一種具有遠程傳輸功能的空氣過濾器性能對比檢測裝置的研制

蔡曉清， 吳寅琛，陳 劼， 盧桂賢，劉 威， 李 波

(1. 江蘇華電儀征熱電有限公司, 江蘇 揚州 211400；2. 江蘇華電戚墅堰發電有限公司, 江蘇 常州 213011；3. 南京國源電氣有限公司, 南京 210001)

進氣過濾系統對燃氣輪機是必不可少的。隨著燃氣輪機初溫的不斷升高和壓氣機葉片加工精度的提高，燃氣輪機對進氣質量變得越來越敏感，劣質的進口空氣除了導致葉片積垢、腐蝕、沖蝕，堵塞高溫部件的冷卻通道引起熱部件的失效，還極易引起壓氣機偏離設計運行工況，對燃氣輪機的經濟運行和使用壽命產生重大影響。為了最大限度地延緩進氣品質引起的燃氣輪機的性能老化，必須正確選擇進氣過濾系統。

目前，過濾器的選擇均依據試驗室條件中的檢測方法來確定分組及分級。這種實驗室檢測方法，為不同過濾器的性能對比提供了一種共有的基礎條件，具有可重復性。但試驗條件是在特定的流速、顆粒大小、顆粒的類型、濕度、溫度等進行的，檢測的性能結果僅與此條件相關，如果這些條件中的一個因素發生變化，則過濾器將表現出不同的性能。而不同的地區，空氣中所含污染物千差萬別，導致同種組別、級別的過濾器在某地區性能較好，但在另一地區有可能性能表現較差，因此，測試結果并不能作為預測過濾器實際運行性能和使用壽命的依據。

基于以上因素，本文提出了一種新的空氣過濾器的檢測方法，設計和搭建一套新的空氣過濾器性能檢測裝置。該裝置可在過濾器的實際運用環境下進行性能檢測，在全面、客觀地反映空氣過濾器實際運用中的過濾性能的同時，檢測裝置具有操作簡便、無人值守、檢測精度高和檢測結果穩定可靠、且檢測數據可遠方傳輸的優點，為燃氣輪機進氣系統過濾器設計選型提供更可靠的決策依據。

1 空氣過濾器檢測方法的發展狀況

過濾器的檢測標準及方法是隨著過濾器及其他相關檢測技術的進步而逐步發展與演變的。針對一般通風用空氣過濾器和HEPA/ULPA(高效/超低穿透率空氣過濾器)的性能檢測，大體上分為歐洲體系、美國體系和中國體系三類。對于一般通風用空氣過濾器檢測標準有以EN779[1]為代表的歐洲體系，以ASHARE52.2[2]為代表的美國體系，我國的GB/14295[3]基本上是借鑒ASHARE52.2。

歐洲標準化委員會EN779：2012根據計重效率和最低計數效率對空氣過濾器進行分級，根據測試效率將過濾器評定為粗中細三檔9個級別。計數測試采用0.4 μm液態未處理的純凈DEHS (一種用于產生試驗氣溶膠的液體，癸二酸二辛酯，DiEthylHexylSebacate)，或者其他具有相同特性的氣溶膠，最低效率是初始效率、消除靜電效率以及測試過程中的平均效率三者的最低者；計重效率及容塵采用ASHRAE人工塵。

美國標準ASHRAE52.2是根據不同粒徑的KCl(氯化鉀)固態氣溶膠的過濾效率來評定空氣過濾器。其過濾效率分別在過濾器清潔狀態、五次容塵階段進行測量的。KCl固態氣溶膠的粒徑范圍在0.3 μm～10 μm之間，至少應包含12個粒徑段。每個粒徑段六次測量的最小值組成組合最小效率，然后取0.3～1、1～3、3～10 μm三個區間各4個粒徑段的效率平均值，得到了三個組合平均效率，與標準進行比較，對過濾器進行分級。

GB/T—14295分別采用多分散固相氯化鉀粒子氣溶膠和人工塵測試過濾器的計數效率和計重效率，并據此對過濾器進行評定分級。氯化鉀粒子粒徑范圍為 0.3 μm～10 μm，計數效率按大于或等于0.3 μm、大于或等于 0.5 μm、大于或等于 1.0 μm 和大于或等于2.0 μm四個粒徑檔進行測試，根據大于或等于 0.5 μm、大于或等于2.0 μm兩個粒徑檔下的計數效率進行分級；計數效率低于2.0 μm粒徑檔的，采用人工塵按計重效率分級。

2 性能對比檢測裝置的設計

2.1 檢測對象、目的

檢測對象：基于燃氣輪機進氣系統2級過濾配置的現狀，檢測對象為2級過濾組合配置。為使檢測結果具有可比性，檢測裝置按同時對四種組合進行檢測而設計。檢測目的：驗證過濾器的使用壽命及其性能特征。

2.2 檢測條件

在過濾器使用環境下對候選過濾器進行檢測。為此，對比檢測裝置安裝在集裝箱內，可根據需要運至不同的地點。

塵源：自然塵源，即新建、已建、擴建燃氣輪機電廠廠址下的塵源。

溫濕度：電廠廠址下的溫濕度。

風量：風機的額定風量為5 430 m3/h(標準工況下)，為保證試驗風量與候選過濾器的設計工況及變工況風量一致性，試驗風量可通過變頻裝置調節。

2.3 裝置組成

圖1為對比試驗裝置的P&ID圖。圖2為空氣過濾器性能對比檢測裝置立體示意圖，圖3為遠程傳輸拓撲圖。

1. 防雨罩；2. 預過濾器；3. 二級過濾器；4. 引風機；5. 預過濾器差壓變送器；6. 二級過濾差壓變送器；7. 流量測量裝置； 8. 顆粒粒徑及濃度在線檢測儀；9. 大氣環境檢測儀；10. 電控及數傳柜。圖1 空氣過濾器性能對比檢測裝置P&ID

1. 防雨罩；4. 引風機；10. 電控及傳輸柜；11. 風道；12. 預過濾室；13. 二級過濾室；14. 穩流室；15. 變徑管；16. 圓管；17. 排空管；18. 支架；19. 集裝箱圖2 空氣過濾器性能對比檢測裝置立體示意圖

圖3 空氣過濾器性能對比檢測裝置遠程傳輸拓撲圖

如圖所示，檢測裝置由四個結構相同的風道11，大氣環境檢測儀9、電控及數傳柜10、集裝箱19、云服務器、無線互聯網及客戶端組成。四個風道11按兩列布置，兩列之間留有檢修維護通道，每列分上下兩個風道，上風道支撐在下風道上，下風道通過緊固件固定在鋼支架18上，支架18為型材焊接件。四個風道11、電控及數傳柜10布置在集裝箱19中。

2.3.1 風道設計

為真實反映過濾器的實際運行效果，風道按照燃氣輪機進氣系統的常規配置進行設計。每一個風道由防雨罩1、預過濾器室12、二級過濾室13、穩流室14、變徑管15、圓管16、引風機4及配套電機、排空管17及支架18組成。預過濾器2、二級過濾器3分別安裝在預過濾器室12和二級過濾室13內。

預過濾器室12、二級過濾室13的結構尺寸為750 mm×750 mm的方型管，材料均為鍍鋅碳鋼，厚度5 mm；為便于更換過濾器，預過濾器室12和二級過濾室13的四個面為法蘭連接，一個側面設置了觀察窗；風機進口和風管之間借助于膨脹節實現柔性連接。引風機4額定流量、全壓分別為5 430 m3/h，1 500 Pa，其配套電機的銘牌功率為5.5 kW,防護等級為IP65。

預過濾器室12、二級過濾室13的長度和結構充分考慮到待測過濾器的類型和尺寸，適用于安裝袋式、板式和筒式過濾器等各種型式的過濾器。

過濾器下游的風道兩側配置有視窗玻璃，用于測量顆粒粒度和濃度[4]，視窗玻璃與圓管通過螺栓相連接。

2.3.2 配電系統

配電系統的設計覆蓋了檢測裝置的強弱電系統，主要的電負荷有風機電機、照明燈具及其控制回路、PLC、一次儀表等。動力進線電源為AC 380 V，50 Hz，電機控制保護回路為AC 110 V，PLC及一次儀表為DC 24 V。

每臺風機的電機配一臺變頻器，用于調節控制檢測風量，目標風量可在操作面盤上設定。配電系統集成在電控及數模轉化柜中。

2.3.3 數據采集、控制

數據采集包括預過濾器、二級過濾器壓差變送器5與6、流量測量裝置7、顆粒粒徑及濃度在線檢測儀8、大氣環境檢測儀9。預過濾器和二級過濾器壓差變送器、流量測量裝置、顆粒粒徑及濃度在線檢測儀每一風道各配一套，大氣環境檢測儀四個風道共用一套。各傳感器的輸出信號均為4～20 mA,送至PLC中。

顆粒粒度及濃度在線檢測儀采用了激光前向小角散射方法,與此同時,顆粒濃度的在線檢測則采用光透消光方法[4]，顆粒粒度及濃度在線檢測儀的視窗玻璃安裝在過濾器下游的風道兩側。

風量控制:風量控制的目的是保證試驗風量與待測過濾器的設計風量相一致。借助于變頻器調節風機電機的供電頻率進而調節風機的轉速而實現試驗風量的控制。首先根據待測過濾器的設計風量設定目標風量，風量傳感器測得的信號送至變頻器，計算風量若不滿足設定值，變頻器據此調節風機轉速，使運行風量達到設定風量。

2.3.4 遠程傳輸

遠程傳輸包括三部分:(1)現場實施部分：該部分主要包含PLC模塊、數傳模塊；(2)云端服務器部分：該部分架設在阿里云上，主要包括數據庫及網站服務器。(3)客戶終端，可以是PC機或手機。

現場信號通過兩線制信號進入PLC單元，組態后將模擬量轉化為數字量，對數據進行編碼、封裝等處理后傳輸至數傳單元，同時向云服務器發出數據傳輸請求，云服務器在收到傳輸請求后建立連接，數傳模塊向服務器發送數據，服務器接收并保存數據到相應的數據庫；同時，云服務器等待接收客戶端的連接請求，當有客戶端連接請求時，接收、分析請求信息，解析出請求的方法、URL目標、可選的查詢信息及表單信息等，同時根據請求做出相應處理，向客戶端發送響應信息，實現數傳單元與互聯網的傳輸數據功能以及報文的顯示功能。

PLC的編程語言為簡易C語言，云端服務器租用時已預裝windows系統，數據庫采用SQL，主控單元與云服務器端的通信選擇面向連接的TCP/IP協議進行數據傳輸。遠程傳輸功能集成在電控及數模轉化柜中。

3 檢測過程及檢測結果的整理

3.1 檢測過程

首先根據待測過濾器的額定流量在變頻器操作面盤上設定目標風量，分別將四個風道的風量設定到目標值，運行中變頻器將根據風量設定值與反饋值的差距，不斷調節風機電機的饋電頻率，也就是調整風機的轉速，使風機的流量與目標值一致。然后進行初始風量阻力檢測，把目標風量依次調節到額定風量的50%、75%、100%和125%，相應風量下的過濾器的阻力值被傳送儲存至云端服務器，登錄云端服務器下載相關數據后，可以繪制出過濾器的風量阻力曲線圖。初始風量阻力曲線圖需在現場進行。

初始風量阻力檢測完成后，將風量目標值調整為100%的額定風量，進行過濾器壽命、容塵量和計重效率的檢測。隨著運行時間的不斷增長，過濾器差壓將持續升高，流量反饋值與目標值產生了偏差，變頻器隨之調整供電頻率，使風機流量跟蹤目標值而調整，因此，風機流量始終跟蹤目標值。在此過程中，運行時間、過濾器的差壓、環境空氣的顆粒物濃度、濕溫度以及待測過濾器(組)上下游的顆粒粒徑、濃度等參數均通過PLC、數傳模塊傳輸至云端服務器。當過濾器差壓達到終值時，此時累計運行的時間作為過濾器的實際運行壽命。

在客戶終端登錄云端服務器可以下載檢測數據，根據需要整理出過濾器的差壓、過濾效率隨時間的變化曲線，估算不同差壓下的容塵量和計重效率。

各種測量參數的上傳頻率是5 s 1次，為了方便起見，對下載的離散數據每1 min計算一次算術平均值，該值作為實時測量數據。

(1) 塵量和平均計重效率

塵量和平均計重效率分別按公式(1)、(2)估算：

(1)

(2)

式中：CDH為總的容塵量，mg；T為檢測運行時間，h；qv為額定過濾風量，m3/s；PTS(t)為環境空氣總懸浮物濃度，μg/m3；Wc(t):過濾后的空氣顆粒物濃度，μg/m3；A:平均計重效率。

(2) 過濾效率的估算

計數效率是以待測過濾器上下游的不同粒徑的實時數據為基礎進行計算的。首先對下載的上下游顆粒濃度每1min計算一次算術平均值，按公式(3)計算過濾效率：

(3)

式中：nj是待測過濾器下游j檔粒徑顆粒數量，Nj是待測過濾器上游j檔粒徑顆粒數量。

3.2 檢測初步結果

在調試階段，空氣過濾器性能對比檢測裝置布置在某一電廠空閑區域，該電廠東西兩個方位均與化工園區或化工廠相鄰。調試過程中，安裝了市場出售的4種不同廠家的筒式過濾器(標稱過濾等級均為 EN779:2012 F9級)，在額定流量運行了500 h，對四種過濾器的性能進行了初步測試。過濾器的壓差隨時間的變化曲線如圖4所示，初始過濾效率和500 h下的過濾效率分別見圖5和圖6。

圖4 四種過濾器的差壓曲線

圖5 四種過濾器的初始過濾效率

圖6 過濾器運行500 h時的過濾效率

綜合壓差變化趨勢和過濾效率兩個性能指標，過濾器C的性能要優于A、B、D三種過濾器，且在連續20小時的高濕度環境運行時，過濾器C沒有出現差壓超標的現象，表現出較強的抗濕性。盡管過濾器B的運行差壓變化平穩，但其過濾效率不及另外三種過濾器。

筆者認為隨著測試儀器的不斷完善和測試時間的不斷增加，過濾器的實際運行壽命、容塵量以及過濾效率隨時間或壓差的變化將得到進一步的量化。

4 本裝置的優越性

4.1 檢測條件、檢測結果更切合實際

在選擇進氣過濾器時，由于現有檢測方法不能準確地評價過濾器對電廠環境的適應能力，因此常常導致過濾器的運行時間達不到設計壽命。本文提出的檢測條件、檢測對象的組合可與使用現場的完全一致，因此檢測結果更能反映實際的運行性能，對過濾器的選型決策提供了科學的依據。另外,檢測裝置布置在一個標準的集裝箱內，可通過汽車和火車將裝置運輸到不同的過濾器應用場所。

4.2 檢測更方便

性能檢測數據通過無線網絡、云服務器，可遠程傳輸、存儲，做到無人值守。檢測內容不再像以前那樣由人工讀取微壓計數值,調整變頻器輸出頻率,記錄復雜的數據,而一切工作都自動完成,檢測結果自動存入數據庫中。檢測操作非常方便,節省人力和檢測時間。

4.3 可比性強

檢測裝置的四個風道均配置獨立的引風機，且風量可調，檢測結果具有可對比性，同時具備變工況性能對比檢測能力。

5 結論

通過對4只同等級的過濾器樣品試驗證明，基于環境空氣條件下的空氣過濾器性能對比檢測裝置，能夠較準確地反映出過濾器的性能，為空氣過濾器的選型以及結構和工藝參數的優化提供了可靠的依據；數據的遠傳功能，實現了無人值守，減少了測試記錄的環節，降低性能測試工作強度，為測試空氣過濾器全壽命周期性能提供了可靠的手段。