安裝隔霜網(wǎng)單臺燃?xì)廨啓C(jī)更換空氣濾芯（88個）成本費用為16.54萬元，改造設(shè)備建設(shè)成本費用為3.54萬元。結(jié)合濾芯工作時長、現(xiàn)場空氣潔凈程度及廠方建議考慮空氣濾芯更換頻率等因素，空氣濾芯維護(hù)累計費用計算過程如下：

表2 設(shè)備改造成本對比

未安裝隔霜網(wǎng)，更換頻率1年2次：

安裝隔霜網(wǎng)，更換頻率3年1次：

式中：x表示時間，年；y表示空氣濾芯設(shè)備的維護(hù)累計成本，元；INT表示數(shù)值取整。

結(jié)果表明單臺燃?xì)廨啓C(jī)隔霜網(wǎng)改造成本費用（空氣濾芯更換+隔霜網(wǎng)）為20.08萬元，為當(dāng)年未安裝隔霜網(wǎng)空濾維護(hù)費用的61%，往后每3年更換1次濾芯。無隔霜網(wǎng)時每年更換空氣濾芯2次費用投入33.1萬元，第5年時加裝隔霜網(wǎng)空氣濾芯維護(hù)費用累計36.63萬元，同期無隔霜網(wǎng)空氣濾芯維護(hù)費用累計165.44萬元，節(jié)約128.81萬元，且隨時間兩者差異呈擴(kuò)大趨勢，加裝隔霜網(wǎng)空濾維護(hù)經(jīng)濟(jì)效益愈加顯著（圖5）。

圖5 空氣濾芯設(shè)備維護(hù)累計成本

3 結(jié)論

通過使用TRIZ原理分析燃?xì)廨啓C(jī)空氣濾芯平臺濾芯表面結(jié)霜的問題，綜合采用中介物和變害為益原理，設(shè)計了“隔霜網(wǎng)+除霜引熱設(shè)備”的技術(shù)方案，達(dá)到了隔霜、除霜的目的。

1）燃?xì)廨啓C(jī)空氣濾芯平臺加裝隔霜網(wǎng)，不僅能有效避免濾芯表面結(jié)霜，將霜結(jié)于隔霜網(wǎng)表面，實現(xiàn)了結(jié)霜位置的分離，且能降低結(jié)霜工況下濾芯的壓降，消除機(jī)組異常停機(jī)的隱患。同時，隔霜網(wǎng)對進(jìn)入空氣濾芯的空氣進(jìn)行初濾，除去空氣中因風(fēng)沙攜帶的沙塵、草籽等異物，減小濾芯負(fù)荷，延長使用周期。

2）采用噴槍向隔霜網(wǎng)噴射熱儀表風(fēng)的除霜方式，能夠消除隔霜網(wǎng)上的結(jié)霜，有效利用了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室尾氣的熱量，達(dá)到了“變廢為益”的目的，提高了能量的利用效率。

3）安裝隔霜網(wǎng)和除霜設(shè)備經(jīng)濟(jì)成本低、初期投資小，延長空氣濾芯的使用壽命，減小濾芯更換次數(shù)，大大降低濾芯的維護(hù)費用，年均節(jié)約成本29萬余元。