转轮除湿机在燃气轮机进气系统中的应用
随着我国能源结构的调整和天然气资源的开发利用,从2002 年起,国家发改委规划以批量打捆招标的方式,采购“F”级燃气轮机发电机组,先后进行了3 次招标,共包括25 个电站项目的59 台燃用天然气的燃气轮机发电机组。由于燃气轮机电站具有启停灵活的优点,目前这些陆续投运的机组大部分作为调峰机组使用。上海的情况与此类似,据统计,上海最高用电负荷已从2000 年的10 417 MW ,上升到2007 年的21 208MW ,增长了103. 59 %;并且上海的电力需求具有鲜明的季节性、时段性特征,用电的年度不平衡、周不平衡、日不平衡非常突出。据预测,2010年上海电力系统最大峰谷差将达到11 000 MW。由于电网负荷、经济性及燃料来源等原因,目前上海的燃气轮机电站一般都是高峰时段开,低谷时段停,同时也根据电网的实际负荷确定开机方式,因此燃气轮机发电机组启停频繁。为确保调峰时段燃气轮机能稳定快速投入运行,必须做好待机状态下的维护保养工作,提高运行的可靠性,其中潮湿空气中的水分对燃气轮机的影响不能忽视。
1.水分的来源
上海地区的气候特点为温和、湿润,雨量适中,年平均相对湿度77 %～83 % ,空气中水分含量较多。湿空气中的含湿量可由下式确定:
式中:φ为空气相对湿度; ps 为空气温度对应的饱和压力; pb 为大气压力。例如在0. 1 MPa ,空气温度为30 ℃,相对湿度为80 %时,空气的含湿量为21. 55 g (水) / kg (干空气) 。随着空气温度的升高,或相对湿度的增大,空气中水蒸汽的分压力也会增大,含湿量随之增大。
压气机腐蚀是含盐和含酸的水分聚集在叶片上的结果。在运行过程中,水分的来源是雨水。当燃气轮机停止运行时,含水的暖空气在压气机中循环而冷凝,使压气机始终处于潮湿状态
(由烟囱效应引起) 。当燃气轮机刚刚停机而内外温差很大时,这种循环特别明显。当机组未处于运行而暖空气接触到机内冷金属表面时,也会发生冷凝现象, 这种现象在机组库存时也会发生。
2.水分对燃气轮机的影响
进入压气机的空气,其湿度、气态微量元素以及颗粒决定了叶片上发生污染、腐蚀和磨损的程度。颗粒磨损和一定程度上的污染可以通过过滤系统控制。但是,腐蚀与过滤系统几乎无关,它仅受现场环境和压气机材料的影响。点蚀是压气机中不锈钢叶片最常见的腐蚀类型,在高应力部位出现严重腐蚀坑,将会导致腐蚀疲劳,进而损坏叶片。
由进口湿空气冷凝形成的小水滴,以及浸湿叶片的水分具有很大的表面积,而且这些水分又是进入压气机的各种气体的极好的溶剂。在溶解这些气体的过程中,叶片表面的水和小水滴将变成酸性, 因为从空气中溶解的气体通常是CO2 、SOx 、NOx 、HCl 和Cl2 。经验表明,在大多数环境中还有足够的导致硫酸铵、硝酸盐和氯化物积垢的氯化物和硫酸盐,这些沉积物的溶液均呈酸性。
叶片上水分的酸度,即腐蚀性,取决于被溶解的这些气体的分压。表1 提供了这方面的一些主要数据。表中水分的酸度是按照一种气体组分处于一定浓度的平衡状态计算而得的,分别给出形成强酸(盐酸) 和弱酸(硫酸) 的两组气体的数据。在弱酸情况下,环境中含有100 ×10 – 9SO2 并不少见,这时相应的酸值p H 为4. 5 ;而在强酸情况下,即使环境中只含有1. 0 ×10 – 9 HCl ,也会导致极端酸性的状态。
表1 水的酸度
进入压气机的水分的腐蚀性不仅取决于环境中的气体,还取决于存在的颗粒。进入燃气轮机的空气含尘量约为(0. 03～0. 3) ×10 – 6 ,大多数尘粒是不可溶的,可以被过滤掉;但那部分水溶性的尘粒,处于潮湿状态时,就会穿过过滤系统,最终进入压气机。
压气机的腐蚀是一种水化现象,必须有水分的存在。水分的含量、其化学成分以及压气机的相关材料将决定腐蚀速率,并最终决定更换叶片或重新涂镀的频率。如果能降低空气的湿度,就能减少发生腐蚀的机会。
3.转轮除湿机的原理
转轮除湿机的关键部件是位于机组中部的高效硅胶蜂窝除湿转轮,即以高性能硅胶为吸湿剂的蜂窝状的特殊陶瓷转轮。由于蜂窝状孔径仅1. 5 mm ,其1 m3 体积转轮纸芯的吸湿面积达3 000 m2 。空气流经处于边界层流状态蜂窝状孔道,水分交换效果好,所以除湿能力强。转轮除湿机的工作原理见图1 。
图1 转轮除湿机工作原理
除湿转轮采用减速机驱动,转轮以0. 2 r/ min的速度缓慢转动。转轮截面的3/ 4 区域为处理区,当需要处理的空气通过处理区时,空气中的水分被纸芯吸湿剂吸收,成为低湿干燥空气从另一端吹出,由风机送到所需地点。同时,用作再生的空气经过过滤、加热成为120 ℃的热空气,以相反方向进入转轮截面为1/ 4 的区域,即再生区。将缓慢进入此区域的吸湿纸芯的温度升高,并使纸芯吸湿剂所含水分汽化,被热气流带出室外,使纸芯恢复吸湿功能,吸湿纸芯得到再生。转轮缓慢转动时,转轮纸芯的吸湿和再生过程是同时进行的,所以转轮除湿机能保证连续、稳定地输出干燥空气。
4 .压气机除湿系统
上海某燃气轮机电厂配备有3 台V94. 3A燃气蒸汽联合循环发电机组。从机组安装阶段至目前调峰运行的待机状态一直使用转轮除湿系统,保持压气机内的干燥[ 2 ] 。图2 为除湿系统的系统图。转轮除湿机的主要技术参数如下:
额定处理风量800 m3 / h
额定再生风量200 m3 / h
额定除湿量4. 3 kg/ h
再生电加热功率7. 2 kW
再生加热温度120 ±10 ℃
转轮转数0. 2 r/ min
图2 压气机除湿系统图
燃气轮机停机后,并经过最初的冷却阶段 (约2 h) ,除湿系统将自动启动并运行。此时压
气机进气室与除湿系统连接管路上的电动风阀自动打开,除湿机投入运行。压气机进气室内的空气进入除湿系统,除去水分后返回至进气室。除湿系统配备有湿度传感器,处理后出风的相对湿度可达到10 %以下。随着进气室内相对湿度逐步降低,系统可根据相对湿度设定值自动调整除湿机的负荷或停止运行,待相对湿度回升到设定值以上可再次自动投入运行。除湿系统也可以在现场进行手动开启和关闭(燃气轮机运行过程中不允许手动操作) 。当除湿系统处于运行状态时,燃气轮机不得启动。在燃气轮机启动前除湿系统自动停止运行。当燃气轮机处于运行状态时,压气机进气室与除湿系统连接管路上的电动风阀处于关闭状态,进气室中空气不得进入除湿系统中。
5 .结 语
调峰运行的燃气轮机发电机组启停频繁,在停机状态下,压气机内潮湿的空气会引起内部元件腐蚀。转轮除湿系统可连续输出干燥的空气,逐步降低进气室内空气的相对湿度,减少发生腐蚀的机会,提高燃气轮机调峰运行的可靠性。在设备安装及机组长期停止运行的时期,也可以用转轮除湿系统作为设备维护保养的手段。