空气净化静电吸附装置的研制及应用

刘 超，吴长虎，吴群英

中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452

空气净化静电吸附装置的研制及应用

刘 超，吴长虎，吴群英

中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452

海洋石油平台透平机组进气系统的空气净化均采用物理过滤方法，空气中以溶胶状存在的盐雾不可避免地会造成滤芯寿命大幅度降低。根据静电吸附原理，采用电晕线和集电极管束结构、运用全生命周期经济效果分析方法设计、研制的静电吸附装置能够提高透平进气质量，除盐雾效率可达94%（质量分数），从而提升滤芯使用寿命。简要介绍了静电吸附原理，较为详细地论述了静电除盐雾试验装置的研制及除盐雾效果、透平进气系统静电吸附实用装置的研制，最后阐明了采用全生命周期经济效果分析方法确定吸附实用装置结构参数的过程及该装置的使用效果。

透平机组；进气系统；静电吸附装置；全生命周期；设计

目前海洋石油平台透平机组进气系统的空气净化均采用物理过滤方法，透平机组进气系统处于海洋环境，空气中以溶胶状存在的盐雾频繁引发透平进气系统高压差报警，不可避免地造成滤芯寿命大幅度降低，导致透平叶片发生腐蚀断裂等一系列问题。因此，如何降低盐雾对设备的影响，确保机组持续、稳定运转，是一个亟待解决的问题[1-2]。

经前期调研，静电吸附技术在陆地火力发电烟气除尘、石化除酸雾等领域已得到广泛的应用，这为静电吸附原理在除盐雾方面的应用提供了借鉴。本文采用问题导向、技术移植的研究方法，将静电吸附原理成功应用于除盐雾领域，研制出了用于透平进气系统的空气净化静电吸附装置。采用电晕线和集电极管束结构研制的静电吸附装置在海洋石油平台已成功应用。经分析该装置的应用能够提高透平进气质量，从而提升滤芯使用寿命（意味着滤芯成本降低），降低机组故障率，对保障平台设施的正常生产、降低运维成本具有积极作用。

1 静电吸附装置研制

静电吸附装置采用电晕线与集电极管束的结构设计方法，由电晕线（阴极系统）、集电极管束（碳纤维管，即蜂窝阳极系统）、高压直流电源等部件组成，从而建立了静电吸附所需的静电，正、负极必备条件。电晕线和集电极管束如图1所示。

图1 电晕线和集电极管束

1.1 静电除盐雾工作原理

利用可调高压直流电源（10～70 kV）在集电极和电晕线之间产生一个非均匀电场。电压值改变时，电晕线周围的电场强度随之改变，当电场强度接近空气的击穿电场强度时气体发生电离，形成大量的正离子和自由电子。自由电子随电场向正极漂移过程中和盐雾中性分子或颗粒发生碰撞，带上负电的盐雾和尘埃在电场的作用下向集电极管束方向移动直至被吸附，见图2、图3。

图2 高压直流电通过电晕线形成击穿电场

图3 盐雾、尘埃被吸附于集电极管束

1.2 静电除盐雾试验装置的研制及除盐雾效果

研制的一套静电除盐雾试验装置见图4。该装置采用超声波盐雾发生器模拟沿海盐雾环境，离心风机模拟透平进气系统，通过在装置进出口处的视镜观察除盐雾效果。通过试验，发现除盐雾效果良好，按照GBT 10593.2-2012《电工电子产品环境参数测量方法盐雾》[3]对环境盐雾进行采样、分析和计算其盐雾含量和盐雾沉降率，并经第三方检测机构检测，确认其除盐雾效果可达94%（质量分数）以上。

图4 静电除盐雾试验装置

1.3 透平进气系统静电吸附实用装置的研制

在对静电除盐雾试验装置进行除盐雾论证及效果验证的基础上，针对海洋石油平台透平机组进气量、空间限制等情况，研制了一套静电吸附装置，见图5。目前海洋石油平台透平机组绝大多数为进口设备，国内外透平进气滤器均选用物理过滤法，将静电吸附装置应用于透平进气滤器进行吸附空气中的盐雾属首次。

图5 透平进气系统静电吸附实用装置

2 静电吸附实用装置结构参数的确定及装置使用效果

经过实践检验、论证，静电吸附实用装置（以下简称静电吸附装置）的除盐雾率也达到94%（质量分数），在很大程度上提高了透平机的进气质量。为了确定静电除盐雾装置的结构及性能参数，以及便于对因添加静电除盐雾装置而产生的经济效果进行分析，采用了全生命周期经济效果分析方法，对静电吸附装置在使用年限为N年（一般取20年）内的投入与产生的收益值进行分析比较。

2.1 全生命周期内节约滤芯费用Cf

经统计分析，使用静电吸附装置后，透平进气系统滤芯使用寿命约延长20%，即在增加除盐雾装置之前滤芯更换周期为Tf，增加除盐雾装置后滤芯更换周期可延长至1.2 Tf。滤芯使用量的减少可以为企业节约部分费用Cf，费用额可以通过全生命周期内滤芯使用减少量△Qf及市场价格Af来确定：

式中：qf为滤芯年消耗量。

2.2 全生命周期内透平维保节约费用Ct

通过对比，在增加除盐雾装置后，透平机内部洁净度有了一定程度的提升，这无形提升了透平机组持续稳定运转的效率，降低了机组故障率及相关的维保费用。因该部分费用无法精确计算，因此在经济效果分析时暂不予考虑。

2.3 增加静电吸附装置的费用Cs

根据静电吸附装置特点，后续耗能（海上设施发电绝大多数为自给自足）、维保等相关费用相对于制作、安装费用少很多，可在经济效果分析时忽略不计。因此增加静电吸附装置的综合费用Cs取决于自身的体积规模，即与集电极管束（碳纤维管）的数量n、长度l有关，而碳纤维管数量、长度则取决于透平进气量Q、进气截面积S，即：

2.4 目标函数

基于空气净化静电吸附装置全生命周期的经济效果分析方法，以增加静电吸附装置的费用Cs减去全生命周期内节约滤芯费用Cf的值为最小作为目标函数，即：

约束条件：

（1）碳纤维管长度l：

式中：l-、l+分别为碳纤维管长度的下限和上限，上限l+受透平进气橇内空间限制，下限l-受除盐雾装置除盐雾效率η的限制，碳纤维管长度低于下限值时无法保障除盐雾效率。

（2）除盐雾装置除盐雾效率η：

式中：u为高压直流电压，kV，10 kV≤u≤70 kV。

2.5 优化求解与验证实例

（1） 模型分析。经分析该评估模型涉及n、l、u、η多个变量，其中n为正整数，l、η和u为连续变量；对于特定机组，l-、l+、Q、S、N为常量，因此该评估模型属于0-1整型规划问题的范畴。

（2）求解方法。应用MATLAB对评估模型进行求解，步骤如下：

第一，首先定义目标函数，并建立对应的文件。

第二，对各约束条件进行参数化设置，并编写对应的文件。

第三，调用求解函数进行优化求解。

（3）优化结果。其中目标函数的优化结果作为判定增加除盐雾装置是否经济可行的重要指标，当minC小于零时表示收益大于投入，方案基本可行，此时对应的各变量优化结果n、l、u可作为静电吸附装置设计、制作的依据，η是对应的除盐雾效率。

（4）实例验证。中国海洋石油有限公司天津分公司BZ34-1CEPA平台透平A机型号为SolarTaurus70，根据机组工况及现场空间限制条件，经建模、求解，判定该方案经济可行，其中u=70 kV，l=2 500 mm，n=94，后经检验，除盐雾效率η=94% （质量分数）。

3 结束语

静电吸附装置在海洋石油平台上的应用能够在很大程度上提高透平进气质量，从而提升滤芯使用寿命，降低机组故障率，对保障设施正常生产、降低运维成本具有积极作用。

[1]吴长虎.燃气透平静电除盐雾装置的研发及应用[J].中国科技纵横，2016（12）：99.

[2]杨林，吴长虎，刘全恩，等.海上燃气透平进气静电除盐雾装置[P].中国：ZL2015 2 0169929.7.

[3]GB/T10593.2-2012，电工电子产品环境参数测量方法盐雾[S].

Development and application of electrostatic adsorption device for air purification

LIU Chao，WU Changhu，WU Qunying
CNOOC EnerTech Equipment Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

Air purification of gas inlet system of turbine unit on offshore platform applies physical filtering method.Salt mist aerosol in air can inevitably decrease service life of filter element.Based on the electrostatic adsorption principle and adopting corona wire and collector tube bundle structure，then applying lifecycle economic effect analysis method to design and develop an electrostatic adsorption device can raise turbine unit gas inlet quality，the salt mist eliminating efficiency reaches 94%so as to prolong lifecycle of the filter element.This article illustrates the development of the electrostatic adsorption experimentaldevice and its salt mist eliminating effect，the development of the applied turbine unit electrostatic adsorption device，the structural parameters determination with lifecycle economic effect analysis method，and the application effect of the device.

turbine unit；gas inlet system；electrostatic adsorption device；lifecycle；design

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.012

刘 超（1988-），男，河北衡水人，工程师，2014年毕业于天津科技大学机械制造及其自动化专业，硕士，现从事海洋石油平台设备维保相关的工作。Email：liuchao46@cnooc.com.cn

2017-07-10