燃氣輪機進氣壓差建模方法研究

金云峰，劉超*，鄧高峰，關運龍，田鑫，黃海舟，蔣東翔

燃氣輪機進氣壓差建模方法研究

金云峰1，劉超1*，鄧高峰2，關運龍2，田鑫3，黃海舟3，蔣東翔1

（1．清華大學能源與動力工程系，北京市 海淀區 100084；2．建筑安全與環境國家重點實驗室，北京市 朝陽區 100013；3．華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030)

進氣過濾系統中的進氣壓差監測和控制對保障燃氣輪機的安全經濟運行具有重要意義。將進氣壓差分解為管道流動壓差與過濾壓差2部分。基于機理分析建立進氣壓差與空氣流速之間的函數關系，同時引入修正因子，考慮外界大氣環境以及過濾器容塵退化等其他因素對進氣壓差的影響。利用空氣過濾器性能試驗和現場運行數據，對所建立的進氣壓差模型進行驗證，結果表明壓差和各影響因素之間的關系與模型吻合較好。最后，通過結合進氣壓差模型與燃氣輪機熱力系統模型，分析進氣壓差對燃氣輪機性能的影響。研究結果表明，當過濾器臨近使用壽命時，異常環境因素對燃氣輪機輸出功率的負面影響較新過濾器更為明顯。

燃氣輪機；進氣過濾系統；過濾壓差

0 引言

燃氣輪機是能源動力領域常見的熱功轉換設備，因具有熱效率高、負荷調節靈活、環境友好等優點，在發電、天然氣管道運輸等行業具有廣泛應用。燃氣輪機內部的工質來源于從外界環境中吸入的大量空氣，而空氣中往往含有沙塵、鹽霧、煙霧等雜質。以Siemens V94.3A型燃氣輪機為例，其年均吸入顆粒物質量可達2000kg[1]。如果空氣中的雜質直接進入主流道中，將造成葉片磨蝕、腐蝕、積垢、堵塞等多種類型的氣路故障，導致燃氣輪機輸出功率與熱效率下降[2-4]。同時機組運行穩定裕度下降，嚴重情況下還會對燃氣輪機核心部件造成不可逆損傷[5-7]。因此，在地面用燃氣輪機壓氣機前一般都會配有進氣過濾系統，以去除進氣空氣中的污染物，保持主流道中空氣的清潔。

進氣過濾系統清除進氣污染物的同時，也帶來了進氣系統的額外阻力，使得壓氣機所“感受”到的進口壓力下降。由布雷頓循環的熱力循環圖可知，壓氣機進氣壓力下降會造成循環輸出功率的降低。有研究[8]表明，進氣壓差每升高1kPa會造成燃氣輪機輸出功率降低1.42%。且隨著燃氣輪機向高壓比、高透平進口溫度的方向發展，葉片氣動外型更加精密，因此部件對于工質的清潔程度要求也更高。現代重型燃氣輪機進氣過濾系統中往往需要搭配2～3級的過濾器，從而造成較大的進氣壓差損失[9-11]。另外，過濾器隨使用時間的增長會因污染物的積累發生退化，在此期間空氣流動阻力會逐漸升高[12-14]。若阻力過大，還會造成過濾介質塌縮與密封失效故障。因此，建立燃氣輪機進氣壓差模型，分析和評價進氣壓差的各類影響因素，對于進氣過濾系統設計選型、維護更換周期優化等具有重要意義，也有利于更好地保障燃氣輪機機組的安全經濟運行。

國內外學者對于進氣壓差建模方法進行了廣泛的研究。如李瑭珺等[15]建立了9E燃氣輪機的進氣系統流動損失解析模型，傅笑珊等[16]基于CFD數值仿真分析了進氣速度與壓力損失之間的關系。但以上研究主要面向進氣過濾系統中的管道流動阻力，而未考慮過濾壓差的變化。過濾壓差建模在微觀尺度的研究成果較豐富，如考慮過濾介質材料、褶皺結構、間隙尺寸等[17-19]。周詩齊等[20]主要對過濾壓差建模開展了研究，基于BP神經網絡，考慮了過濾壓差與多種因素之間的關系。EKER等[21]建立了解析形式的過濾壓差模型，分析了不同容塵階段的壓差變化。ABDUL- WAHAB等[22]基于模糊邏輯模型，提出了過濾壓差的建模與預測方法。但在過去的研究中，從整體模型的角度考慮進氣系統與燃氣輪機在氣路上的耦合作用分析尚不充分。

進氣系統與燃氣輪機在氣路上的耦合作用體現于流量-壓差之間的耦合關系。一方面，進氣系統的空氣流量邊界條件由燃氣輪機的工況點決定。對于調峰機組或微型綜合能源系統中的燃氣輪機，其運行工況點會隨負荷變化而移動，從而造成進氣空氣流量的顯著變化[23-24]。由于進氣壓差與進氣流量顯著相關，因此當燃氣輪機的工況點發生移動時，無法通過進氣壓差的絕對數值判斷進氣系統的退化狀態。另一方面，進氣壓差決定壓氣機進口壓力邊界條件，進而影響燃氣輪機的工況點。因此對于燃氣輪機熱力系統模型而言，相較于將進氣壓差作為邊界條件，將進氣壓差模型整合為系統的一部分更有利于提高燃氣輪機性能分析的準確程度。

因此，本文提出一種燃氣輪機進氣壓差建模方法，將進氣壓差分解為管道流動壓差與過濾壓差2部分，并考慮進氣壓差隨燃氣輪機工況、環境以及過濾器退化等因素的影響。通過空氣過濾器性能試驗與現場運行數據，對所建立的進氣壓差模型進行驗證。結合燃氣輪機熱力系統模型，分析進氣壓差及其影響因素變化對燃氣輪機性能的影響。本文的研究工作對于提高燃氣輪機性能的狀態評估精度以及實現過濾器的按狀態維修具有實用價值。

1 燃氣輪機進氣壓差建模方法

1.1 進氣過濾系統構成

燃氣輪機進氣過濾系統一般包含：防風雨罩、過濾網、除水裝置、預過濾器與高效過濾器等。其安裝結構如圖1所示。

①—防風雨罩；②—過濾網；③—除水裝置；④—預過濾器；⑤—高效過濾器。

圖1中的各個部件會對進氣空氣流動造成阻力，因此燃氣輪機進口處的壓力較環境壓力偏小，即存在進氣壓差Din。Din可根據式(1)分解為2部分：

式中：Din為進氣壓差，Pa；Dflow為管道流動壓差，Pa；Dfiter為過濾壓差，Pa。

在一般情況下，管道流動壓差與過濾壓差二者對總進氣壓差的貢獻程度接近。但隨著過濾器使用時間的積累，過濾壓差會增長為初始壓差的3～4倍。

1.2 管道流動壓差

式中：1為無量綱常數，與進氣過濾系統的尺寸、形狀、粗糙度等參數有關；為空氣密度，kg/m3；為空氣流速，m/s。

需要說明的是，不同截面處的空氣流速可能因截面積不同而有所差異，但通過各個截面的質量流量保持一致。因此可以選取為某一固定截面處的空氣流速，截面積的影響可整合至1中。后續過濾壓差中的空氣流速可用相同的方法進行等效處理。

1.3 過濾壓差與空氣流速

過濾壓差與空氣流速的關系可以根據達西定律(Darcy's law)或福希海默定律(Forchheimer's law)[25]計算。空氣在流經過濾介質時，存在粘滯力、慣性力等多種阻力因素，且在不同過濾速度下的阻力表現有所差異。當過濾速度較小時，粘滯力在滲流過程中占據主導因素，過濾壓差的計算遵從達西定律：

而當過濾速度增大時，慣性力與粘滯力的量級相當，此時過濾壓差在式(2)的基礎上引入平方項，表現為福希海默定律：

式中為無量綱常數，由過濾器尺寸參數決定。

在福希海默定律下，過濾壓差可表示為

式中：2為常數，m-1；2為無量綱常數，均與過濾器的尺寸結構及狀態相關。

根據式(2)與式(5)的對比發現，2類壓差與流速間的關系類似，均為二次多項式形式。

1.4 過濾壓差與環境因素

環境壓力amb與環境溫度amb的部分影響在式(2)與式(5)中已有所體現，其可通過影響空氣的密度或黏度等物性從而影響進氣壓差。這里主要研究相對濕度與污染物濃度2類因素對過濾壓差的影響。

一方面，由于過濾介質材料為濾紙或植物纖維等，具有一定的吸水性。當環境相對濕度過高時，過濾材料會吸水膨脹，進而造成空氣流通面積減小，導致額外的進氣壓差。在多雨季節，由于進氣壓差突增導致燃氣輪機被迫調低負荷的現象稱為“濕堵”。另外，在環境溫度較低的季節和地區，空氣中的水分可能在過濾器內部發生凝華，從而產生結霜等現象，導致更為嚴重的進氣壓力損失。

另一方面，模型中需考慮污染物濃度的影響。選取PM10質量濃度作為污染物濃度的量化指標，其依據在于，大氣氣溶膠體系中的粒子密度隨粒子尺寸的分布服從統計規律，如榮格(Junge)譜分布、對數正態分布等[27]。另外，燃氣輪機進氣系統中的預過濾器用于捕捉大于10mm的固體顆粒[28]，該尺度與量化指標相一致。在實際運行數據中發現，當PM10質量濃度升高時，過濾壓差同樣有所升高。因此，需要在過濾壓差模型中考慮相對濕度與污染物濃度2類因素的影響，可表達為

式中：rh為環境相對濕度，%；dc為環境PM10質量濃度，mg/m3；Dfilter,r為rh=60%、dc=0mg/m3環境下的過濾壓差標準值。

1.5 過濾壓差與退化因素

過濾器容塵會導致過濾壓差的增大，舊過濾器的阻力往往是新過濾器的3倍以上，因此需要考慮過濾器退化因素的影響。可建立過濾壓差與退化因素之間的關系式：

1.6 進氣壓差模型

綜合式(1)—(7)，即可建立完整的進氣過濾系統進氣壓差模型，表示為

根據式(8)分析得知，進氣壓差的影響因素可分為3類獨立變量：工況因素，由燃氣輪機的運行工況點決定；環境因素amb、amb、rh與dc，由燃氣輪機運行期間所處大氣環境決定；退化因素di，由過濾器使用時間與容塵狀態決定。

2 燃氣輪機進氣壓差模型驗證

通過開展空氣過濾器性能試驗，以及收集實際燃氣輪機機組配套的進氣過濾系統運行數據，完成進氣壓差模型的驗證。

依據國家標準GB/T 14295?2019[29]，開展空氣過濾器性能試驗，用以驗證式(5)中過濾壓差與空氣流速以及式(7)中過濾壓差與退化因素之間的關系。試驗件中選擇了2個EN779-F9級精度的圓錐形反吹脈沖式過濾器。這2個過濾器的型號完全相同，但一個為新過濾器，另一個為實際機組中因達到使用壽命退役的舊過濾器。試驗裝置如圖2所示。

1—潔凈空氣入口；2—潔凈空氣進口風管；3—氣溶膠發生裝置；4—被試過濾器前風管；5—過濾前采樣管；6—被試過濾器；7—靜壓環；8—被試過濾器后風管；9—過濾后采樣管；10—流量測量裝置；11—排氣段。

新、舊2個過濾器的過濾壓差試驗結果分別如圖3和圖4所示，其中實心點為試驗測量值，曲線為根據式(5)擬合得到的函數曲線，同時還標注了擬合公式與擬合度2。由于試驗臺保持恒溫恒濕條件，因此空氣的密度與黏度等物性參數保持不變，統一歸并至系數中而未視為變量。

圖3 新過濾器性能試驗結果

圖4 舊過濾器性能試驗結果

通過采集進氣過濾系統的實際運行數據，驗證模型中環境因素對過濾壓差的影響。圖5和 圖6中分別顯示了大氣相對濕度以及污染物濃度與過濾壓差之間的關系。

圖5 過濾壓差與大氣相對濕度關系

圖6 過濾壓差與大氣污染物濃度關系

從圖5可以看到，在相對濕度低于60%時，過濾壓差不受濕度變化的影響。而當相對濕度接近100%時，過濾壓差迅速增長，且增大的倍數與環境溫度有關。考慮到空氣流經過濾器時有2℃左右的溫降，當環境溫度高于2℃時，水蒸氣會在過濾器內結露，最大壓差為正常值的1.4倍，如圖5中實線所示；而當環境溫度低于2℃時，水蒸氣會發生結霜，最大壓差可達到正常值的2倍，如圖5中虛線所示。

從圖6可以看到大氣污染物濃度對過濾壓差的影響。由于燃氣輪機機組并未配有專用的大氣污染物濃度測量裝置，PM10質量濃度數據采集自當地的氣象站，因此與機組所處地區的實際數值可能存在一定差異。基于皮爾遜(Pearson)相關性分析，計算可得PM10質量濃度與相對壓差之間的皮爾遜相關系數為0.56，假設機率值為0.0037。因此可以得出結論：過濾壓差與大氣污染物濃度之間存在較強的線性相關關系，且二者間為正相關，即污染物濃度升高會導致過濾壓差的增長。相比于清潔空氣，當PM10質量濃度達到200mg/m3時，過濾壓差增幅可達12%。考慮到我國北方地區沙塵天氣時有發生，極端情況下瞬時PM10質量濃度可能超過10000mg/m3，對于進氣壓差以及過濾器壽命的影響將是顯著的。

圖5與圖6中基于實際運行數據，完成了過濾壓差與大氣相對濕度及污染物濃度等因素之間的函數關系擬合。從定性的角度而言，過濾壓差與2類因素之間的正相關性同樣適用于其他類型的過濾器，且與文獻[20-22]中的結論相一致。

3 進氣壓差對燃氣輪機性能的影響分析

根據所建立的進氣壓差模型，通過整合至燃氣輪機熱力系統模型中，并考慮環境因素、退化因素等變量的影響，可以分析進氣壓差對燃氣輪機性能的影響。

3.1 燃氣輪機熱力系統模型

3.1.1 燃氣輪機部件構成

選取單軸燃氣輪機為對象，建立其穩態條件下的熱力系統模型。其部件構成如圖7所示。輸

圖7 單軸燃氣輪機部件構成

入變量為進氣壓差，輸出變量為燃氣輪機性能參數，如燃氣輪機輸出功率、壓氣機出口壓力co以及透平出口溫度to等。

3.1.2 壓氣機模型

壓氣機的進口壓力ci受進氣壓差的直接影響，可表示為

壓氣機的壓比由壓氣機特性以及進口條件決定，可表示為

根據式(10)可以發現，進氣壓差變化會對壓氣機折合流量造成影響，進而造成壓比的改變。由于壓氣機設計點通常對應最大壓比位置，因此進氣壓差增大會導致c減小。此時壓氣機出口壓力co可通過下式計算：

根據式(9)—(11)可知，進氣壓差增長將導致壓氣機出口壓力下降。

3.1.3 透平模型

透平膨脹比t由透平進口壓力ti與透平出口壓力to之比計算，即

式中t為透平膨脹比。

當進氣壓差增大時，to保持不變，ti則由于co下降而下降。因此，t隨進氣壓差增大而減小。

對于透平出口溫度to，其同時受透平膨脹比t、透平進口溫度ti、透平效率t以及燃氣熱物性等多種因素的影響。根據多變過程可計算to如下：

式中為膨脹過程的多變指數。

在初步分析中，假設ti與不受進氣壓差變化影響。因此綜合式(12)與式(13)可知，to隨進氣壓差增大而升高。

3.1.4 輸出功率模型

根據壓氣機模型與透平模型可知，當進氣壓差增大時，壓比與膨脹比減小，因此造成t與c同時減小。在相同壓比(膨脹比)變化幅度下，由于透平內的平均溫度更高，因此t的下降幅度更大。根據式(14)，即可定性分析出燃氣輪機輸出功率隨進氣壓差增大而減小。

3.2 進氣壓差對燃氣輪機性能影響的定量計算

在3.1節中，定性地分析了在通用的燃氣輪機熱力系統模型下，進氣壓差變化對性能參數的影響。由于這種影響也與部件特性、工況變化等因素相關，因此定量計算需結合具體的型號與工況開展。

本節中所研究的燃氣輪機熱力系統模型對象為Siemens V94.2型燃氣輪機。大氣不同相對濕度、污染物濃度以及過濾器退化條件下，進氣壓差對燃氣輪機性能的影響如圖8所示。性能參數選擇燃氣輪機輸出功率、壓氣機出口壓力co以及透平出口溫度to三種類型，其余環境變量與輸入變量固定為設計工況。

圖8 進氣壓差對燃氣輪機性能的影響

由圖8可見，在正常環境條件下，舊過濾器因退化而導致進氣壓差增大，進而造成燃氣輪機輸出功率與壓氣機出口壓力降低、透平出口溫度升高。該結果與3.1節中的定性分析結果相一致。在異常環境條件下，對于新過濾器，燃氣輪機性能并未發生明顯改變；而對于舊過濾器，退化因素的疊加會明顯放大異常環境的負面影響，導致燃氣輪機性能明顯下降。通過現場運行發現，在過濾器臨近使用壽命時，燃氣輪機性能更容易受異常環境因素影響，這與上述分析吻合。

4 結論

本文主要研究了一種燃氣輪機進氣過濾系統進氣壓差的建模方法。研究結論如下：

1）通過開展空氣過濾器性能試驗以及收集燃氣輪機現場運行數據，驗證了風速、相對濕度與污染物濃度等外部因素對進氣壓差的影響。

2）過濾器退化造成的過濾壓差的增長是導致進氣壓差增長的重要內部因素。在過濾器臨近使用壽命時，過濾壓差受粘滯力主導，其與風速之間的函數關系近似為一次函數。

3）通過研究進氣壓差對燃氣輪機性能的影響，發現在退化因素疊加的作用下，燃氣輪機性能更容易受異常環境因素的影響。

4）文中得到的定量函數關系適用于所研究的具體型號的過濾器。在實際工程應用中，可根據需要開展相應的數據收集與分析，以提升進氣壓差建模精度。

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Research on Modeling Method of Gas Turbine Inlet Pressure Loss

JIN Yunfeng1, LIU Chao1*, DENG Gaofeng2, GUAN Yunlong2, TIAN Xin3, HUANG Haizhou3, JIANG Dongxiang1

(1. Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 2. State Key Laboratory of Building Safety and Environment, Chaoyang District, Beijing 100013, China; 3. Huadian Electric Power Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China)

In order to ensure the safe and economic operation of gas turbine, it is of great significance to control the inlet pressure loss in the inlet filtration system. This paper divided the inlet pressure loss into two parts: pipeline flow loss and filter pressure loss. The function relationship between the inlet pressure loss and air velocity was established based on the mechanism analysis, and correction factors were introduced to consider the influence of external atmospheric environment and filter degradation. Then, the model was verified through the performance experiment of air filter and the collection of field data, which shows that the relationship between inlet pressure loss and the influencing factors is in good agreement with the model. Finally, by combining the thermodynamic system model of gas turbine, the influence of inlet pressure loss on gas turbine performance was analyzed. The results show that when the filter is near the service life, the negative effect of abnormal environmental factors on the output power of gas turbine is more obvious than that of the new filter.

gas turbine; inlet filtration system; filter pressure loss

2021-04-27。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21043

TK 14

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國家重點研發計劃專項(2019YFF0216103,2019YFF0216104)。

(責任編輯 楊陽)