空氣凈化靜電吸附裝置的研制及應用

劉 超，吳長虎，吳群英

中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452

空氣凈化靜電吸附裝置的研制及應用

劉 超，吳長虎，吳群英

中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452

海洋石油平臺透平機組進氣系統的空氣凈化均采用物理過濾方法，空氣中以溶膠狀存在的鹽霧不可避免地會造成濾芯壽命大幅度降低。根據靜電吸附原理，采用電暈線和集電極管束結構、運用全生命周期經濟效果分析方法設計、研制的靜電吸附裝置能夠提高透平進氣質量，除鹽霧效率可達94%（質量分數），從而提升濾芯使用壽命。簡要介紹了靜電吸附原理，較為詳細地論述了靜電除鹽霧試驗裝置的研制及除鹽霧效果、透平進氣系統靜電吸附實用裝置的研制，最后闡明了采用全生命周期經濟效果分析方法確定吸附實用裝置結構參數的過程及該裝置的使用效果。

透平機組；進氣系統；靜電吸附裝置；全生命周期；設計

目前海洋石油平臺透平機組進氣系統的空氣凈化均采用物理過濾方法，透平機組進氣系統處于海洋環境，空氣中以溶膠狀存在的鹽霧頻繁引發透平進氣系統高壓差報警，不可避免地造成濾芯壽命大幅度降低，導致透平葉片發生腐蝕斷裂等一系列問題。因此，如何降低鹽霧對設備的影響，確保機組持續、穩定運轉，是一個亟待解決的問題[1-2]。

經前期調研，靜電吸附技術在陸地火力發電煙氣除塵、石化除酸霧等領域已得到廣泛的應用，這為靜電吸附原理在除鹽霧方面的應用提供了借鑒。本文采用問題導向、技術移植的研究方法，將靜電吸附原理成功應用于除鹽霧領域，研制出了用于透平進氣系統的空氣凈化靜電吸附裝置。采用電暈線和集電極管束結構研制的靜電吸附裝置在海洋石油平臺已成功應用。經分析該裝置的應用能夠提高透平進氣質量，從而提升濾芯使用壽命（意味著濾芯成本降低），降低機組故障率，對保障平臺設施的正常生產、降低運維成本具有積極作用。

1 靜電吸附裝置研制

靜電吸附裝置采用電暈線與集電極管束的結構設計方法，由電暈線（陰極系統）、集電極管束（碳纖維管，即蜂窩陽極系統）、高壓直流電源等部件組成，從而建立了靜電吸附所需的靜電，正、負極必備條件。電暈線和集電極管束如圖1所示。

圖1 電暈線和集電極管束

1.1 靜電除鹽霧工作原理

利用可調高壓直流電源（10～70 kV）在集電極和電暈線之間產生一個非均勻電場。電壓值改變時，電暈線周圍的電場強度隨之改變，當電場強度接近空氣的擊穿電場強度時氣體發生電離，形成大量的正離子和自由電子。自由電子隨電場向正極漂移過程中和鹽霧中性分子或顆粒發生碰撞，帶上負電的鹽霧和塵埃在電場的作用下向集電極管束方向移動直至被吸附，見圖2、圖3。

圖2 高壓直流電通過電暈線形成擊穿電場

圖3 鹽霧、塵埃被吸附于集電極管束

1.2 靜電除鹽霧試驗裝置的研制及除鹽霧效果

研制的一套靜電除鹽霧試驗裝置見圖4。該裝置采用超聲波鹽霧發生器模擬沿海鹽霧環境，離心風機模擬透平進氣系統，通過在裝置進出口處的視鏡觀察除鹽霧效果。通過試驗，發現除鹽霧效果良好，按照GBT 10593.2-2012《電工電子產品環境參數測量方法鹽霧》[3]對環境鹽霧進行采樣、分析和計算其鹽霧含量和鹽霧沉降率，并經第三方檢測機構檢測，確認其除鹽霧效果可達94%（質量分數）以上。

圖4 靜電除鹽霧試驗裝置

1.3 透平進氣系統靜電吸附實用裝置的研制

在對靜電除鹽霧試驗裝置進行除鹽霧論證及效果驗證的基礎上，針對海洋石油平臺透平機組進氣量、空間限制等情況，研制了一套靜電吸附裝置，見圖5。目前海洋石油平臺透平機組絕大多數為進口設備，國內外透平進氣濾器均選用物理過濾法，將靜電吸附裝置應用于透平進氣濾器進行吸附空氣中的鹽霧屬首次。

圖5 透平進氣系統靜電吸附實用裝置

2 靜電吸附實用裝置結構參數的確定及裝置使用效果

經過實踐檢驗、論證，靜電吸附實用裝置（以下簡稱靜電吸附裝置）的除鹽霧率也達到94%（質量分數），在很大程度上提高了透平機的進氣質量。為了確定靜電除鹽霧裝置的結構及性能參數，以及便于對因添加靜電除鹽霧裝置而產生的經濟效果進行分析，采用了全生命周期經濟效果分析方法，對靜電吸附裝置在使用年限為N年（一般取20年）內的投入與產生的收益值進行分析比較。

2.1 全生命周期內節約濾芯費用Cf

經統計分析，使用靜電吸附裝置后，透平進氣系統濾芯使用壽命約延長20%，即在增加除鹽霧裝置之前濾芯更換周期為Tf，增加除鹽霧裝置后濾芯更換周期可延長至1.2 Tf。濾芯使用量的減少可以為企業節約部分費用Cf，費用額可以通過全生命周期內濾芯使用減少量△Qf及市場價格Af來確定：

式中：qf為濾芯年消耗量。

2.2 全生命周期內透平維保節約費用Ct

通過對比，在增加除鹽霧裝置后，透平機內部潔凈度有了一定程度的提升，這無形提升了透平機組持續穩定運轉的效率，降低了機組故障率及相關的維保費用。因該部分費用無法精確計算，因此在經濟效果分析時暫不予考慮。

2.3 增加靜電吸附裝置的費用Cs

根據靜電吸附裝置特點，后續耗能（海上設施發電絕大多數為自給自足）、維保等相關費用相對于制作、安裝費用少很多，可在經濟效果分析時忽略不計。因此增加靜電吸附裝置的綜合費用Cs取決于自身的體積規模，即與集電極管束（碳纖維管）的數量n、長度l有關，而碳纖維管數量、長度則取決于透平進氣量Q、進氣截面積S，即：

2.4 目標函數

基于空氣凈化靜電吸附裝置全生命周期的經濟效果分析方法，以增加靜電吸附裝置的費用Cs減去全生命周期內節約濾芯費用Cf的值為最小作為目標函數，即：

約束條件：

（1）碳纖維管長度l：

式中：l-、l+分別為碳纖維管長度的下限和上限，上限l+受透平進氣橇內空間限制，下限l-受除鹽霧裝置除鹽霧效率η的限制，碳纖維管長度低于下限值時無法保障除鹽霧效率。

（2）除鹽霧裝置除鹽霧效率η：

式中：u為高壓直流電壓，kV，10 kV≤u≤70 kV。

2.5 優化求解與驗證實例

（1） 模型分析。經分析該評估模型涉及n、l、u、η多個變量，其中n為正整數，l、η和u為連續變量；對于特定機組，l-、l+、Q、S、N為常量，因此該評估模型屬于0-1整型規劃問題的范疇。

（2）求解方法。應用MATLAB對評估模型進行求解，步驟如下：

第一，首先定義目標函數，并建立對應的文件。

第二，對各約束條件進行參數化設置，并編寫對應的文件。

第三，調用求解函數進行優化求解。

（3）優化結果。其中目標函數的優化結果作為判定增加除鹽霧裝置是否經濟可行的重要指標，當minC小于零時表示收益大于投入，方案基本可行，此時對應的各變量優化結果n、l、u可作為靜電吸附裝置設計、制作的依據，η是對應的除鹽霧效率。

（4）實例驗證。中國海洋石油有限公司天津分公司BZ34-1CEPA平臺透平A機型號為SolarTaurus70，根據機組工況及現場空間限制條件，經建模、求解，判定該方案經濟可行，其中u=70 kV，l=2 500 mm，n=94，后經檢驗，除鹽霧效率η=94% （質量分數）。

3 結束語

靜電吸附裝置在海洋石油平臺上的應用能夠在很大程度上提高透平進氣質量，從而提升濾芯使用壽命，降低機組故障率，對保障設施正常生產、降低運維成本具有積極作用。

[1]吳長虎.燃氣透平靜電除鹽霧裝置的研發及應用[J].中國科技縱橫，2016（12）：99.

[2]楊林，吳長虎，劉全恩，等.海上燃氣透平進氣靜電除鹽霧裝置[P].中國：ZL2015 2 0169929.7.

[3]GB/T10593.2-2012，電工電子產品環境參數測量方法鹽霧[S].

Development and application of electrostatic adsorption device for air purification

LIU Chao，WU Changhu，WU Qunying
CNOOC EnerTech Equipment Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

Air purification of gas inlet system of turbine unit on offshore platform applies physical filtering method.Salt mist aerosol in air can inevitably decrease service life of filter element.Based on the electrostatic adsorption principle and adopting corona wire and collector tube bundle structure，then applying lifecycle economic effect analysis method to design and develop an electrostatic adsorption device can raise turbine unit gas inlet quality，the salt mist eliminating efficiency reaches 94%so as to prolong lifecycle of the filter element.This article illustrates the development of the electrostatic adsorption experimentaldevice and its salt mist eliminating effect，the development of the applied turbine unit electrostatic adsorption device，the structural parameters determination with lifecycle economic effect analysis method，and the application effect of the device.

turbine unit；gas inlet system；electrostatic adsorption device；lifecycle；design

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.012

劉 超（1988-），男，河北衡水人，工程師，2014年畢業于天津科技大學機械制造及其自動化專業，碩士，現從事海洋石油平臺設備維保相關的工作。Email：liuchao46@cnooc.com.cn

2017-07-10