燃氣輪機運行中在線水洗及其效果分析

王云會

摘 要：針對燃機輪機運行期間由于壓氣機葉片結垢導致短時間內壓氣機的壓縮比和效率出現比較明顯下降的現象，本文介紹了SGT5-4000F（+）型燃氣輪機的在線水洗過程，并通過電廠實際運行中的案例，分析了燃機在水洗前后的參數變化情況，論證了在線水洗可以提高燃氣輪機的運行效率。最后，總結了在線水洗過程中需要注意的一些問題。

關鍵詞：燃氣輪機； 在線水洗； 燃機效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.067

1 概述

燃氣輪機較長時間連續工作以后，其進氣系統吸入的空氣，雖然經過逐層過濾，但微量塵埃會導致壓氣機通流部分逐漸出現積垢或積鹽；燃氣輪機在大氣污染相對嚴重的環境之中運行，由于吸入的空氣過濾不完全，短時間內可能導致壓氣機的壓縮比和效率出現比較明顯的下降，輪機葉片也因積鹽而逐漸出現腐蝕現象。為解決上述問題，本廠為每臺燃氣輪機配置了一套SX-S-7.2/0.6G型壓氣機清洗裝置，能夠對燃氣輪機的壓氣機進行清洗，以保證壓氣機的壓縮比能夠維持在一個合理的區間，確保燃氣輪機的工作效率。

本文通過電廠實際運行中的壓氣機在線水洗前后的參數進行比較和分析，為該機型的壓氣機在線水洗工作積累了經驗，為進一步改善該機型的運行條件提出了建議。

2 壓氣機結構與在線水洗

2.1 壓氣機結構

本廠使用的燃氣輪機為上海電氣-西門子重型單缸SGT5-4000F（+）型，壓氣機和透平用同軸連接，適合驅動發電機在基本負荷和尖峰負荷下運行，可以用于聯合循環。

SGT5-4000F（+）型燃氣輪機壓氣機由15級組成，每一級又分為動葉和靜葉，壓比約為17。壓氣機進氣導流葉片的角度可由0°至45°變化，這樣可以保證機組近半負荷時，排氣溫度非常穩定的，且沒有明顯的效率損失。

燃機疏水系統是將壓氣機水洗時積聚的溶液排出燃氣輪機。為了保證水洗后壓氣機可以迅速排出液體，在特定位置安裝了輸水管路：壓氣機0級、壓氣機第9級、壓氣機第13級、壓氣機出口和壓氣機抽汽環腔。且在透平特定級和防喘放氣管路和冷卻空氣管路的最低處也配置了疏水管路來排出清洗液。這14根疏水管路都連到母管，最終流入一個廢水處理箱。各個疏水管路均可以獨自關閉，這樣可以有效地防止交叉流動，每條輸水管都配有一個關斷閥，這些關斷閥必須手動打開來排出清洗液。母管中的溫度由電阻式溫度進行計監測，如果至少一個溫度實測值超過限定值，并且測量和傳輸信號沒有問題，則發出一個預跳機警報信號。如果測量或相關的儀表出現故障，同樣觸發預跳機警報。

2.2 水洗模塊

SX-S-7.2/0.6G型水洗裝置專為西門子燃氣輪機設計制造，整個裝置安裝在底盤上，作為一個獨立模塊，能夠對燃氣輪機的壓氣機進行離線和在線清洗。水洗模塊的系統圖如圖1所示。

主要設備加壓泵和水箱固定在底盤上。水箱中有電動攪拌器，可將除鹽水和清洗劑混合均勻。水箱安裝有液位計顯示水位。水箱側面低位安裝排污球閥。如需添加除鹽水可打開手動門，如需添加清洗劑可通過水箱頂部注入。水箱內裝有電加熱器，在環境溫度<8℃時，該加熱器先將溶液加熱到一定溫度后再進行水洗，控制箱有溫度顯示儀表指示水箱內的水溫。

加壓泵用于給清洗液升壓，并將其輸送至壓氣機進氣室內的霧化噴嘴或射流噴嘴。泵出口裝有球閥和壓力表。加壓泵出口連接電磁閥，再通過一道濾網，最終連接至壓氣機進氣室處，通過離線噴嘴或者在線噴嘴將液體輸入壓氣機。加壓泵出口管道上安裝一塊壓力表。加壓泵出口另有一路再循環管路返回至水箱，管路上安裝有球閥，利用加壓泵及該在循環管路，一則可將水箱中的除鹽水及清洗劑攪拌均勻，同時也保證加藥泵出口壓力保持在0.7MPa左右，剩余的溶液及時溢流回水箱。

2.3 在線水洗

壓氣機水洗可分為在線水洗和離線水洗，離線水洗在燃機啟動變頻裝置SFC帶動下進行，整個清洗過程長達8～10小時，其中燃機冷機長達6小時。一般情況下離線水洗分四個步驟：準備、清洗、漂洗和干燥。

在線水洗來主要在燃氣輪機全速或者全負荷（部分負荷）的運行狀態下進行。通過進氣喇叭口的噴射環，在適當的溫度下，以一定的壓力和流量將預先配好的清洗液均勻地噴入壓氣機，然后進行清洗。在整個水洗過程中，首先用清洗劑與除鹽水摻混的溶液對壓氣機進行沖洗，然后用除鹽水按照同樣的清洗方式進行漂洗。此過程的水洗效果往往取決于進口處噴入液體霧化顆粒大小，水洗模塊在控制水溫的同時，可以把噴入壓氣機的霧化顆粒大小準確地控制在特定范圍之內，并且可以使噴入的溶液沿圓周均勻分布，以提高水洗效果。

在線水洗可有效的延長離線水洗的間隔以減少停機次數。清洗液為除鹽水或者除鹽水和清洗劑的混合物，清洗過程一般約為5至10分鐘。在線水洗的一般步驟為：

Step1 檢查水洗裝置各設備、儀表、電氣連接是否正常，水箱內清潔無異物，加壓泵出口電磁閥、水箱排污球閥處于關閉狀態；

Step2 通過水箱頂部向水箱內添加適當比例的清洗液。為使得清潔劑充分的溶解，需起動電動攪拌器約3分鐘，使除鹽水與清洗劑混合均勻。也可使用循環管路攪拌約3分鐘，但此過程中應保持加壓泵出口電磁閥關閉、再循環管路閥門打開；

Step3 按要求降低燃機負荷并把IGV調整到相應的位置，其余需調整的運行參數也需滿足水洗要求；

Step4 打開在線水洗噴嘴管路關斷閥，同時保離線水洗噴嘴管路關斷閥、加壓泵出口電磁閥和再循環管路閥門及水箱排污閥關閉；

Step5 將水洗裝置連接至電源上，并通過控制柜上的啟動按鈕啟動加壓泵，觀察加壓泵運行是否正常，觀察加壓泵出口壓力表達到約0.8MPa時打開加壓泵出口電磁閥，并調整再循環管路閥門開度，是加壓泵出口壓力表讀數穩定在0.7MPa左右；

Step6 等所有的清洗液噴射完后關閉加壓泵；

Step7 接著關閉在線水洗噴嘴管路關斷閥、加壓泵出口電磁閥，斷開水洗裝置電源；

Step8 打開水箱排污球閥，排出剩余的清洗液；

Step9 在線水洗過程完成。

3 壓氣機在線水洗運行分析

3.1 壓氣機在線水洗效果的量化分析

眾所周知，燃氣輪機的基本結構分為三部分：壓氣機、燃燒器和透平，因此其整體效率也受到三方面效率的共同作用：壓氣機效率、燃燒效率和透平效率[1]。理論上，一般軸流式壓氣機的性能可以由以下這些參數來描述：空氣流量Ma、壓縮比ε*和等熵壓縮效率ηy*。在轉速恒定（3000轉）的條件下，壓縮比ε*和等熵壓縮效率ηy*隨空氣流量Ma的變化而變化，其函數關系曲線稱為壓氣機特性曲線。具體關系如式（3-1）所示：

式中，p1* 和T1* 分別為進入壓氣機的空氣總壓和總溫，為折合流量，為折合轉速。

由（3-1）式，可以得出如下結論：對于發電燃氣輪機組，在相同大氣溫度下工作，折合流量和折合轉速可基本可以視為恒量。因此，壓縮比ε*和壓氣機效率ηy*有明顯的正比關系。簡單的說，壓縮比越大，壓氣機級數越多，則壓氣機的效率越高。進一步說，在進氣參數恒定的情況下，壓氣機的壓縮比越高，則其工作效率相應也就越高，即燃氣輪機的效率越高。

由以上結論可知，壓氣機水洗后壓氣機出口壓力p2*和壓縮比ε*的增加直觀地反映在燃機負荷和機組總出力的提升上，可以進一步理解為燃機效率提升，直接引起機組天然氣耗率下降。

另外，隨著壓氣機出口壓力p2*的增大，透平所獲得的冷卻空氣壓力相應增大。即在壓氣機進口壓力p1*不增加的情況下，增加了透平葉片的冷卻效果；同時提高了透平運行的穩定性，從而保證了整個聯合循環的效率。

綜上所述，壓氣機長時間運行后進行水洗，可以在不增加壓氣機進口壓力的前提下，一定程度上提升機組負荷；降低燃氣消耗率；使聯合循環的效率有所提升，對電廠運行的經濟性具有顯著意義。

3.2 壓氣機在線水洗效果的實際驗證

本廠裝備3臺SGT5-4000F（+）型燃氣輪機，單臺燃機額定出力300MW。現由運行人員于某月18日（當天環境溫度滿足燃機水洗條件）4時至5時逐個對3臺燃機進行在線水洗，現對水洗前后的燃機負荷與進氣壓力的變化情況進行分析。考慮到機組運行的絕對安全，本組數據采集于燃機運行于60%～70%額定負荷時。

由于燃機并網運行，所以燃機出力基本為定值。此時考慮衡量在線水洗效果的衡量標準，采用壓氣機進口壓力來度量，即在相同的負荷下，如果壓氣機進口壓力p1*較低，說明壓氣機的壓縮比越高，則其工作效率相應也就越高，即燃氣輪機的效率越高。

而壓氣機進口壓力p1*可以通過壓氣機進口可調導葉（IGV）的開度來衡量，IGV開度越小，說明此時壓氣機進口壓力p1*也就越小，達到相同的壓氣機出口壓力p2*的情況下，IGV開度越小，說明燃氣輪機的效率越高。

如圖2所示，#1燃機進行在線水洗的實時參數曲線。圖中，綠色線條描繪了#1燃機的實時有功輸出，單位MW；紅色曲線描繪了壓氣機進口可調導葉（IGV）的實時開度。

圖2中，T1時刻為#1燃機進行在線水洗前穩定運行狀態，其出力為242.9605MW，IGV開度為63.2644%；T2時刻為水洗過程中IGV開度最大值時刻，此時燃機出力為244.8105MW，IGV開度為77.0346%；T3時刻為水洗過程基本結束時刻，此時燃機出力為244.5442MW，IGV開度為62.3146%；T4時刻為水洗過程結束后穩定運行時刻，此時出力為245.3263MW，IGV開度為62.2363%。通過上面的闡述，在燃機出力穩定運行的情況下，比較#1燃機進行在線水洗前運行過程中T1時刻的IGV開度為63.2644%，和#1燃機進行在線水洗后運行過程中T4時刻IGV開度為62.2363%，會發現，T4時刻IGV開度比T1時刻IGV開度有約1%的減小幅度，說明了此時燃氣輪機的效率有了一定幅度的提高。

對#2燃機和#3燃機進行在線水洗前后的參數對比曲線的分析，也會得到類似的結論，不再贅述。表1、表2、表3分別為在線水洗前后，#1、#2、#3號燃機的IGV開度數值與壓比數值的對比情況，圖3、圖4、圖5分別為#1、#2、#3號燃機的IGV開度數值的變化曲線。

4 在線水洗在運行時的注意事項

水洗裝置工作環境的最大環境溫度為55℃。當環境溫度小于8℃時，為了防止結冰，不能直接使用水洗裝置進行水洗。為了解決環境低的問題，可使用加熱器將除鹽水或者混合溶液加熱后至合格溫度后再進行水洗操作。首先將除鹽水和清洗劑加入水箱，并混合攪拌均勻。然后啟動電加熱器并連續加熱80分鐘左右，此時水箱溫度升高8℃左右。在加熱過程中，可同時啟動攪拌器，使溶液受熱均勻。加壓泵運行的同時加熱器無法投運，當水箱內溶液溫度達到25℃時，加熱器會自動停止加熱。

為了保證清洗噴嘴的最佳霧化效果，壓氣機進氣系統接口處應滿足：壓力約6bar，流量大小為7.2m3/h。

在線水洗過程中，為了防止高溫氣體外泄，意外燙傷人員或者損害設備部件，應確保疏水系統的閥門關閉。燃氣輪機的疏水是手動運行的。在對壓氣機離線水洗時積聚的清潔劑必須要排入母管中。為了完成疏水，必須打開疏水管路中的手動關斷閥，在液體排凈以后，再把這些閥門關上。

在線水洗時應將燃機的基本負荷降低3～5%，以確保IGV執行機構在水洗過程中可以實時進行溫度控制。為了降低溶液殘留在葉片上產生腐蝕的風險，在線水洗時IGV應盡可能的打開。

由于在線清洗過程需要的清洗時間短，因此相較于離線水洗其清洗效果不夠顯著，所以機組在啟動前還需要進行必要的離線清洗。在日常維護中，對于連續運行狀態的機組，應以在線清洗為主，同時實時停機進行離線清洗[2]。鑒于在線水洗除污能力有限，在燃機連續運行超過350小時后應進行一次或多次離線水洗。在線水洗可能會導致NOx、CO等排放發生變化。

5 總結

本文介紹了SGT5-4000F（+）型燃氣輪機的在線水洗過程，并通過電廠實際運行中的案例，分析了燃機在水洗前后的參數變化情況，論證了在線水洗可以提高燃氣輪機的運行效率。最后，總結了在線水洗過程中需要注意的一些問題。

最后，針對不同的電廠所處的環境，決定其燃機機組水洗的頻率與種類。電廠運行人員應該根據電廠的日常運行經驗，或者突發事件綜合考慮，適當調整水洗方法和水洗周期。

參考文獻：

[1]熊少軍，宋馨等.V94.3A型燃汽輪機壓氣機離線水洗及其技術[J].河南科技，2015，555（01）：59-61.

[2]李靖.燃氣輪機的清洗原因及其對策淺析[J].價值工程，2015（04）：55-56.