閆中元

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

隨著煤炭行業(yè)綠色清潔發(fā)展的深化，我國(guó)煤礦瓦斯抽采量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1，2]。伴隨著節(jié)能環(huán)保要求不斷提高，碳減排壓力的增加，煤礦瓦斯利用率逐年提升[3]。瓦斯發(fā)電作為一種煤礦瓦斯氣體的綜合利用方式，具有可觀的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[4]，在我國(guó)得到了廣泛推廣。然而，瓦斯發(fā)電機(jī)組出力不足、設(shè)備超溫、能耗高、故障率高等問(wèn)題也時(shí)有發(fā)生，以往研究往往針對(duì)機(jī)組和冷卻系統(tǒng)本身進(jìn)行改造，例如通過(guò)優(yōu)化控制系統(tǒng)提升冷卻系統(tǒng)性能[5]，通過(guò)增加管式換熱器、優(yōu)化增壓系統(tǒng)保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[6]，針對(duì)機(jī)組循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造[7-10]等。本文結(jié)合沙曲瓦斯發(fā)電廠二期工程存在的通風(fēng)、冷卻、爆震等問(wèn)題進(jìn)行診斷分析，從優(yōu)化機(jī)組和冷卻水箱工作環(huán)境著手，給出有針對(duì)性的優(yōu)化措施。

1 工程概況

沙曲瓦斯電廠二期工程位于整個(gè)瓦斯電廠的東北部，設(shè)有瓦斯發(fā)電主廠房、余熱利用發(fā)電車間、配電室、瓦斯預(yù)處理間、110kV升壓站、化水車間、備品間等。其中，主廠房與余熱發(fā)電車間采用聯(lián)合建筑形式。主廠房通風(fēng)系統(tǒng)采用自然進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的方式，進(jìn)風(fēng)從發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)進(jìn)入，經(jīng)進(jìn)風(fēng)過(guò)濾器后進(jìn)入瓦斯發(fā)電廠房，對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行冷卻后由發(fā)電機(jī)側(cè)屋頂機(jī)械排風(fēng)消音裝置排出，主廠房布置如圖1所示。14臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組單排并列布置在瓦斯發(fā)電主廠房?jī)?nèi)，其配套有瓦斯氣供應(yīng)系統(tǒng)、缸套水及中冷水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等。每臺(tái)機(jī)組配套1臺(tái)閉式冷卻水箱，單排并列布置在瓦斯發(fā)電主廠房屋頂。煙氣余熱回收采用“多對(duì)一”方式(14臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)3臺(tái)煙氣余熱鍋爐)，余熱鍋爐橫向排列在瓦斯發(fā)電主廠房南側(cè)，其產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽匯入一根蒸汽母管送入余熱利用車間，驅(qū)動(dòng)1臺(tái)3MW汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電使用。目前，余熱發(fā)電系統(tǒng)尚未進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。

圖1 二期工程瓦斯氣發(fā)電主廠房布置(mm)

2 工程問(wèn)題診斷分析

該工程共配置14臺(tái)卡特彼勒G3520C高濃度機(jī)組，額定發(fā)電功率為2MW。夏季主廠房溫度高達(dá)45～50℃，機(jī)組出力始終保持在1.4～1.8MW范圍內(nèi)，且故障率較高，造成瓦斯綜合利用不充分，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均低于設(shè)計(jì)值。機(jī)組出力不足的原因是多方面的，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究并結(jié)合實(shí)際工況，就通風(fēng)、冷卻、爆震等得出如下診斷結(jié)果：

2.1 瓦斯發(fā)電廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理

良好的通風(fēng)環(huán)境能夠使得機(jī)組故障率明顯降低，設(shè)備的老化程度放緩，維護(hù)成本下降，為企業(yè)的降本增效提供有力保障[11]。該工程主廠房?jī)?nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)采用自然進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的方式，其從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)進(jìn)入主廠房，冷卻機(jī)組后由發(fā)電機(jī)側(cè)屋頂機(jī)械排風(fēng)裝置排出(圖1)。

上述通風(fēng)方式存在很大問(wèn)題：室外冷空氣經(jīng)除塵從發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)進(jìn)入主廠房，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)輻射散熱后，一部分熱空氣通過(guò)空氣濾清器進(jìn)入機(jī)組參與燃燒。另一部分熱空氣流向發(fā)電機(jī)側(cè)，并與發(fā)電機(jī)輻射散熱空氣混合。這部分混合熱氣流經(jīng)發(fā)電機(jī)后端時(shí)，又被吸入發(fā)電機(jī)內(nèi)作為冷卻氣體，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)線圈無(wú)法得到有效冷卻，機(jī)組即使降負(fù)荷運(yùn)行也經(jīng)常超溫，這也是導(dǎo)致瓦斯發(fā)電機(jī)組難以達(dá)到額定出力的主要原因之一。

2.2 閉式冷卻水箱冷卻效果較差

二期工程閉式冷卻水箱與瓦斯發(fā)電機(jī)組按“一對(duì)一”形式布置在主廠房屋頂，設(shè)備間距不足1m，其一側(cè)緊鄰機(jī)械排風(fēng)消音裝置，另一側(cè)布置有排煙消音器(圖1)。

上述分析表明：現(xiàn)狀閉式冷卻水箱所處冷卻環(huán)境不佳，原設(shè)計(jì)機(jī)械排風(fēng)消音裝置外形尺寸較大，在很大程度上堵塞了水箱冷風(fēng)匯入通道。另外，由于閉式冷卻水箱之間的凈空較小，冷空氣也難以從該處匯入，反倒是水箱頂部的熱空氣經(jīng)該間隙再次匯流至閉式冷卻水箱底部，形成熱風(fēng)循環(huán)回流。這種布置，閉式冷卻水箱將主要依靠排煙消音器一側(cè)補(bǔ)充新鮮冷空氣，但是由于排煙消音器本身也是一個(gè)熱載體，其周邊空氣溫度較高，導(dǎo)致冷卻水箱冷卻效果較差。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)存在頻繁爆震現(xiàn)象

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員反饋，當(dāng)瓦斯發(fā)電機(jī)組負(fù)荷達(dá)到1.8MW時(shí)，機(jī)組存在頻繁爆震現(xiàn)象，限制了機(jī)組負(fù)荷的進(jìn)一步提高，使現(xiàn)有機(jī)組一直不能滿負(fù)荷運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組爆震是一種不正常的工作狀態(tài)，存在異常聲響和震動(dòng)，會(huì)削弱發(fā)動(dòng)機(jī)出力，增加排煙溫度和熱耗，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員針對(duì)爆震跳機(jī)等實(shí)例也進(jìn)行了一系列的分析和研究，并總結(jié)了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震原因和相關(guān)解決方案[12-16]。

該工程選用的瓦斯發(fā)電機(jī)組點(diǎn)火控制和爆震檢測(cè)由電子控制模塊(ECM)完成，產(chǎn)生爆震的原因可能是多方面的，發(fā)電機(jī)組過(guò)負(fù)荷或負(fù)荷波動(dòng)、機(jī)組積碳嚴(yán)重、進(jìn)氣溫度較高、空燃比不良、進(jìn)氣壓力波動(dòng)等均有可能直接或者間接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸爆震。

3 整改措施

3.1 瓦斯發(fā)電主廠房通風(fēng)改造

由于該項(xiàng)目已建成并投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，本著盡可能減少改造工程量，最大限度壓縮整改周期和改造成本的原則提出相關(guān)整改方案，實(shí)現(xiàn)廠房通風(fēng)優(yōu)化、改善機(jī)組工作環(huán)境。整改后主廠房布置如圖2所示。

圖2 整改后二期工程主廠房布置(mm)

3.1.1 發(fā)電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)加裝機(jī)械進(jìn)風(fēng)裝置

在發(fā)電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)分別加裝機(jī)械進(jìn)風(fēng)裝置，保障其潔凈冷空氣供應(yīng)，防止出現(xiàn)因發(fā)電機(jī)線圈溫度超標(biāo)造成的機(jī)組負(fù)荷提升受限。

1)發(fā)電機(jī)側(cè)機(jī)械進(jìn)風(fēng)(機(jī)械進(jìn)風(fēng)1)風(fēng)量計(jì)算。每臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)側(cè)外墻增加一臺(tái)機(jī)械進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)，滿足發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱需要。同時(shí)，為改善進(jìn)風(fēng)空氣質(zhì)量并降低廠房噪音影響，在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處設(shè)置過(guò)濾降噪設(shè)施。每臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)熱量按53.4kW計(jì)，室內(nèi)通風(fēng)按t1=38℃設(shè)計(jì)，夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度按t0=30℃計(jì)，設(shè)計(jì)溫度差為Δt=8℃。熱量平衡計(jì)算公式[17]如下：

L=3600×Q/c×ρ(t1-t0)

(1)

式中，Q為輻射總熱量，kW；c為空氣定壓比熱，取1.013kJ/(kg·℃)；ρ為空氣密度，取ρ=1.092kg/m3。經(jīng)計(jì)算每臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為21723Nm3/h，共需14臺(tái)。

機(jī)械進(jìn)風(fēng)1進(jìn)風(fēng)口距離發(fā)電機(jī)約9m，其進(jìn)風(fēng)口過(guò)濾降噪設(shè)施與管道總風(fēng)阻約為400Pa，考慮廠房正壓通風(fēng)正壓值宜不大于50Pa[18]，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓選為440Pa。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)機(jī)械進(jìn)風(fēng)(機(jī)械進(jìn)風(fēng)2)風(fēng)量計(jì)算。卡特彼勒G3520C機(jī)型2MW瓦斯發(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)房總輻射量約115kW，室內(nèi)每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的管道總輻射熱量按10kW計(jì)，室內(nèi)通風(fēng)按t1=38℃設(shè)計(jì)，夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度按t0=30℃計(jì)，設(shè)計(jì)溫度差為Δt=8℃。熱量平衡計(jì)算方法見式(1)。瓦斯發(fā)電機(jī)組資料表明，項(xiàng)目所選機(jī)型每臺(tái)機(jī)組燃燒空氣消耗量約為8000Nm3/h。因此，單臺(tái)機(jī)組所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為58850Nm3/h，共需14臺(tái)。機(jī)械進(jìn)風(fēng)2進(jìn)風(fēng)口距離發(fā)電機(jī)約7m，其進(jìn)風(fēng)口過(guò)濾降噪設(shè)施與管道總風(fēng)阻約為350Pa，考慮廠房正壓通風(fēng)正壓值宜不大于50Pa[18]，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓選為390Pa。

3.1.2 取消屋頂機(jī)械排風(fēng)機(jī)

為了達(dá)到預(yù)期的通風(fēng)效果，除了通風(fēng)設(shè)備的選型外，合理的氣流組織設(shè)計(jì)也非常重要[19，20]。通過(guò)取消原有屋頂機(jī)械排風(fēng)機(jī)，可使得整個(gè)廠房通風(fēng)方式由原先的發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)自然進(jìn)風(fēng)屋頂強(qiáng)制排風(fēng)變?yōu)閮蓚?cè)強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)屋頂自然排風(fēng)的方式，這種通風(fēng)方式是目前瓦斯發(fā)電主廠房普遍采用的通風(fēng)方式，通過(guò)此項(xiàng)整改能夠?qū)⒃袕S房的負(fù)壓通風(fēng)改為正壓通風(fēng)。

3.1.3 適當(dāng)調(diào)整空氣濾清器位置

原設(shè)計(jì)中機(jī)組助燃空氣濾清器布置在廠房?jī)?nèi)，而由于廠房?jī)?nèi)空氣溫度較高(夏季可達(dá)45～50℃)，造成空氣濾清器吸入溫度較高的空氣，影響機(jī)組出力。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整空氣濾清器位置，保證其能夠吸入新鮮冷空氣即可。

經(jīng)過(guò)以上整改措施，可保證夏季車間內(nèi)環(huán)境溫度低于38℃，完全滿足發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的環(huán)境溫度需求，大幅度降低機(jī)組因超溫產(chǎn)生的故障率，保證機(jī)組能夠長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 閉式冷卻水箱改造

3.2.1 調(diào)整部分閉式冷卻水箱位置

原設(shè)計(jì)中14臺(tái)閉式冷卻水箱均布置在瓦斯發(fā)電廠房屋頂，與廠房?jī)?nèi)發(fā)電機(jī)組同向、“一對(duì)一”布置，改造前冷卻水箱布置如圖3(a)所示。可將其中7臺(tái)機(jī)組的閉式冷卻水箱移動(dòng)至主廠房左側(cè)余熱發(fā)電廠房和配電樓頂部，在移動(dòng)前應(yīng)核算余熱發(fā)電廠房和配電樓結(jié)構(gòu)是否滿足負(fù)荷需求，以便對(duì)現(xiàn)有廠房進(jìn)行合理的加固處理。剩余7臺(tái)閉式冷卻水箱仍布置在瓦斯發(fā)電主廠房屋頂，但布置方向較現(xiàn)狀旋轉(zhuǎn)90°，同時(shí)與屋頂排風(fēng)口保持約5m間距，改造后的冷卻水箱布置如圖3(b)所示。

圖3 冷卻水箱平面布置

3.2.2 盡早投入余熱發(fā)電系統(tǒng)

二期工程余熱發(fā)電系統(tǒng)至今未投入使用，待其投運(yùn)后熱煙氣將集中通過(guò)余熱鍋爐排放，屆時(shí)每臺(tái)機(jī)組排煙消音器將基本不再排放高溫?zé)煔猓瑥亩沟梦蓓旈]式冷卻水箱冷卻環(huán)境得到進(jìn)一步改善。

3.2.3 冷卻水箱增加冷卻組件

根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，該項(xiàng)目所采用的冷卻水箱的冷卻效果不佳，一方面是因?yàn)樗渲車鋮s環(huán)境不良，另一方面也與自身冷卻能力不足有關(guān)。原冷卻水箱分兩層，下層散熱能力為171kW(中冷水冷卻)，上層散熱能力為836kW(缸套水冷卻)，共有10臺(tái)風(fēng)量為3600m3/h的風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。本次改造首先將現(xiàn)冷卻水箱的下層中冷水進(jìn)出口管路和上層缸套水進(jìn)出口管路合并串聯(lián)，使其全部用于冷卻機(jī)組缸套水，從而提高缸套水的冷卻能力。機(jī)組中冷水則可通過(guò)在原有冷卻水箱基礎(chǔ)上加裝5臺(tái)中冷水冷卻機(jī)組進(jìn)行冷卻，進(jìn)而保障瓦斯發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)上述整改措施，中冷水冷卻能力仍保持171kW，缸套水冷卻能力可提升至1007kW，閉式冷卻水箱工作環(huán)境和自身冷卻能力均將得到改善，冷卻效果基本可滿足機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行需求。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)爆震原因排查

針對(duì)卡特彼勒G3520C機(jī)組爆震現(xiàn)象，羅繼晶[12]在研究中針對(duì)其可能的原因及相應(yīng)解決方案給出了較為詳細(xì)的闡述。依據(jù)該工程項(xiàng)目特點(diǎn)，目前機(jī)組主廠房通風(fēng)條件較差且閉式冷卻水箱冷卻效果不佳，以至于機(jī)組長(zhǎng)期工作在環(huán)境溫度偏高的工況下運(yùn)行，會(huì)造成機(jī)組積碳嚴(yán)重并產(chǎn)生爆震現(xiàn)象，因此在治理過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)從發(fā)電機(jī)組冷卻效果差、機(jī)組積碳嚴(yán)重、進(jìn)氣溫度較高這幾方面原因進(jìn)行排查。另外，在潤(rùn)滑油選擇上應(yīng)首選品質(zhì)較好的潤(rùn)滑油并定期化驗(yàn)檢測(cè)，加強(qiáng)潤(rùn)滑油管理也能夠在一定程度上緩解機(jī)組爆震現(xiàn)象。

隨著相關(guān)整改措施的逐步落實(shí)，機(jī)組冷卻系統(tǒng)性能將得到大幅提升，主廠房夏季環(huán)境溫度可保持在38℃以下，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率可穩(wěn)定在90%以上，其爆震現(xiàn)象也會(huì)在一定程度上得到控制。

4 結(jié) 論

1)從改善主廠房通風(fēng)環(huán)境著手，通過(guò)在發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)側(cè)及發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)布置機(jī)械風(fēng)機(jī)，滿足發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求，使得主廠房夏季環(huán)境溫度低于38℃，大幅度降低機(jī)組因超溫產(chǎn)生的故障率。

2)通過(guò)優(yōu)化閉式冷卻水箱布置形式，增加水箱冷卻組件，保證水箱能夠獲得新鮮冷空氣進(jìn)行冷卻，缸套水冷卻能力由836kW提升至1007kW，保證機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定在90%以上，爆震現(xiàn)象也會(huì)在一定程度上得到控制。

3)通過(guò)廠房通風(fēng)及冷卻機(jī)組改造不但能夠有效解決本項(xiàng)目瓦斯綜合利用不充分、各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低于預(yù)期等問(wèn)題，對(duì)于其他類似項(xiàng)目的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。