M251S型燃機電除塵與煤氣含氧量上升的分析及解決方案

黃杰光

（湖南華菱漣源鋼鐵集團有限公司 能源中心，湖南 婁底417009）

0 前言

燃氣輪發(fā)電機組具有高效、清潔、啟動快等特點，廣泛應用于電網(wǎng)調峰，近幾年來在鋼鐵行業(yè)裝機數(shù)量逐漸上升，機組多為進口，具有自動化程度高，操作簡單，但運行經(jīng)驗和數(shù)據(jù)較為匱乏，可以借鑒的案例非常少，面對運行維護中出現(xiàn)的問題需要從各個方面分析成因，找出問題的癥結，然后對癥下藥，制定出具體的解決問題的方法。 漣鋼自2007 年以來先后引進了3 套由日本三菱重工生產(chǎn)的M251S 型燃氣輪發(fā)電機組，采用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)（簡稱CCPP）方式運行，其工藝流程是將經(jīng)過電除塵裝置凈化除塵后的高爐煤氣經(jīng)煤氣壓縮機加壓，與通過燃機同軸的空壓機壓縮后送至燃燒室的空氣混合燃燒， 生成高溫、高壓的氣體，經(jīng)燃氣透平機膨脹做功，推動燃氣透平帶動燃機本體設備與發(fā)電機高速旋轉做功；從燃氣透平中排出的高溫氣體通過余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。機組運行至今，先后出現(xiàn)過許多典型案例，案例涉及到多個傳統(tǒng)專業(yè)，技術涉及面廣且深，因此，正確的判定案例的成因，及時消除設備隱患，直接影響到機組的安全運行和企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 含氧量與燃機要求

燃氣輪發(fā)電機組對高爐煤氣的要求較高，主要包括熱值、壓力、含氧量及其相應的波動幅度，其中煤氣氧濃度的高低直接影響到電除塵裝置和燃氣管道的運行安全，如果高爐煤氣氧濃度超過定值，在通過電除塵高壓電場極易引發(fā)爆炸。 為此，在電除塵裝置入口前方安裝了一套能連續(xù)在線測量且測量響應時間很短的氧量儀，用于實時監(jiān)控高爐煤氣管道中的氧濃度， 測得的實時數(shù)據(jù)送往燃機控制系統(tǒng)進行判別，設置有預警（0.5%）、報警（1.0%）、緊急停機（1.2%）等多個級別的聯(lián)鎖控制邏輯， 確保高爐煤氣氧濃度超標時立即退出電除塵裝置，聯(lián)鎖燃機停機。

電除塵與含氧量的關系及分析

電除塵裝置原理

日本三菱M251S 型燃機采用了水平流動型濕式電除塵器， 由煤氣總管過來的高爐煤氣通過入口喉板上安裝的燃氣分配板，均勻的分配到電除塵器的各個通道，通道中安裝有用于發(fā)生負電暈的放電電極和吸引帶電顆粒的集塵極板，通電后，放電電極與集塵極板之間形成一定強度的靜電場，煤氣流經(jīng)通道時，放電電極放電，使煤氣中的固態(tài)或液態(tài)顆粒帶電，帶電的粉塵顆粒在電場力的作用下吸附到集塵極板上，然后通過連續(xù)的清洗水對積塵電極進行沖洗，在極板上形成連續(xù)的液膜，使粉塵隨著沖刷液的流動而清除。 電除塵裝置內部安裝有絕緣加熱裝置與高壓電源裝置，絕緣加熱裝置用于加熱放電電極絕緣支撐，確保絕緣體表面干燥，防止放電電極通電時發(fā)生短路現(xiàn)象；高壓電源裝置用于將交流電升壓整流，為放電電極與集塵電極提供高壓直流電源，制造除塵時需要的靜電場。

高壓直流電源主要參數(shù)：

輸出電壓：DC 50kV

輸出電流：900mA

控制邏輯

電除塵裝置在運行中的主要操作是對絕緣加熱器與高壓電源的操作，其相關運行要求與控制邏輯如下：

1） 電除塵裝置絕緣加熱器在高壓電源投運前必須連續(xù)運行6 小時；

2）高壓電源啟動為手動啟動，在燃機啟動前必須先期投入運行；

3） 高壓電源在燃機運行過程中的停運分為正常停運與非正常停運，均由程序自動控制。正常停運為燃機停機指令發(fā)出后30 分鐘自動停運高壓電源，非正常停運發(fā)生以下任一條件成立時自動停運高壓電源：

在線式氧濃度檢測儀測得濃度超過1.0%時自動停運高壓電源；

PLC 電池電量低或故障；

可控硅溫度失效或其熔斷器故障；

電源故障或其熔斷器故障；

風扇故障或其熔斷器故障

故障現(xiàn)象

由于我們公司的燃機以高爐煉鐵產(chǎn)生的高爐煤氣為主燃料，高爐檢修或停產(chǎn)期間，高爐煤氣供應不足，燃機停機次數(shù)較多。燃機停機一段時間后，均會出現(xiàn)管道內高爐煤氣含氧量上升的現(xiàn)象，有時甚至觸發(fā)氧濃度高報警 （〉1.2%）， 而三菱要求煤氣管道極限濃度必須低于3.7%，否則將引起管道爆炸。

原因分析

根據(jù)煤氣管道的工藝流程，我們先后排除了吹掃用壓縮空氣漏入煤氣管道，煤氣冷卻水和低壓氮氣帶有空氣混入煤氣管道等可能引起煤氣中氧濃度上升的因素，最終疑點落在了電除塵高壓電源裝置上。

由于電除塵的基本原理是將待處理氣體持續(xù)流經(jīng)電除塵內部的高壓靜電場，利用物質在高壓靜電場中會發(fā)生物理電離的特點，分離氣體與其中所含的粉塵顆粒。 在燃機停機后，由于管道內氣體流動基本處于靜止狀態(tài)，滯留在高壓靜電場內的氣體成分發(fā)生電離，出現(xiàn)游離的氧原子，而氧原子的氧化性非常強，氧原子之間的碰撞很容易產(chǎn)生較為穩(wěn)定的氧分子和臭氧，因此引起煤氣中氧濃度上升。

實驗方法

圖1 燃機停機后煤氣回流示意圖

為證實高壓靜電場內氣體可能發(fā)生電離引起氧濃度上升，同時確保實驗條件相同和實驗數(shù)據(jù)的有效性，我們利用公司兩臺燃機4 次正常停機的機會分別進行實驗。 如圖1 所示，燃機停機后煤氣管道內的煤氣為接近靜止的狀態(tài)，燃機高速盤車時煤氣將在虛線范圍內的管道中快速循環(huán)流動。 第一次實驗是利用公司3 號燃機停機的機會，進行高壓電源運行狀態(tài)下與管道內煤氣氧濃度關系的實驗，燃機正常停機后，維持高壓電源運行，每隔一段時間進行一次高速盤車，高速盤車同時將管道內煤氣快速循環(huán)流動，利用循環(huán)回路中電除塵入口的氧濃度光譜分析儀對管道內煤氣的含氧量進行在線成分分析，記錄每次高速盤車結束后的測量數(shù)據(jù)， 此時的數(shù)據(jù)為管道內煤氣充分混合的數(shù)據(jù)；第二次實驗是利用公司3 號燃機運行一段時間后再次停機的機會進行的，燃機正常停機后立即停運高壓電源（期間高壓電源有10 分鐘的運行時間），然后按第一次實驗的方法進行記錄。為排除其他方面因素的影響， 我們又利用公司1 號燃機的兩次停機機會進行了同樣的實驗。

結果分析

圖2 公司1# 燃機兩種情況下含氧量的曲線圖

圖3 公司3# 燃機兩種情況下含氧量的曲線圖

由上圖公司1 號、3 號燃機的實驗數(shù)據(jù)曲線可看出， 煤氣含氧量與電除塵裝置高壓電源存在以下關系：

1）實驗表明，停機后煤氣管道內的氧濃度隨著電除塵高壓電源運行時間的增長而增高。 圖2 中1 號燃機兩次實驗開始時的氧濃度為0.0070±0.0005%， 在停機后轉速到達零轉速時停運高壓電源的實驗中，75 分鐘后測得的煤氣含氧量為0.0282%； 而在停機后不停運高壓電源的實驗中，75 分鐘后測得的煤氣含氧量為0.3642%。 圖3 中3 號燃機兩次實驗開始時的氧濃度為0.0010±0.0005%， 在停機后轉速到達零轉速時停運高壓電源的實驗中，75 分鐘后測得的煤氣含氧量為0.0442%； 而在停機后不停運高壓電源的實驗中，75 分鐘后測得的煤氣含氧量為0.4728%。 對兩臺燃機的四次實驗進行對比，可以看出在停機期間，同樣的情況下啟動電除塵裝置高壓電源會引起煤氣含氧量的顯著上升，原因是由于高壓靜電場的作用，使處于電場中的氣體發(fā)生了電離，分解出氧原子，氧原子的結合產(chǎn)生了氧氣，致使管道內氧濃度升高。

2）實驗同時表明，燃機停機后高壓電源運行時間越長，煤氣中含氧量上升速度越快。 以圖2 中1 號燃機為例，1 號燃機高壓電源運行30 分鐘后煤氣含氧量變化速率為0.00084%/min，45 分鐘時變化速率為0.003389%/min，60 分鐘時變化速率為0.003517%/min，75 分鐘的變化速率為0.004853%/min。 由此可看出，在停機期間，隨著高壓電源運行時間的增加，會引起電場內氣體電離速度加劇，氧濃度快速上升。

實驗所測得數(shù)據(jù)為燃機高速盤車后煤氣充分混合的氧濃度，電除塵的有效容積約為回流管道的1/3， 按照氣體濃度與氣體體積的對應關系可知， 高速盤車前電除塵裝置內的氧濃度約為混合后濃度的3倍，約為1.09～1.42%左右。

同時，我們在對停機過程中長時間啟動電除塵裝置高壓電源進行點檢時發(fā)現(xiàn)，電除塵內部有爆鳴聲，說明電除塵內部環(huán)高壓電極間的局部區(qū)域存在火花放電，短路次數(shù)的增加將引起電極壽命縮短，同時隨著氧含量的迅速上升， 如果電除塵內部氧濃度達到極限值3.7%將引起電除塵爆炸。

2 改進完善

為降低燃機停機后電除塵裝置對管道內煤氣氧濃度的影響，我們對燃機及電除塵運行做了如下改進措施：

1）修改電除塵自動停運高壓電源的控制邏輯，將高壓電源自動停運的條件燃機停機30 分鐘后自動停運高壓電源改為燃機停機后轉速降至3 轉（低速盤車轉速）時自動停止高壓電源運行，使燃機停機后及時停止高壓電源，以縮短燃機低轉速下，回流管道內煤氣流動基本靜止的情況下高壓電源的運行時間。

2）修訂電除塵高壓電源運行規(guī)程

（1）要求運行人員嚴格控制高壓電源運行時間，縮短高速盤車前人工啟動高壓電源的時間， 禁止高盤前高壓電源持續(xù)運行超過5 分鐘；

（2） 燃機停機后在線氧量儀測得濃度高于1%時禁止啟動電除塵高壓電源，須在電除塵后進行煤氣放散，直至氧濃度低于0.5%才允許投入電除塵高壓電源；

3）定期對在線式氧量儀進行標定，確保氧濃度測量的準確性。

3 結語

自本案例問題出現(xiàn)到解決歷時近4 個月，案例中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和問題，除了要求具備系統(tǒng)的思維方式、方法，對待問題耐心、堅持不懈的工作作風，還需具備思維大膽創(chuàng)新，學識面廣等要求。

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［2］益梅蓉.燃氣輪機運行中產(chǎn)生漆膜的原因及解決方案[J].石油商技，2009(01).

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