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高溫低排放電除塵器-----兼談歐洲環境工程的EPC總承包

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技術論文

高溫低排放電除塵器-----兼談歐洲環境工程的EPC總承包

作者:
來源:
2016/03/30 15:11
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高溫低排放電除塵器
 
-----兼談歐洲環境工程的EPC總承包
 
High Temperature /High Performance Electrostatic Precipitation System
 
And the turn-key contract of European environment project
 
王勵前1郭令
 
蘭國強2
 
1.江蘇東瑞環境能源科技有限公司
 
2.沈陽創思達科技(中國)有限公司
 
 
 
摘要:2008年江蘇東瑞環境能源科技公司總承包了美國某跨國公司在匈牙利Oroshaza 的玻璃容器廠熔爐電除塵器系統工程項目。沈陽創思達科技(中國)有限公司分包了其全套自控系統。該電除塵器工作溫度400~410℃,要求排放濃度為30mg/Nm3。2009年9月交付使用以來,連續運行2年半,效果良好。經匈牙利執法部門檢測,實際排放僅7 mg/Nm3。該系統對于自動控制的要求較高,也得以全部實現。此項目得到用戶及其母公司的良好評價。表明電除塵器可以長期高效低排放運行于高溫環境之下。通過此工程獲得了EPC總承包的寶貴經驗,領會到國外嚴格認真要求的可貴。
 
 
 
1.引言
在中國靜電除塵技術水平得到先進國家認可以及設備廉價的背景下,2008年春天,美國某跨國玻璃容器公司訪問了東瑞公司并約請參與其匈牙利Oroshaza工廠玻璃熔爐電除塵器項目投標。在與國外公司競爭中,東瑞獲得總承包合同,承擔設計、采購供貨、運輸、安裝、調試、試車、交付運行一條龍服務。創思達分包了全系統的自動控制工程。
 
西方公司對于承包商的要求比國內嚴格。一是質保期長了一倍,要求兩年內系統效率不下降,設備無故障;二是對安全衛生要求嚴格得多,也細致得多;三是對于系統的控制有許多國內工程缺乏的細節要求;四是所有設備和設施都要通過歐盟認證。
 
通過三年多東瑞和創思達的協力,EPC總承包項目順利完成,2011年9月項目正式結束,業主十分滿意,給予高度肯定。
 
 
 
2.工程概況及業主要求 
 
2.1自然狀況
 
Oroshaza市位于布達佩斯東南160公里處,是一座風景優美的旅游小城市,市內有多處湖泊和溫泉,假期和周末都有很多本地居民或外國游客到此地度假游泳洗浴,對環境有著很嚴格的要求。工廠在其近郊,主要環境污染物就是玻璃熔煉爐排放的煙塵。因此對大氣的清潔度要求很高,電除塵器要保證煙囪出口無可見煙塵。
 
 
 
2.2煙塵性質特點及治理要求
 
該廠玻璃熔爐日產400噸,在歐洲就算是中大型的。l該廠玻璃熔爐出爐煙氣溫度高達400~500℃。鑒于絕大多數電除塵器的工作溫度在350℃以內,對于400℃以上的煙塵要有應對措施。
 
l相較于發電廠、鋼鐵廠和水泥廠的煙塵粒度往往達到上百微米,該廠玻璃熔爐的煙塵非常纖細。粒度全部在2.5μm以內,幾乎99% 的煙塵小于1.0μm。眾所周知,粒度在0.1~1.0μm的煙塵,是電除塵器最難予以清除的。
 
 
 
2.3業主對電除塵系統的安全防護要求
 
歐洲工廠對人身和生產安全、衛生防護非常重視。與國內相比,有不少更加嚴格的要求,
 
摘其要者如下:
 
l所有硬件,包括設備、管道、零部件、構件、保溫、油漆都必須通過歐盟安全認證,打上相應的標記。
 
l所有現場工人及有關人員必須辦理人身保險。
 
l所有安全防護規程、標準都要采用歐盟標準并且符合匈牙利標準。
 
l對系統設計有詳細的安全防護要求,后文另行詳述。
 
 
 
2.4業主對承包商的選擇
 
業主是跨國公司,本工程由其總公司初選承包商,歐洲總部采購部門進行具體比較選定。
 
先是美國總公司到初選的公司進行考察,對承包公司認可之后,由歐洲總部發送招標書。承包商按期送達投標書之后,歐洲總部進行全面評審,要求承包者赴歐訪問交流,考察現場,面對面進行技術交底和答疑。對有關技術、施工、調試、五年備品備件保證供應、現場運行緊急事態快速處理、付款規定、工程拖期或不達標的處罰等問題進行談判,這些和一般國際項目大體相同,不過業主對于中國首次總承包,放心不下,因而程序更加復雜、合同要求更為嚴格。
 
比較麻煩的是:業主要求:第一、如果發生處罰情況,對中國要雙倍懲罰;第二、中國承包商必須有可靠的歐洲伙伴公司,以便代表中國公司緊急處理現場運行中出現的問題。第三、不允許中國工人參與任何施工調試工作。我們慎重研究,一一答應并做到了,最后在于歐美公司的競爭中,被歐洲總部選中,簽訂全系統總承包合同。
 
 
 
3.工程總承包概況
 
3.1電除塵器設計
 
根據以上煙塵特點,設計電除塵器時著重考慮了以下因素。
 
3.1.1高溫下的電暈放電
 
眾所周知,氣體溫度升高時其擊穿電壓隨之下降,導致電除塵器運行電壓降低,損害除塵效率。設計時要求對高溫的影響有個基本的判斷。
 
氣體的電暈放電是由于電場中的電子沖擊氣體分子導致電離而形成的。電子被加速的程度起著決定性的作用。電子在電場中獲得的加速運動能量正比于電場強度和電子的平均自由行程,而后者反比于氣體的密度。煙氣溫度上升--氣體密度下降--電子的平均自由行程增加--電子的能量加大--氣體提前擊穿--運行電壓降低--除塵效率下降。這就是其連串反應。
 
定量地說,導致氣體擊穿的能量反比于溫度的平方,而氣體擊穿電壓反比于氣體溫度。因此,溫度上升時,輸入電場的能量將更多地下降。根據這個規律,要想借助電暈放電產生等離子體,提高溫度極其有效;但是從除塵來看,氣溫升高,就很不利了。
 
對于電除塵器最大用戶的燃煤電廠,其煙氣溫度多為130℃(403°K)上下、同極距為400mm的情況下,如果安裝良好,電除塵器擊穿電壓可達65kV以上。 按上述反比律計算,溫度400℃(673°K)時,擊穿電壓將降低到40kV左右。換言之,溫度每升高10℃,擊穿電壓大致降低1kV。這對靜電除塵的影響是明顯的。我們在設計高溫電除塵器時,除了結構問題之外,對于高溫工作電壓降低的定量影響做了估算。
 
3.1.2 高溫選材
 
電除塵器用于400℃及以上高溫煙氣,國內外都不多見,采用什么材料制作成為能否長期安全運行的重要問題。
 
眾所周知,常用的碳素結構鋼牌號,是按屈服點來命名的。所謂屈服點,就是鋼材在被拉伸時,當應力超過彈性極限,即使應力不再增加,鋼材仍然繼續發生塑性變形(屈服),明顯產生塑性變形時的最小應力值即為屈服點。如Q235,其屈服點就是235MPa。此外,大家也知道,普通結構碳鋼在350~400℃時彈性模量會有明顯的降低,也就是此時同樣的應力會造成鋼材較大的應變。使用時為了避免明顯的變形,設計中要降低鋼材的許用應力,這樣就要加大鋼材用量和工程造價,很不經濟。
 
因此,在設計這臺工作于400~410℃的電除塵器時,要找到一種屈服點和許用應力都比Q235更高而價格仍然較低的鋼材,它能在400~410℃時安全而正常地工作,同時基本不增加工程造價,而避免使用雖然耐高溫然而價格昂貴的不銹鋼。為此我們將目光投向了“考登鋼(Corten steel)”。它是一個較新型的鋼種,性價比優越。和常規電除塵器使用的Q235-A對比, 優點明顯可見:
 
屈服點: Q235-A----235MPa, Corten-A----343MPa
 
抗拉強度: Q235A----370MPa Corten-A----480MPa
 
因此決定將它用于電除塵器的外殼受力構件上,如立柱、大梁、圈梁以及電極的重要懸吊構件等。至于其它部件的材質列于表2。其中高壓絕緣件選用95% 高鋁瓷是十分必要的,普通電瓷耐溫不足,會因熱應力而碎裂。
 
3.1.3煙塵非常微細
 
無論是燃煤電廠、水泥廠、或鐵礦燒結廠,其粉塵有很大一部分屬于機械性產塵,粒度較粗,數十到上百微米者,占很大比例。而本工程的煙塵,全部是燃燒產塵,粒度比機械產塵細得多,98.8%都是亞微米級,36.2%小于0.25μm。由荷電機理可知,在這個粒度區間,無論是碰撞荷電還是擴散荷電都相當微弱,電除塵器效能自然會受到限制。此外細塵的振打飛揚損失嚴重,也很不利。荷電困難難以改變,只能靠加大集塵面積來彌補。為了減少振打飛揚,選取較低的煙氣流速。
 
3.1.4粉塵的導電性良好
 
粉塵成分中,導電良好的Na2SO4,占了85%,K2O 為1%。中等的Ca2SO4和MgSO4占10%。対電除塵器工作不利的SiO2和NaCl只有3%。電除塵器不存在高比電阻反電暈問題,也不存在鈉鹽粘附和應力腐蝕問題,這是十分有利的。
 
3.1.5電除塵器設計參數
 
3.2 系統設計
 
業主對系統安全可靠和維修便利非常重視。此外,歐洲人工昂貴,現場工人工資為中國的20倍以上,因此設計中采取了一些針對性的的措施:
 
l為防止超溫損壞設備,設置冷風摻入口,其擋板控制和測溫連鎖, 實行自動/手動控制。冷風摻入口兼做緊急檢修時系統快速冷卻之用。
 
l電除塵器和引風機都設有煙氣旁路,而且切換的煙氣擋板用氣動,防止斷電時無法動作。事故緊急切換必須能夠自動進行并發出報警信號。
 
l所有動作設備、擋板,納入自控系統同時能夠就地控制并顯示狀態。
 
l為防堵塞,管道每隔10m必須設置一個檢查門。每一個彎頭前面、每一個煙氣閥門的前面和后面也都要設置檢查門。
 
l所有設備和管道的人孔門、手門、檢查門以及就地監控儀表都必須設有人能安全到達的設施,包括走道、平臺、樓梯、扶手等。
 
l每一臺運轉的設備,包括煙氣閥門除了能在控制室啟停、開關之外,必須設置就地按鈕或開關。較長的運輸機械,每隔10m也要有就地開關。煙氣閥門要有可見的開關信號。
 
l熔爐換火或燃燒工況波動時,變頻調速引風機的轉速必須保持恒定,防止事故。
 
l系統噪聲不大于50db(A)。出于減噪考慮,引風機選用高效后彎葉型葉輪,并配備了消聲器。引風機軸承散熱水冷,水溫監控。
 
l所有鋼結構,包括電除塵器底座、煙道支架、平臺、樓梯、扶手等全部熱鍍鋅。全部螺栓連接,螺孔在制造廠精確鉆好,不需要現場焊接。
 
l周到的熱膨脹補償措施。
 
 
 
3.3自控系統
 
整套電除塵系統用PLC控制,控制室設在電除塵器下方鋼支座空間圍成的房間內。設觸摸
 
屏2個,分別裝在加熱卸灰控制柜和振打柜上,都能顯示、控制、記錄全系統主要功能與參數并報警。
 
控制訊號借助Ethernet玻纖送到玻璃熔爐工藝主控室。上位DELL計算機和液晶顯示屏位
 
于工藝控制計算機旁,也可顯示、控制、記錄全系統主要功能參數并報警,主界面如圖3所示。電除塵器主要數據同時在工藝控制主機上顯示。
 
 
 
3.3.1 硬件
 
l電源柜,1臺。電源模塊PS307.
 
l電除塵器高壓控制柜,3臺。
 
l電除塵器加熱、卸灰控制柜,1臺。LV回路??刂葡到yDELTA觸摸屏裝在此柜上。
 
l電除塵器振打控制柜,1臺,位于電除塵器頂蓋之上,LV回路。
 
l引風機變頻控制柜,1臺??刂?32kW電機轉數。
 
l聯鎖控制箱1個,掛在控制室墻上。
 
lUPS備用電源。
 
l上位DELL計算機、液晶顯示屏放在熔煉爐主控室內。
 
l空調機1臺。
 
3.3.2控制軟件
 
l操作軟件MICROSOFT WINDOWS XP SP2,
 
l程序軟件SIEMENS STEP7 V5.3,
 
l組態軟件SIEMENS WINCC6.2,
 
lOFFICE 2007
 
3.3.3 控制對象
 
l摻冷風閥??梢赃h程控制、遠程自動控制和就地手控。
 
l煙氣擋板??刂埔L機和電除塵器的進出口以及電除塵器旁路共5個擋板??梢赃h程控制、遠程自動控制和就地手控。
 
l引風機??刂破?、停、變速;熔爐換火時保持風機恒速;監測軸承溫度。
 
l電除塵器。高壓柜控制電除塵器3個電場的高壓供電與接地,液晶觸摸屏顯示控制參數。低壓柜控制加熱卸灰。
 
l電磁振打器??刂?2個電磁振打器的振打周期與強度,遠程控制、遠程自動控制或就地手控。
 
l星型卸灰閥??刂?臺星型卸灰閥的起停,遠程控制或就地手控。
 
l螺旋運輸機。低壓柜控制起停與加熱,遠程控制或就地手控。
 
 
 
3.4 施工安裝與調試
 
全套系統的安裝分包給匈牙利KIS公司。該公司安裝過化工、煤制氣和布袋除塵器裝置,沒有安裝電除塵器的經驗。但是工作認真,在中方指導下,5個月左右安裝完畢,質量上乘。匈牙利向歐美開放歷史短暫,其十余人的安裝隊伍中會說英語者僅有2人,溝通困難,也影響了一些進度。
 
3.4.1 空載升壓試驗
 
電除塵器電場空載升壓試驗時,原來也打算采用國內習用的T/R并聯測試擊穿電壓方法。因顧慮高壓器件萬一燒毀,手頭沒有備件耽誤交付日期,決定改用檢驗3個電場V-A曲線是否吻合的辦法判斷極距是否準確。
 
實際上,用V-A曲線是否重合的辦法檢驗安裝質量更為準確、嚴格、科學:
 
l稍有經驗的安裝調試人員都知道調整陰陽極距時,使其擊穿達到7萬伏并不是難事。在天氣好的情況下,極距誤差即便大到40~50mm,完全不合格,空載升壓達到70kV也不是難事。單純考核電場擊穿電壓,往往會掩蓋安裝質量的缺陷。
 
l并聯T/R升壓雖然一般不至于出現高壓器件損壞,但是確實存在潛在的危險。專門為此準備備件,又似乎多余。
 
l用“若干同樣的電場的升壓V-A曲線應該完全相同、互相吻合”的原則來檢驗安裝質量,對安裝的要求更為嚴格,比單一考核擊穿電壓更難達到合格。而這種合格本來就是應該達到的,并沒有人為拔高標準。
 
lV-A曲線法免除了現場并聯T/R的工作量。
 
lT/R規格選型時,往往超出電場正常工作需要,人為加大額定電壓電流,考慮之一就是利于并聯空載升壓試驗。而超規格的T/R會導致運行閃絡頻度提高、自動調壓質量下降、浪費資金等弊端。采用V-A曲線法可以按需選擇T/R規格,免除大馬小車的失配。
 
我們采用這種辦法檢驗電場安裝質量也算是一種“創新”吧!雖然安裝調試中也發生過
 
電場中留有雜物電壓升不上去的情況。但是由于總體安裝質量良好,在排除雜物后,驗收升壓試驗時,三個電場的V-A曲線重合性非常之好。正是由于沒有片面追求升壓擊穿值,不靠臨時撬、掰、之類的野蠻措施彌補安裝超差,這臺電除塵器在連續兩年高溫運行中,陰陽極沒有大的應力變形,達到了穩定高效,這是一個寶貴的經驗。
 
3.4.2 引風機彈簧底座
 
為了減震減噪,引風機配備了彈簧底座。設計是風機機殼、軸承箱和電機座都固定在一個整體鋼架上,鋼架下放置彈簧座,彈簧座再固定在混凝土基礎上。但是業主技術負責人錯認彈簧直接裝在風機和電機下面更能吸收震動,要求按他的要求改動。結果試運行時風機機殼和電機軸-葉輪系分別大幅度搖晃,將機殼保溫護殼震裂。更改彈簧位置補好護殼后問題解決。兩年連續不間斷運行,表明引風機質量良好。
 
3.4.3冷風閥
 
調試中發現冷風摻入口設計偏大,其擋板剛剛開啟,降溫已經達到預定數值,致使調節的線性度較差。由于尚可使用,就不再改動了,業主也予以認可。
 
 
 
3.5 測試、驗收、投運
 
2009年9月電除塵器系統調試完畢投入試運行(相當于168小時試運行),肉眼觀察煙囪出口,完全看不到煙塵,和天空一樣湛藍。匈牙利第二大城市Szeged市政府下屬專職機構于9月28日到廠測試(圖4)。測定結果煙囪口排放小于10mg/Nm3,長時間在6~7mg.Nm3左右,小于保證值30 mg.Nm3。到此,電除塵器系統EPC總承包項目通過驗收,正式投入運行。
 
 
 
3.6 工程回訪
 
這套電除塵器投運后,連續運行兩年沒有出現問題,保持了良好的除塵效率,煙塵排放沒有增加,達到長期、連續不間斷高效運行,業主非常滿意。2011年6月在正式投運快兩年之際,該廠發來了工程質量認證函,肯定了總承包工程的成功(圖5)。
 
2001年11月22日,我們到匈牙利回訪,該工廠主管再次告知電除塵器運行兩年沒有間斷、沒有檢修、效率沒有降低。而且他們還總結了不少運行管理的經驗。
 
我們還回訪了總公司歐洲總部,他們對于此項首次由中國公司EPC總承包的項目很滿意,認為打開了今后合作之門。
 
 
 
4.總結
 
這雖然是一個不大的項目,但是五臟俱全,實施中也遇到許多國內工程所意想不到的困難,
 
通過我們兩家公司通力合作,一一得到解決。通過此項完整的總承包實踐,表明:
 
l電除塵器可以在400℃高溫下高效長期運行,不需要應用昂貴的耐熱鋼材。
 
l電除塵器對于85%屬于亞微米的煙塵,達到了低于10mg/Nm3的排放。
 
l首次總承包了先進國家跨國公司的大氣污染治理項目,在苛刻的條件下,攻克了技術難題,利用了歐洲公司作為分包商,積累了知識和運作經驗,獲得成功。
 
l實踐表明,中國環保公司基本具備了獨立走出去的能力,可以以EPC方式總承包國外項目。
 
 
 
5.致謝
 
在總承包過程中,得到了前國際電除塵委員會前主席Kjell Porle先生的熱誠幫助,謹此致謝!
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