新型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣防霜系統(tǒng)研制及應(yīng)用

Development and Application of the New Type of Anti-frosting System

for Air Intake of Gas Turbine

李　斌1　趙磊1　馬龍龍2　張　媛3

(中國(guó)石油西部管道塔里木輸油氣分公司1，新疆 庫(kù)爾勒　841000；

中國(guó)科學(xué)院軟件研究所2，北京　100190；山西省電力公司3，山西 太原　030001)

新型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣防霜系統(tǒng)研制及應(yīng)用

Development and Application of the New Type of Anti-frosting System

for Air Intake of Gas Turbine

李斌1趙磊1馬龍龍2張媛3

(中國(guó)石油西部管道塔里木輸油氣分公司1，新疆 庫(kù)爾勒841000；

中國(guó)科學(xué)院軟件研究所2，北京100190；山西省電力公司3，山西 太原030001)

摘要：近年來(lái),我國(guó)天然氣管道迅速發(fā)展，PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)獲得廣泛應(yīng)用。這類(lèi)機(jī)組冬季運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)會(huì)發(fā)生不同程度的結(jié)霜現(xiàn)象，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。由于存在設(shè)計(jì)缺陷，制造商自帶的防霜裝置不能完全解決結(jié)霜問(wèn)題。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了深入研究，通過(guò)分析壓降、相對(duì)濕度對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響，自主設(shè)計(jì)研制了抽氣式進(jìn)氣加熱裝置，消除了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)霜現(xiàn)象。結(jié)果表明，該裝置操作界面友好，抽氣量小于2%，功率損失小于7%，取得了良好的應(yīng)用效果。研究成果具有廣闊的推廣價(jià)值。

第一作者李斌(1983-)，男，2006年畢業(yè)于西安交通大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行維護(hù)工作。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜相對(duì)濕度過(guò)濾器加熱裝置

Abstract：In recent years, the natural gas pipelines have been developed rapidly in our country, the PGT25+ gas turbines have been widely applied. In winter, varying degrees of frosting phenomena may occur in the air intake system of such unit, and seriously affecting the safety operation of gas turbine. Due to the design defects, the anti-frost device provided by manufacturer is unable to fully solve the problem. Depth research of the thermodynamic processes of frosting of intake system in gas turbine is conducted, through analyzing the influences of temperature drop, relative humidity to the frosting process; the suction-type intake air heating system is designed to eliminate the frosting phenomena. The results indicate that the device is equipped with operation friendly interface, the suction capacity is less than 2%; power loss is less than 7%, it possesses excellent applicable effect, and the achievement of research is worth to be popularized.

Keywords：Gas turbineAir intake systemFrostingRelative humidityFilterHeating device

0引言

近年來(lái)，隨著西氣東輸二線、中亞管道、陜京三線等大型天然氣管道的建設(shè)運(yùn)行，作為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)獲得廣泛應(yīng)用，GE、RR和Solar是主要供應(yīng)商，其中PGT25+和RB211兩款改進(jìn)型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于30 MW功率機(jī)組[1]。這類(lèi)機(jī)組冬季運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)會(huì)發(fā)生不同程度的結(jié)霜現(xiàn)象，直接引起燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失增加，導(dǎo)致機(jī)組報(bào)警停機(jī)。嚴(yán)重時(shí)，引起壓氣機(jī)喘振，甚至由于冰塊吸入，造成壓氣機(jī)葉片斷裂等惡性事故。

由于空氣在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中流速急劇增加，部分熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而導(dǎo)致空氣溫度降低。當(dāng)溫降降至當(dāng)?shù)卮髿鈼l件發(fā)生“凝華結(jié)冰”所需要的溫降時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象。生產(chǎn)實(shí)踐證明，燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家自帶的防霜裝置在設(shè)計(jì)方面存在缺陷。該防霜裝置將高溫高壓空氣引入到進(jìn)氣消音器前，由于濾芯在加熱部位前面，因此不能完全解決過(guò)濾器濾芯表面的防霜問(wèn)題[2]。本文在深入研究燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜熱力學(xué)過(guò)程，以及分析壓降、相對(duì)濕度等影響因素的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)研制了抽氣式進(jìn)氣加熱裝置，消除了燃?xì)廨啓C(jī)過(guò)濾器、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處的結(jié)霜現(xiàn)象。加熱裝置操作界面友好，抽氣量小于2%，功率損失小于7%，取得了良好的應(yīng)用效果[1-2]。

1燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜狀況分析

1.1　結(jié)霜過(guò)程熱力學(xué)分析

PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖如圖1所示。圖1中，A為阻擋式空氣過(guò)濾器組件，即濾芯；B為空氣過(guò)濾器箱體及過(guò)渡段；C為進(jìn)氣消音器；D為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉。根據(jù)熱流體流動(dòng)相似原則[3-4]，圖1可簡(jiǎn)化為如圖2所示的空氣流動(dòng)等效圖，其中I段為空氣過(guò)濾器外側(cè)，Ⅱ段為過(guò)濾器濾芯內(nèi)外側(cè)交接處，Ⅲ段為過(guò)濾器箱體及過(guò)渡段，Ⅳ段為進(jìn)氣消音器出口處，Ⅴ段為進(jìn)氣喇叭口穩(wěn)流段，Ⅵ段為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉處。

圖1　PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖

圖2　空氣流動(dòng)等效圖

空氣在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的速度較快，在進(jìn)氣道停留的時(shí)間很短，幾乎與周?chē)臻g無(wú)能量交換，因此燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)可視為開(kāi)式、絕熱、穩(wěn)定流動(dòng)的熱力系統(tǒng)。由熱力學(xué)第一定律可得簡(jiǎn)化的系統(tǒng)能量方程[5]：

(1)

氣流在流經(jīng)過(guò)濾器和消音器時(shí)，流道截面積逐漸減小，可近似與噴管等效。對(duì)于理想氣體絕熱可逆流動(dòng)，過(guò)濾器和消音器出口速度與壓力滿(mǎn)足方程：

(2)

(3)

式中：v0、v1、v2、v3、v4、v5分別為空氣在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段處的流速，m/s，其中過(guò)濾器入口空氣流速v0較小，可忽略不計(jì)；T0、T1、T2、T3、T4、T5為空氣在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段處的溫度，℃；CP為空氣比熱，J/(kg·℃)；K為空氣絕熱指數(shù)，取值1.4；R為氣體常數(shù)，取值8.314J/(mol·K)。

由式(1)～式(3)即可確定進(jìn)氣系統(tǒng)空氣流動(dòng)各截面狀態(tài)參數(shù)。

1.2　計(jì)算示例

為了確定燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)過(guò)濾器、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處的結(jié)霜狀況，隨機(jī)選取了PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)某運(yùn)行工況參數(shù)。

① 測(cè)試截面Ⅰ處空氣條件，P0=91kPa，T0=-7 ℃，空氣相對(duì)濕度φa=95%；

② 消音器截面Ⅲ處測(cè)試空氣壓力和流速，P2=90.31kPa，v2=-6m/s；

③ 進(jìn)氣喇叭口截面Ⅴ處測(cè)試空氣壓力，P4=89.9kPa；

④ 進(jìn)口導(dǎo)葉處界面Ⅵ處測(cè)試空氣流速，v5=113m/s。

聯(lián)立式(1)～式(3)可得到T1=-7.33 ℃；T3=-7.59 ℃；T5=-13.4 ℃，即相對(duì)環(huán)境溫度，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)濾芯部位溫降為0.33K，消音器部位溫降為0.26K，進(jìn)口導(dǎo)葉部位溫降為5.81K。

1.3　壓降對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響

以孔雀河壓氣站GEPGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)為例。過(guò)濾器壓降一般控制在700Pa以?xún)?nèi)，研究了不同環(huán)境溫度下過(guò)濾器出口溫度降低幅度與過(guò)濾器壓降的關(guān)系，如表1所示。當(dāng)?shù)貧庀髼l件一般為大氣壓P0=89.04kPa，空氣相對(duì)濕度φa=95%。

表1　過(guò)濾器壓降與溫降的關(guān)系

消音器壓降一般約為400 Pa，根據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算可得空氣流經(jīng)消音器的溫降不超過(guò)0.34 K。因此，空氣在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中的溫降不超過(guò)1.2 K。實(shí)際由于氣流存在摩擦導(dǎo)致能量損耗，特別是氣流經(jīng)過(guò)消音器時(shí)，流道面積急劇減小而產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)和渦流現(xiàn)象，氣體部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為熱能被氣流吸收，因此進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)際溫降可能會(huì)小于上述計(jì)算結(jié)果。根據(jù)孔雀河壓氣站燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，通常燃?xì)廨啓C(jī)濾芯內(nèi)外表面溫降(即T1)在0.4～0.8 K，消音器出口溫度(即T3)比環(huán)境溫度低0.5～1 K，這與本文計(jì)算結(jié)果基本相符[3-5]。

1.4　相對(duì)濕度對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響

新疆地區(qū)秋冬季晝夜溫差大，大氣相對(duì)濕度變化也較大，例如霧天相對(duì)濕度可達(dá)95%以上，甚至達(dá)到飽和。實(shí)際情況是大氣溫度和相對(duì)濕度同時(shí)變化，由濕空氣性質(zhì)可知[6]，空氣相對(duì)濕度愈接近飽和，大氣溫度和露點(diǎn)溫度愈接近，當(dāng)大氣相對(duì)濕度達(dá)到飽和時(shí)，二者相等?？兹负訅簹庹径镜湫蜌庀髤?shù)下對(duì)應(yīng)的結(jié)霜溫降幅度如表2所示。

表2　某壓氣站冬季結(jié)霜溫降幅度

根據(jù)表2可以看出，結(jié)霜溫降幅度與相對(duì)濕度密切相關(guān)，例如大氣溫度-5 ℃，相對(duì)濕度由90%提高至100%，結(jié)霜溫降幅度由1.38 K減少至0。根據(jù)1.3節(jié)分析可知，氣流經(jīng)過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)存在0.4～1.2 K的溫降，正是該溫降使得接近飽和的大氣發(fā)生結(jié)霜，因此節(jié)流降溫是結(jié)霜形成的內(nèi)因，而大氣相對(duì)濕度的提高是結(jié)霜形成的外因。

此外大氣相對(duì)濕度減少至60%~70%，所需結(jié)霜溫降幅度較大，例如大氣溫度-7 ℃、相對(duì)濕度60%所需的結(jié)霜溫降為6.45 K，大于計(jì)算結(jié)果中進(jìn)口導(dǎo)葉處溫降5.81 K。因此，如果大氣相對(duì)濕度較低，進(jìn)口導(dǎo)葉處不宜結(jié)霜；如果相對(duì)濕度較高，由于進(jìn)口導(dǎo)葉處溫降相對(duì)過(guò)濾器和消音器大得多，結(jié)霜程度更為嚴(yán)重。

1.5　結(jié)霜過(guò)程其他影響因素

上述分析是假定氣流均勻穩(wěn)定，實(shí)際流場(chǎng)是不均勻的，速度大的部位結(jié)霜溫降也大，即首先結(jié)霜堵塞的位置，隨后速度低的位置開(kāi)始增速，也開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)霜堵塞，從而造成惡性循環(huán)，最終造成整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)堵塞。目前，燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的過(guò)濾器濾芯多采用木質(zhì)纖維，平均孔徑2～5 μm，空氣相對(duì)濕度較大時(shí)，木質(zhì)纖維會(huì)受潮膨脹，造成濾芯阻力增加，氣道溫降增加，這也是過(guò)濾器結(jié)霜的原因[7]。

2燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱裝置設(shè)計(jì)

綜上所述，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜的直接因素是空氣濕度接近飽和點(diǎn)，間接因素是空氣過(guò)濾器、消音器和進(jìn)氣導(dǎo)葉處的空氣流速增加造成溫降。其中，相對(duì)濕度是結(jié)霜形成的關(guān)鍵因素。解決方法是在一定大氣溫度和相對(duì)濕度條件下，在進(jìn)氣過(guò)濾器前配置加熱進(jìn)氣用的加熱裝置。

2.1　加熱位置確定

確定加熱位置應(yīng)綜合考慮加熱裝置復(fù)雜性、可操作性以及加熱量等因素。在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器前的空氣進(jìn)行加熱，適當(dāng)提高空氣相對(duì)濕度，便可同時(shí)避免濾芯、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處的結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象。加熱系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行性能影響小。

2.2　加熱溫度(加熱量)

根據(jù)1.2節(jié)計(jì)算結(jié)果，空氣在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中的溫降不超過(guò)1.2 K，實(shí)際由于流場(chǎng)不均勻性，某點(diǎn)處溫降可能會(huì)大于該值。考慮加熱裝置熱效率和安全余量，空氣加熱裝置按照空氣溫升5.6 K加以計(jì)算。

2.3　加熱裝置對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響

孔雀河壓氣站加熱裝置通過(guò)抽取一部分壓縮機(jī)高溫高壓空氣對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣進(jìn)行加熱，這種方式會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)功率和熱效率損失。表3給出了不同大氣溫度和相對(duì)濕度下加熱裝置的抽氣量和燃?xì)廨啓C(jī)功率損失。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)空氣相對(duì)濕度低于90%，不需啟動(dòng)加熱裝置，最大抽氣量為1.55 kg/s時(shí),占?jí)簹鈾C(jī)總氣量的1.96%(小于2%)，所造成的功率損失在7.7%以?xún)?nèi)，因此對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)載能力影響較小[7-8]。

表3　加熱裝置抽氣量和燃?xì)廨啓C(jī)功率損失

2.4　加熱裝置控制要求

抽氣加熱法控制原理圖如圖3所示。控制裝置由觸摸屏、PLC、控制箱、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表等組成，可以實(shí)現(xiàn)防冰防霜裝置的手動(dòng)操作、自動(dòng)操作和無(wú)人值守。

圖3　抽氣加熱法控制原理圖

為了避免抽氣過(guò)程對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行造成干擾，抽氣加熱裝置啟動(dòng)程序如下。

① 確認(rèn)燃?xì)廨啓C(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，并且環(huán)境溫度介于-9.4～4.4℃、相對(duì)濕度大于90%時(shí)，電動(dòng)閥自動(dòng)打開(kāi)，抽氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在0～100%區(qū)間內(nèi)緩慢調(diào)節(jié)，逐步加大抽氣量。

② 調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟后，進(jìn)氣空氣溫度升高5.6 K時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)穩(wěn)定在一定開(kāi)度。

③ 若環(huán)境溫度高于4.4 ℃或低于-9.4 ℃，調(diào)節(jié)閥緩慢關(guān)閉，再關(guān)閉電動(dòng)閥。

由于抽氣溫度、壓力較高(350～427 ℃，1.3～2.01 MPa)，為了避免高溫高壓氣體噴出對(duì)過(guò)濾器濾芯造成破壞性影響，應(yīng)通過(guò)減壓閥減壓降溫，并通過(guò)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，將適量高溫氣體噴射混合至空氣過(guò)濾器濾芯的周?chē)?。注意不能直接噴射到濾芯表面，應(yīng)對(duì)噴口位置和方向進(jìn)行合理布置，保證濾芯表面溫度不超過(guò)80 ℃。

3燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱裝置實(shí)施效果

孔雀河站2#燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱裝置自2010年投入運(yùn)行以來(lái)，主要取得以下改進(jìn)實(shí)施效果。

① 燃?xì)廨啓C(jī)冬季正常、平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)氣系統(tǒng)(過(guò)濾器、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處)基本無(wú)結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象。

② 進(jìn)氣系統(tǒng)改造后能夠保證原脈沖自潔式空氣過(guò)濾器正常工作，不影響其正常維護(hù)、維修，不損壞高效濾芯。

③ 抽氣加熱裝置可實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”或“手動(dòng)”工作，抽氣量小于2%，功率損失小于7%。

④ 工程造價(jià)低，抽氣式加熱裝置不超過(guò)30萬(wàn)元，與GE公司目前應(yīng)用的三種防霜設(shè)計(jì)方案相比(西氣東輸一線管道抽氣加熱法、中亞管道余熱利用法和河南利源蒸汽/換熱加熱法)，造價(jià)費(fèi)用約減少10萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4結(jié)束語(yǔ)

截至2011年底，我國(guó)天然氣管道壓縮機(jī)近200臺(tái)，總裝機(jī)功率達(dá)4 335 MW，其中燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)組146臺(tái)，總功率已達(dá)3 549 MW。未來(lái)10年，我國(guó)長(zhǎng)輸天然氣管道將以每年6 000 km增速進(jìn)行建設(shè)。預(yù)計(jì)到2015年我國(guó)管道燃?xì)廨啓C(jī)保有量將超過(guò)200臺(tái)，裝機(jī)容量超過(guò)5 000 MW[8]，因此本項(xiàng)目的研究成果具有廣闊的應(yīng)用推廣價(jià)值，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)制造商提高設(shè)備質(zhì)量也具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐鐵軍.俄羅斯燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)天然氣管道行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2012，25(1)：12-16.

[2] 周青，崔汝?yáng)|.Titan130索拉燃?xì)鈾C(jī)組空氣預(yù)處理裝置改造[J].電工技術(shù)，2006(11)：9-10.

[3] 楊建國(guó)，張兆營(yíng)，鞠曉麗.工程流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

[4] 靳智平.熱能動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[5] 馬立軍.淺談燃機(jī)進(jìn)氣口結(jié)冰原理及防冰措施[J].工業(yè)技術(shù)，2013(3)：131-132.

[6] 陳仁貴，陶月.燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜分析及對(duì)策[J].熱能動(dòng)力工程，2005，20(6)：647-649.

[7] 張炯偉.淺談自清式空氣濾清器的結(jié)霜問(wèn)題[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，1990，19(4)：35-37.

[8] 馬偉平，張曉明，劉士超.中俄油氣管道運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)差異分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32(4)：411-415.

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文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501011

修改稿收到日期：2014-07-12。