燃氣輪機進氣系統防霧霾技術研究應用

引 言

某燃氣冷、熱、電三聯供電廠所在地為北京市昌平區。近年來，該地區每年清明節前后沙塵暴較嚴重，4、5月份空氣中柳絮含量極高，秋冬季長期為霧霾天，空氣含塵量高。環境大氣作為燃氣輪機的工質，影響著燃氣輪機的安全與經濟運行，會使燃氣輪機進氣系統過濾器壓差快速升高，降低燃氣輪機的效率與功率，造成機組被迫下調負荷或停機[1,2]。對燃機進氣系統過濾器進行改造，使燃機在惡劣氣候條件下能夠正常運行是十分必要的，否則，既影響燃機安全、經濟、穩定運行，又影響供冷供熱。

1 燃氣輪機進氣過濾系統介紹

某廠燃氣聯合循環發電機組為1套300MW級燃氣－蒸汽聯合循環抽汽供熱發電機組，配置1臺燃氣輪機、1臺余熱鍋爐、1臺蒸汽輪機以及2臺發電機，布置類型為多軸布置。燃氣輪機型號為SGT5-2000E（V94.2），最大發電出力168MW（采用德國西門子公司的技術，由上海汽輪機廠制造）。按照西門子公司9E級燃氣輪機典型布置，其燃氣輪機進氣系統布置在燃氣輪機發電機房屋頂，其作用是過濾空氣中塵土、初步分離空氣中液滴，并將過濾后的潔凈空氣供應至燃氣輪機壓氣機，以維持燃氣輪機的正常、穩定運行[3]。該套進氣系統由上海華強公司設計制造，進氣過濾系統設計為2級，第1級為防凍倉，從外到內依次為風雨防護罩、防柳絮網、防冰凍系統和折板除霧器；第2級為過濾器倉，含粗濾層和精濾層，其中粗濾為聚結式玻璃纖維材料，過濾等級為：G3/G4（EN779；2012），共504塊；精濾為1個圓柱筒和1個圓錐筒組裝式濾芯，過濾等級為：F9（EN779；2012），共616套；精濾帶脈沖反吹自清潔系統可實現自動控制與手動控制。

2 問題研究分析

圖1 燃機進氣系統粗濾網構造

圖2 燃機進氣系統粗濾網構造

圖3 黏附了灰塵的精濾筒

1號燃氣輪發電機組自2014年7月初完成96小時滿負荷試運行，轉生產后一直運行到9月初機組停備，燃機進氣系統F9級精過濾器從最初的180Pa初始壓差逐漸升至510Pa。運行期間進行了階段性反吹，效果不明顯。9月底再次啟動，機組達到滿負荷后，精過濾器壓差在大氣濕度為75%時達到570Pa，濕度為98%時達到890Pa。在此期間，對G3級粗濾網進行更換，由于空氣質量差，平均20多天更換一次粗濾網。同北京類似電廠的精過濾器使用情況進行比較，精過濾器壓差上升速度較快，粗濾網更換頻率高，且在精濾筒進行脈沖反吹時，整個進氣系統會有一定的振動，部分濾網會脫離安裝位置，造成進氣短路，無法過濾空氣。經過檢查發現，進氣過濾系統粗濾網的內部吸附有大量的灰塵并在表面形成板結，從而導致粗濾壓差高并超過最大允許值；精濾筒的表面也有較大顆粒的灰塵，其黏附在精濾筒紙質材料表面，個別的精濾筒表面還有粗濾的玻璃纖維殘留。以上表明燃氣輪機進氣系統設計存在問題，無法適應北京霧霾、風沙、雨雪等惡劣環境，機組運行的經濟性有待提高。具體作如下分析：

2.1 進氣系統粗濾網設計不合理

燃氣輪機對進氣中所含的污染物濃度及顆粒物粒徑要求嚴格[4]。濾網作為燃氣輪機進氣系統的重要組成部分，負責給壓氣機提供過濾的清潔的空氣，以滿足燃氣輪機運行要求，在整個機組中起著至關重要的作用[5]。燃機進氣系統粗濾網構造分為可拆卸部分與不可拆卸部分?？刹鹦恫考ǎ耗凼讲ＡЮw維、不銹鋼絲夾持網，不銹鋼壓緊網。不可拆卸部件包括：固定網、固定不銹鋼框架（見圖1、圖2）。安裝時，首先將凝聚式玻璃纖維塊裝入不銹鋼絲夾持網，然后將夾有玻璃纖維塊的不銹鋼絲夾持網裝入不銹鋼框架里并壓緊鉤釘固定到網上，最后裝上壓緊網。粗濾網靠不銹鋼絲夾持網及不銹鋼壓緊網的彈性變形卡在固定不銹鋼框架內。為防止粗濾網在運行中脫離安裝位置，造成進氣短路，需將固定網上的鉤釘折彎，鉤住壓緊網。拆卸工作為上述逆過程。

該結構存在以下缺點：一是機組長期運行時，凝聚式玻璃纖維需不斷進行更換。固定網上的鉤釘也需不斷進行折彎、扳直操作。反復操作，金屬鉤釘易斷裂；二是粗濾網與固定框架之間的間隙在反吹過程中會有變大的可能性。更換粗濾網時，氣流會將粗濾中灰塵吹向精濾筒，污染精濾筒。更換后的粗濾不能完全杜絕氣流短路的現象發生，仍會有未經過濾的空氣流向精濾筒，直接影響精過濾筒的壽命；三是整個安裝與拆卸操作過于復雜，更換粗濾網工作量大，作業人員如防護不當，極易將灰塵吸入身體，造成人身傷害。

2.2 北京空氣濕度在早晚時較大，最大可達到98%。因空氣過濾器在空氣濕度較大情況下的工作性能與空氣干燥時有較大區別，所以精過濾筒的壓差對濕度比較敏感[6]。空氣干燥時，經G3/G4級粗濾過濾后的小粒徑灰塵隨著機組的運行會吸附在精濾筒濾紙表面，但通過脈沖反吹，可將其從濾筒表面吹離，實現一定的反吹效果。但空氣濕度較大時，小粒徑灰塵會與空氣中水汽混合，黏附在精濾筒濾紙表面（見圖3），此時脈沖反吹不易將其吹落，無法實現預期效果。長期運行，精過濾筒表面的灰塵會不斷累積，進而導致壓差過快升高。

2.3 燃機進氣系統原設計為粗效過濾器G3與高中效過濾器F9組合。兩者的精度等級相差較大，不是最優的過濾方案。

3 進氣過濾系統優化方案及應用

3.1 進氣系統優化與應用的基礎條件為：

3.1.1 降低燃機進氣系統總壓差上升速度，提高機組運行效率。

3.1.2 在燃機不停機、不降低負荷的情況下，快捷、方便地在線更換，降低維護工作量及成本。

3.1.3 精過濾筒的造價及更換費用高，需對其進行有效保護，以延長使用壽命。

3.1.4 機組進氣過濾系統的框架結構已經定型，機組檢修期時間短，必須根據現有結構進行改造。

根據分析的原因，結合現場實際情況，增加一層M5級中效過濾器。將原設計：粗效過濾器G3+高中效過濾器F9，優化為：粗效過濾器G3+中效過濾器M5+高中效過濾器F9。具體論述如下：

3.2 原有粗效過濾器G3布置在進氣系統的過濾器倉內，緊貼在折板除霧器后安裝。優化方案將其布置于防凍倉內，在折板除霧器前安裝。使用不銹鋼網格將G3凝聚式玻璃纖維氈固定在進氣系統折板除霧器前的模架上。單塊面積是原先的2倍多，數量由原先的504塊變為224塊。日常更換時僅需將舊的凝聚式玻璃纖維氈卷起即可拆除，將新的凝聚式玻璃纖維氈卷成柱狀，展開端先與固定框一側對齊，然后逐步展開使其填充在固定框內即可完成安裝，大大的減少了更換工作量。同時，在固定框架設有防水槽，下雨天及空氣濕度較大時，凝聚的水可以通過防水槽流入折板除霧器的排污管中排走。經優化的G3級粗濾網見圖4。

3.3 在原有粗效過濾器G3的位置處布置中效過濾器M5。該級過濾器可選方案為：

3.3.1 采用折疊式框架結構，將2000mm×560mm×50mm固定框骨架固定在1個不銹鋼框架內，進風過濾面積約為單片粗濾的3倍，在實驗臺進行風阻測試，初始壓差僅為90Pa，單個粗濾框的容塵量約為單片粗濾的2倍，延長了粗濾的更換周期。

3.3.2 采用鋁合金外框的玻纖袋式過濾器525mm×560mm×400mm-80(長m，80-數量)，其通風過濾面積為單片粗濾的10倍以上，在實驗臺進行風阻測試，初始壓差僅為50Pa，其更換周期更長。綜合比較兩種方案，后者更優。中效過濾器的固定采用導槽形式，即在現在結構的基礎上焊接不銹鋼導槽，導槽與原結構間的縫隙用密封膠密封，玻纖袋式過濾器的鋁合金外框與導槽間用PE密封條密封。該方式可有效的防止空氣流短路，防止未經過濾的空氣流向精濾，對精濾筒起到可靠的保護。由于是導槽結構，更換時僅需將鋁合金外框滑進滑出即可，減少了更換的工作量。經優化的M5級鋁合金外框的玻璃纖維袋式過濾器見圖5。

圖4 經優化的G3級粗濾網

3.3.3 將增加的一層M5級袋式粗濾布置于折板除霧器后面，遇到霧霾、雨雪、潮濕天氣時，前面的G3級粗濾及折板除霧器會過濾掉大部分的水汽與灰塵，對其產生很好的保護作用，從而提高其使用壽命。

3.3.4 優化后的G3級粗濾是進氣系統的第一級過濾，因此更換頻率較高。在線更換時，只需將其卷起即可拆除，操作過程中僅有極少量灰塵被吹落。被吹落的灰塵會被后面的M5級袋式濾網過濾，從而完全杜絕了更換粗濾時對精濾筒造成污染。更換G3級粗濾時，操作人員在氣流的上方，從而也從根源上杜絕了更換粗濾時，灰塵對操作人員的身體傷害。

3.3.5 優化后的燃機進氣系統的總壓差較優化之前會增加一個M5級袋式濾網產生的初始壓差50Pa，僅占進氣過濾系統壓差報警值1.3KPa的3.8%。由于優化改造過濾系統可以有效地保護精濾筒，提高精濾筒的壽命，從而降低了進氣系統總壓差的上升速率，使燃機能較長時間的在低進氣壓差的階段運行，提高了機組的效率。

4 經濟效益分析

一套F9級精過濾筒的價格約為180萬元，一套M5級袋式濾網的價格約為11萬元，整個優化改造的費用為30萬元。

4.1 按延長精過濾筒壽命的1/3計算，可得收益為180萬元1/3=60萬元，如在壽命延長后的整個精濾筒壽命期內更換4套M5級袋式濾網，費用為11萬元×4=44萬元，收益為60萬元-44萬元=16萬元。

圖5 經優化的M5級鋁合金外框的玻璃纖維袋式過濾器

4.2 減少更換濾網的工作量。優化前，更換一次504塊G3級粗濾網的工作量約為50人工日，優化改造后更換一次224塊G3級粗濾網的工作量約為15人工日。機組年發電時間按300天計算，G3級粗濾網的更換周期按20天計算，年更換次數為15次。人工費按0.04萬元/人＊天。則可節約人工費：（50天-15天）×0.04萬元×15次=21萬元。

4.3 優化改造后，進氣系統總平均壓差按降低400Pa計算。根據燃機進氣系統壓差與效率曲線，壓差與發電系數為線性關系?，F取兩點讀數：壓差為400Pa時發電系數為0.994；當壓差為800Pa時發電系數為0.988，即400Pa的壓差會導致發電系數變化0.006。按機組年發電量6.1億千瓦時，每度電價0.8元計算，可提高年經濟效益：610000000千瓦×（0.994-0.988）×0.8元×10-4=292.8萬元

優化改造后的第一年的凈收益為：16萬元+21萬元+292.8萬元-30萬元=299.8萬元。

5 結 語

優化改造燃氣輪機進氣過濾系統，能夠有效延緩進氣系統總壓差上升時間，減少粗濾網更換、維護工作量，避免了更換時對作業人員的身體傷害；能夠保護精濾筒，延長其使用壽命；可以增強機組對霧霾、風沙、雨雪、柳絮等惡劣天氣的適應力，改善機組運行的安全性和穩定性；還可以提高燃氣發電機組發電效率因數，增加機組經濟效益，值得國內同類型機組進氣系統的優化改造借鑒與參考。

[1]陳大兵.燃氣輪機自清式過濾系統的運行和維護[J].燃氣輪機技術,2014,27(2):58-61.

[2]陳堅紅,程元,盛德仁,等.燃氣輪機濾網更換周期優化決策模型研究[J].中國電機工程學報,34(20):3302-3307.

[3]謝亞軍.燃氣輪機進氣過濾系統的改造[J].2013,35(7):64-65.

[4]宋子義.進氣清潔度對燃氣輪機影響分析[J].設備管理與維修,2007,12:16-17.

[5]徐楊鋒.燃氣輪機壓氣機濾網壓差高的原因及對策[J].中國新技術新產品,2014,23:80.

[6]BrekkeO.Performancedeteri orationofintakeairfiltersforgasturbine sinoffshoreinstallations[C].Proceedin gsoftheASMETurboExpo,Glasgow,UK,2010:685-694.