沙曲瓦斯发电厂二期工程设计优化研究

闫中元

(中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120)

随着煤炭行业绿色清洁发展的深化，我国煤矿瓦斯抽采量呈现逐年增长态势[1，2]。伴随着节能环保要求不断提高，碳减排压力的增加，煤矿瓦斯利用率逐年提升[3]。瓦斯发电作为一种煤矿瓦斯气体的综合利用方式，具有可观的经济、社会效益[4]，在我国得到了广泛推广。然而，瓦斯发电机组出力不足、设备超温、能耗高、故障率高等问题也时有发生，以往研究往往针对机组和冷却系统本身进行改造，例如通过优化控制系统提升冷却系统性能[5]，通过增加管式换热器、优化增压系统保障系统稳定运行[6]，针对机组循环冷却系统进行节能改造[7-10]等。本文结合沙曲瓦斯发电厂二期工程存在的通风、冷却、爆震等问题进行诊断分析，从优化机组和冷却水箱工作环境着手，给出有针对性的优化措施。

1 工程概况

沙曲瓦斯电厂二期工程位于整个瓦斯电厂的东北部，设有瓦斯发电主厂房、余热利用发电车间、配电室、瓦斯预处理间、110kV升压站、化水车间、备品间等。其中，主厂房与余热发电车间采用联合建筑形式。主厂房通风系统采用自然进风和机械排风相结合的方式，进风从发动机一侧进入，经进风过滤器后进入瓦斯发电厂房，对发电机组进行冷却后由发电机侧屋顶机械排风消音装置排出，主厂房布置如图1所示。14台瓦斯发电机组单排并列布置在瓦斯发电主厂房内，其配套有瓦斯气供应系统、缸套水及中冷水循环冷却系统、排烟系统等。每台机组配套1台闭式冷却水箱，单排并列布置在瓦斯发电主厂房屋顶。烟气余热回收采用“多对一”方式(14台瓦斯发电机组对应3台烟气余热锅炉)，余热锅炉横向排列在瓦斯发电主厂房南侧，其产生的过热蒸汽汇入一根蒸汽母管送入余热利用车间，驱动1台3MW汽轮发电机组发电使用。目前，余热发电系统尚未进行调试运行。

图1 二期工程瓦斯气发电主厂房布置(mm)

2 工程问题诊断分析

该工程共配置14台卡特彼勒G3520C高浓度机组，额定发电功率为2MW。夏季主厂房温度高达45～50℃，机组出力始终保持在1.4～1.8MW范围内，且故障率较高，造成瓦斯综合利用不充分，各项技术经济指标均低于设计值。机组出力不足的原因是多方面的，通过现场调查研究并结合实际工况，就通风、冷却、爆震等得出如下诊断结果：

2.1 瓦斯发电厂房通风设计不合理

良好的通风环境能够使得机组故障率明显降低，设备的老化程度放缓，维护成本下降，为企业的降本增效提供有力保障[11]。该工程主厂房内的通风系统采用自然进风和机械排风相结合的方式，其从发动机侧进入主厂房，冷却机组后由发电机侧屋顶机械排风装置排出(图1)。

上述通风方式存在很大问题：室外冷空气经除尘从发动机一侧进入主厂房，吸收发动机辐射散热后，一部分热空气通过空气滤清器进入机组参与燃烧。另一部分热空气流向发电机侧，并与发电机辐射散热空气混合。这部分混合热气流经发电机后端时，又被吸入发电机内作为冷却气体，从而导致发电机线圈无法得到有效冷却，机组即使降负荷运行也经常超温，这也是导致瓦斯发电机组难以达到额定出力的主要原因之一。

2.2 闭式冷却水箱冷却效果较差

二期工程闭式冷却水箱与瓦斯发电机组按“一对一”形式布置在主厂房屋顶，设备间距不足1m，其一侧紧邻机械排风消音装置，另一侧布置有排烟消音器(图1)。

上述分析表明：现状闭式冷却水箱所处冷却环境不佳，原设计机械排风消音装置外形尺寸较大，在很大程度上堵塞了水箱冷风汇入通道。另外，由于闭式冷却水箱之间的净空较小，冷空气也难以从该处汇入，反倒是水箱顶部的热空气经该间隙再次汇流至闭式冷却水箱底部，形成热风循环回流。这种布置，闭式冷却水箱将主要依靠排烟消音器一侧补充新鲜冷空气，但是由于排烟消音器本身也是一个热载体，其周边空气温度较高，导致冷却水箱冷却效果较差。

2.3 发动机存在频繁爆震现象

据现场工作人员反馈，当瓦斯发电机组负荷达到1.8MW时，机组存在频繁爆震现象，限制了机组负荷的进一步提高，使现有机组一直不能满负荷运行。发电机组爆震是一种不正常的工作状态，存在异常声响和震动，会削弱发动机出力，增加排烟温度和热耗，并对发动机造成不利影响，严重时甚至会损坏发动机。国内工程技术人员针对爆震跳机等实例也进行了一系列的分析和研究，并总结了发动机爆震原因和相关解决方案[12-16]。

该工程选用的瓦斯发电机组点火控制和爆震检测由电子控制模块(ECM)完成，产生爆震的原因可能是多方面的，发电机组过负荷或负荷波动、机组积碳严重、进气温度较高、空燃比不良、进气压力波动等均有可能直接或者间接导致发动机缸爆震。

3 整改措施

3.1 瓦斯发电主厂房通风改造

由于该项目已建成并投产运营，本着尽可能减少改造工程量，最大限度压缩整改周期和改造成本的原则提出相关整改方案，实现厂房通风优化、改善机组工作环境。整改后主厂房布置如图2所示。

图2 整改后二期工程主厂房布置(mm)

3.1.1 发电机及发动机侧加装机械进风装置

在发电机及发动机侧分别加装机械进风装置，保障其洁净冷空气供应，防止出现因发电机线圈温度超标造成的机组负荷提升受限。

1)发电机侧机械进风(机械进风1)风量计算。每台机组发电机侧外墙增加一台机械进风风机，满足发电机通风散热需要。同时，为改善进风空气质量并降低厂房噪音影响，在风机进口处设置过滤降噪设施。每台发电机运行发热量按53.4kW计，室内通风按t1=38℃设计，夏季通风室外计算温度按t0=30℃计，设计温度差为Δt=8℃。热量平衡计算公式[17]如下：

L=3600×Q/c×ρ(t1-t0)

(1)

式中，Q为辐射总热量，kW；c为空气定压比热，取1.013kJ/(kg·℃)；ρ为空气密度，取ρ=1.092kg/m3。经计算每台风机风量约为21723Nm3/h，共需14台。

机械进风1进风口距离发电机约9m，其进风口过滤降噪设施与管道总风阻约为400Pa，考虑厂房正压通风正压值宜不大于50Pa[18]，风机风压选为440Pa。

2)发动机侧机械进风(机械进风2)风量计算。卡特彼勒G3520C机型2MW瓦斯发电机组的发动机对机房总辐射量约115kW，室内每台机组对应的管道总辐射热量按10kW计，室内通风按t1=38℃设计，夏季通风室外计算温度按t0=30℃计，设计温度差为Δt=8℃。热量平衡计算方法见式(1)。瓦斯发电机组资料表明，项目所选机型每台机组燃烧空气消耗量约为8000Nm3/h。因此，单台机组所需风机风量约为58850Nm3/h，共需14台。机械进风2进风口距离发电机约7m，其进风口过滤降噪设施与管道总风阻约为350Pa，考虑厂房正压通风正压值宜不大于50Pa[18]，风机风压选为390Pa。

3.1.2 取消屋顶机械排风机

为了达到预期的通风效果，除了通风设备的选型外，合理的气流组织设计也非常重要[19，20]。通过取消原有屋顶机械排风机，可使得整个厂房通风方式由原先的发动机侧自然进风屋顶强制排风变为两侧强制进风屋顶自然排风的方式，这种通风方式是目前瓦斯发电主厂房普遍采用的通风方式，通过此项整改能够将原有厂房的负压通风改为正压通风。

3.1.3 适当调整空气滤清器位置

原设计中机组助燃空气滤清器布置在厂房内，而由于厂房内空气温度较高(夏季可达45～50℃)，造成空气滤清器吸入温度较高的空气，影响机组出力。通过适当调整空气滤清器位置，保证其能够吸入新鲜冷空气即可。

经过以上整改措施，可保证夏季车间内环境温度低于38℃，完全满足发电机和发动机散热的环境温度需求，大幅度降低机组因超温产生的故障率，保证机组能够长期高效稳定运行。

3.2 闭式冷却水箱改造

3.2.1 调整部分闭式冷却水箱位置

原设计中14台闭式冷却水箱均布置在瓦斯发电厂房屋顶，与厂房内发电机组同向、“一对一”布置，改造前冷却水箱布置如图3(a)所示。可将其中7台机组的闭式冷却水箱移动至主厂房左侧余热发电厂房和配电楼顶部，在移动前应核算余热发电厂房和配电楼结构是否满足负荷需求，以便对现有厂房进行合理的加固处理。剩余7台闭式冷却水箱仍布置在瓦斯发电主厂房屋顶，但布置方向较现状旋转90°，同时与屋顶排风口保持约5m间距，改造后的冷却水箱布置如图3(b)所示。

图3 冷却水箱平面布置

3.2.2 尽早投入余热发电系统

二期工程余热发电系统至今未投入使用，待其投运后热烟气将集中通过余热锅炉排放，届时每台机组排烟消音器将基本不再排放高温烟气，从而使得屋顶闭式冷却水箱冷却环境得到进一步改善。

3.2.3 冷却水箱增加冷却组件

根据机组实际运行情况，该项目所采用的冷却水箱的冷却效果不佳，一方面是因为水箱周围冷却环境不良，另一方面也与自身冷却能力不足有关。原冷却水箱分两层，下层散热能力为171kW(中冷水冷却)，上层散热能力为836kW(缸套水冷却)，共有10台风量为3600m3/h的风机进行冷却。本次改造首先将现冷却水箱的下层中冷水进出口管路和上层缸套水进出口管路合并串联，使其全部用于冷却机组缸套水，从而提高缸套水的冷却能力。机组中冷水则可通过在原有冷却水箱基础上加装5台中冷水冷却机组进行冷却，进而保障瓦斯发电机组的正常运行。经过上述整改措施，中冷水冷却能力仍保持171kW，缸套水冷却能力可提升至1007kW，闭式冷却水箱工作环境和自身冷却能力均将得到改善，冷却效果基本可满足机组正常稳定运行需求。

3.3 发动机爆震原因排查

针对卡特彼勒G3520C机组爆震现象，罗继晶[12]在研究中针对其可能的原因及相应解决方案给出了较为详细的阐述。依据该工程项目特点，目前机组主厂房通风条件较差且闭式冷却水箱冷却效果不佳，以至于机组长期工作在环境温度偏高的工况下运行，会造成机组积碳严重并产生爆震现象，因此在治理过程中应重点从发电机组冷却效果差、机组积碳严重、进气温度较高这几方面原因进行排查。另外，在润滑油选择上应首选品质较好的润滑油并定期化验检测，加强润滑油管理也能够在一定程度上缓解机组爆震现象。

随着相关整改措施的逐步落实，机组冷却系统性能将得到大幅提升，主厂房夏季环境温度可保持在38℃以下，机组运行负荷率可稳定在90%以上，其爆震现象也会在一定程度上得到控制。

4 结 论

1)从改善主厂房通风环境着手，通过在发电机组发电机侧及发动机侧布置机械风机，满足发电机和发动机的散热需求，使得主厂房夏季环境温度低于38℃，大幅度降低机组因超温产生的故障率。

2)通过优化闭式冷却水箱布置形式，增加水箱冷却组件，保证水箱能够获得新鲜冷空气进行冷却，缸套水冷却能力由836kW提升至1007kW，保证机组运行负荷稳定在90%以上，爆震现象也会在一定程度上得到控制。

3)通过厂房通风及冷却机组改造不但能够有效解决本项目瓦斯综合利用不充分、各项技术经济指标低于预期等问题，对于其他类似项目的优化改造设计也具有一定的借鉴意义。