基于Alstom Power全尺度試驗的三種膜片閥與兩種活塞閥對比研究解讀

關鍵詞
Fabric filter, pulse cleaning valve, 高比濾速, 工業煙氣治理, 脈沖閥選型

在高比濾速布袋除塵（High Ratio Fabric Filter, HRFF）系統中，脈沖清灰系統已經從“配套件”升級為決定整機壽命與能耗的關鍵單元。近期，Alstom Power（現GE電力業務的一部分）團隊對市場主流的布袋除塵脈沖清灰閥（pulse cleaning valve）開展了系統對比測試，為工程界重新審視脈沖閥選型邊界提供了一個相對標準化的技術樣本。

本次研究由Alstom Power Sweden AB與Alstom Power Italy SpA聯合完成，作者包括Anders Hjelmberg、Mikael Fredriksson與Peter Wieslander，核心聚焦布袋除塵（fabric filter）系統中脈沖清灰閥的脈沖壓力輸出能力、適用布袋數量上限以及壽命與失效模式。雖然研究對象是布袋除塵而非靜電除塵器（ESP），但在工業煙氣治理系統整體優化與壓縮空氣系統配置上，對靜電除塵與布袋除塵組合工藝同樣具有重要參考價值。

文章延續了歐洲大型電力與工業鍋爐煙氣治理系統的一貫思路：首先把清灰系統性能與布袋壽命、排放控制和能耗三者緊密掛鉤，隨后通過全尺度試驗裝置，將不同結構類型脈沖閥在相同工況下的輸出脈沖壓力進行量化對比。在高比濾速運行條件下，要保持長期穩定達標排放，核心在于在極短時間內向濾袋內注入足夠大體積流量的壓縮空氣，形成高幅值壓力波和濾料加速度，從而有效剝離粉塵餅層，并盡可能減少對濾袋基布的機械損傷。

Alstom Power在V?xj?配置了一套全尺度脈沖試驗臺，包括標準脈沖儲氣罐、噴吹管、濾袋及袋籠系統。試驗中，在濾袋內部靠近布袋內表面的位置安裝差壓傳感器，并選取距袋口5 m處作為測點，以模擬10 m長袋在實際運行中最不利清灰位置的內部脈沖壓力。試驗用濾袋經過特殊處理，使其流阻接近運行后期的“老化”狀態，以保證測得的清灰能力更接近布袋壽命末期的真實情況。這種思路對工業用戶具有現實意義：很多電廠或水泥線在脈沖閥選型時只看“新袋工況”，而忽視老化濾袋的壓差抬升，導致后期清灰力不足、壓差長期偏高。

本次對比試驗選取了五種市場主流脈沖閥，其中“A、B、C”為膜片式（membrane valve），而“D、E”為Alstom自家成熟應用多年的活塞式（piston type）脈沖閥，作為性能參考基準。按照處理風量與布袋數量，“E”與“A、B”為較大流量機型，對應管內徑116 mm、30個噴嘴；“D”與“C”為較小流量機型，對應管內徑106 mm、22個噴嘴。試驗中統一采用300 L儲氣罐（壽命試驗部分為150 L，以縮短試驗周期），罐壓從3–6 bar分檔調整，閥門開閥時間300 ms，使罐壓降至0.5 bar，模擬高強度清灰工況下的極限排空過程。

在脈沖性能評價方面，測試團隊以活塞閥“E”和“D”為基準，分別比較各膜片閥在相同罐壓下所能在濾袋內測點產生的峰值脈沖壓力。結果顯示，就大流量機型而言，在相同壓力下，膜片閥“A”的袋內脈沖壓力約為“E”的80%，而膜片閥“B”為65–70%；小流量機型中，膜片閥“C”的脈沖壓力為活塞閥“D”的55–70%。換句話說，在同樣的供氣壓力與儲氣罐條件下，活塞式脈沖閥可以提供更高的袋內峰值壓力與更大的清灰能量，這為工程設計預留了更大的工況浮動裕度。

更具體地看，在10 m長濾袋工況下，試驗給出了每臺脈沖閥可可靠清灰的最大布袋數量與濾布面積上限：活塞閥“E”在4 bar及以上罐壓條件下，可以滿足30條、10 m長濾袋（約120 m2布袋面積）的清灰要求；活塞閥“D”可以滿足22條、10 m長袋（約88 m2）。在同樣6 bar最高系統壓力下，膜片閥“B”理論上可以達到30條、10 m長袋（120 m2），而“A”則受限于28條（112 m2）；“C”則在22條、10 m長袋（88 m2）工況下，其袋內脈沖壓力已經明顯偏低，難以滿足大型布袋除塵器高比濾速運行的清灰需求。因此作者明確指出，“C”型膜片閥并不適合大中型布袋除塵器應用。

值得注意的是，這些上限值是在理想試驗臺條件下得到的。作者特別提醒，在實際工業煙氣治理現場，還需要額外折減，考慮管路壓降、閥門老化、壓縮空氣品質、運行溫度以及在線/離線清灰模式等因素，尤其是采用膜片閥方案時，必須預留更大的供氣壓力和儲氣量安全裕度。這對于國內設計院和總包在做布袋除塵器或袋電組合除塵器選型時，是一個非常現實的糾偏信號：單純依據銘牌“流量”或噴吹管口徑估算閥數，往往會高估膜片閥的可帶袋數。

在壽命與失效模式方面，研究團隊對“A、B、C”三種膜片閥進行了不少于15萬次的脈沖壽命試驗，目標是模擬連續運行5年以上的使用壽命要求。結果顯示，膜片閥“A”順利完成15萬次脈沖，膜片支撐面僅出現可接受的磨損形貌，預計實際壽命還可高于該值；“C”的膜片在外觀上也未見明顯損傷，但其在壽命試驗后清灰脈沖壓力下降了約7–10%，說明性能會隨使用時間有一定衰減；“B”則在128,979次脈沖后因膜片出現直徑5–8 mm穿孔而被迫終止試驗，同時在膜片上方發現金屬顆粒，閥體及金屬壓盤存在明顯形變和磨損，表明該型閥存在結構接觸不合理導致的異常磨耗風險。相比之下，活塞閥“D、E”雖未在本次試驗中做系統壽命測試，但結合長期工程運行經驗，作者認為其在脈沖性能穩定性與機械磨損方面通常更為可靠。

從布袋壽命與系統能耗角度看，Alstom Power提出了一個值得關注的觀點：高能量、快速動作的脈沖清灰并不必然縮短濾袋壽命。相反，如果噴吹系統設計合理，能夠在10 ms級別內迅速建立起足夠高的袋內壓力峰值，并在袋體由凹到凸的快速變形過程中完成粉塵餅剝離，就可以在較小拉伸應變下完成有效清灰，減少布袋與籠骨間的摩擦與折彎疲勞，從而延長濾袋使用壽命。而如果脈沖氣量不足或關閉過程拖沓，當袋內壓力下降到低于過濾壓差時，布袋快速回落撞擊籠骨，清灰力反而轉化為對濾料的反向沖擊與磨損。在這一點上，脈沖閥的流量能力、開啟/關閉響應速度及結構設計，對HRFF系統的長期穩定運行至關重要。

對國內正在推進超低排放改造、從靜電除塵器向布袋除塵或袋電組合技術轉型的業主與設計單位而言，本研究釋放出幾條重要信號：其一，在高比濾速、大容量布袋除塵器上，活塞式脈沖閥因其更高的有效脈沖壓力和對工況波動更強的適應性，仍具有明顯優勢，尤其適合燃煤電廠、垃圾焚燒、鋼鐵燒結等工況波動大的應用場景；其二，即便選用膜片閥，也應清楚認識到不同品牌、不同結構型式之間在“可帶袋數”與壽命上的巨大差異，不能簡單等同對待；其三，工程設計中應回到“袋內實際脈沖壓力”這一本質指標，而不是僅憑管路壓力和名義口徑做經驗放大。

從更廣泛的工業煙氣治理視角看，這類基于全尺度試驗的脈沖閥評估研究，對靜電除塵器與布袋除塵器的一體化系統配置也具有參考意義。包括壓縮空氣站容量、主管網壓力等級、閥組分區控制策略，乃至與上游ESP極板振打節奏的協調，都需要以真實的清灰壓力需求與閥門性能為依據，而不是停留在經驗估計。隨著超低排放與能效雙重約束日益嚴格，這類看似“細節”的脈沖閥選型與驗證，將越來越成為布袋除塵及袋電組合系統工程成敗的關鍵技術點之一。

參考文獻
[1] Hjelmberg A, Fredriksson M, Wieslander P. Evaluation of FF Pulse Cleaning Valves[C]//Proceedings of the International Conference of the International Society for Electrostatic Precipitation (ISESP). V?xj?, Sweden: Alstom Power Sweden AB & Alstom Power Italy SpA, year unknown.
[2] L?ffler F, Dietrich W, Flatt W. Dust collection with bag filters and envelope filters[M]. Publisher unknown, year unknown.

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