瓦斯電廠預處理系統性能提升

程 宏

(西山煤電發電公司， 山西 太原 030027)

瓦斯電廠預處理系統作用是對礦井所產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，瓦斯預處理系統冷卻能力和增壓效果優化是預處理性能提升的關鍵。

1 冷凝系統升級改造

屯蘭瓦斯電廠采用南京某廠生產的集裝箱式煤層氣預處理系統，其內部有過濾裝置、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定在20 kPa.預處理系統運行示意圖見圖1.

圖1 預處理系統運行示意圖

1.1 存在的問題

夏季外部環境溫度達到35 ℃時，預處理系統瓦斯氣體出口溫度會急劇升高，達到運行臨界值40 ℃，為此發電設備只能降載運行，以降低預處理出口流量需求，進而降低風機轉速，達到降低出口溫度的目的。因此，環境溫度升高會很大程度影響發電量。

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安裝的水汽管式換熱器(筒徑為DN300)，參數見表1. 冷凝介質為防凍液，正常情況下通過將預處理入口瓦斯氣體由40 ℃降低到26 ℃(經驗值)冷凝，而防凍液的溫度由5 ℃提高到13 ℃，經過水汽換熱器的瓦斯氣體再進入液氣分離器內脫水，脫水后的瓦斯氣體進一步經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)送出預處理系統出口。為了確保預處理系統出口瓦斯氣體溫度低于40 ℃警戒值，需要對預處理系統進一步研究。

表1 水汽管式換熱器參數表

換熱公式：

Q=λA(Tr-Δt)

(1)

式中,Q為換熱量，W；λ為換熱系數，W/(m2·℃)；A為換熱面積，A=3.14ndL，m2；Tr為高溫介質的平均溫度，℃；Δt為次熱介質的平均溫度，℃；n為換熱器內部管數；d為換熱管徑，mm；L為換熱管長度，m.

瓦斯氣經過水汽管式換熱器時，Tr=33 ℃(高溫介質瓦斯氣體溫度由40 ℃降低到26 ℃，平均溫度為33 ℃)，Δt=9 ℃(低溫介質防凍液溫度由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)，以此擴大冷凝介質防凍液的溫度變化范圍Δt，從而擴大高溫介質的溫度變化范圍Tr,即公式內保持換熱面積、換熱系數、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管路結霜，防凍液的最低溫度不允許低于5 ℃(設定參數)，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。考慮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，之后再經過離心風機增壓。

1.3 升級改造

集裝箱內部空間有限，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

根據現場條件，增加的管式換熱器參數見表2.

表2 增加的管式換熱器參數表

由于換熱器筒徑增加，內部管數更多，換熱管管徑、長度、材質不改變，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取經驗值9 ℃，當瓦斯氣經過第一次管式換熱器和冷凝器處理后，瓦斯氣體溫度為26 ℃，此時再經過第二次管式換熱器，A=12.31 m2，經過計算可知高溫介質的平均溫度為Tr=22.8 ℃，而高溫介質的最低溫度會高于低溫介質的最高溫度，即假設高溫介質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 ℃)，理論上瓦斯氣體經過二次水汽換熱出口溫度為13 ℃.

此時瓦斯氣體再經過離心風機增壓、穩壓、機械升溫等作用，預處理系統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15天(每日13:00)監護運行，得出預處理出口排氣溫度對比，見圖4. 從圖4可以看到，經過改造后的1#預處理系統瓦斯氣出口溫度相較于2#預處理明顯下降。且在生產過程中，1#預處理系統對應的發電機組可以實現高負載運行，保障了后續瓦斯發電機組的正常使用，也穩定了發電量。

圖4 1#、2#預處理瓦斯氣出口溫度對比圖

2 增壓系統優化

2.1 存在的問題

瓦斯電廠預處理增壓穩壓系統主要包括：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，由ABB生產的55 kW防爆電機同軸驅動，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]. 離心風機經過多年運行，多次出現驅動端泄漏瓦斯現象，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部嚴重生銹；驅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液體流出，軸承生銹嚴重，機械密封室出現大量泥垢。

2.2 問題診斷分析與優化

風機驅動端泄漏瓦斯是由于風機長期運行，殼體內部積累的泥垢與液體腐蝕導致風機驅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失效。為此進一步取樣分析鋰基脂的理化性質(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果見表3.

表3 原鋰基脂理化測試結果表

鋰基潤滑脂生產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，針對風機內部泥沙量較大，對經過初級過濾器(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

根據以上化驗結果，參考運行操作規程,發現顆粒物粒度已超過規定5 μm，考慮初級過濾器濾芯已經失效，需及時更換初級過濾器。

2.3 優化后運行建議

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 優化后監測風機運行狀況

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

圖5 6月9日1#、2#預處理離心風機運行監護圖

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

3 總 結

通過對瓦斯電廠預處理系統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果更換初級過濾器，進而優化了預處理氣體增壓系統?，F階段華北地區高濃度瓦斯電廠多采用此類型的瓦斯預處理系統，夏季高溫是制約預處理穩定運行的最大障礙，此冷卻系統的改造和增壓系統的優化，可以為同類型瓦斯電廠預處理系統夏季穩定運行提供借鑒。