PG6111FA型燃氣輪機進氣系統運行優化措施研究

陸子龍，李 青

(江蘇國信高郵熱電有限責任公司，揚州 225600)

江蘇國信高郵熱電有限責任公司(以下簡稱國信高郵)2×100 MW燃氣輪機熱電聯產工程配置的燃氣輪機為美國通用(GE)公司的PG6111FA機型。燃氣輪機進氣系統由南京汽輪機廠設計，由上海華強新能源技術有限公司生產。

進氣系統主要作用是將空氣中大量的雜質、灰塵、顆粒等懸浮物去除，同時去除空氣中大部分的水分，防止這些物質進入到壓氣機，影響機組運行。

進氣系統的運行維護是否到位直接決定了燃氣-蒸汽聯合循環機組的安全穩定運行。若運行維護不到位，可造成以下后果：葉片和氣流通道積灰，導致運行效率降低，喘振曲線漂移；進口可調導葉(Inlet Guiding Vane，IGV)及燃氣輪機葉片的磨損；腐蝕性粉塵造成的葉片的永久性破壞。因此，燃氣輪機進氣系統維護是否到位直接決定了機組的經濟性及安全性[1]。本文從進氣系統概況、濾芯選型及優化措施等方面介紹國信高郵公司對于燃氣輪機進氣系統安全性提升所做的工作，為同類型機組的進氣系統的優化運行提供一定的參考。

1 PG6111FA機型進氣系統概況

國信高郵機組進氣系統采用單面進風，按照空氣流動方向，各個基本部件的順序為：防雨罩、防鳥網、折板除霧、布袋式粗過濾、脈沖過濾、凈氣室、膨脹節、水平管道、消音彎頭、過渡管道、膨脹節、垂直管道、膨脹節、進氣端。另外，自動清灰灰斗裝于反吹模塊底部。詳細結構如圖1所示。

圖1 進氣系統布置圖

空氣從防雨罩進入，用不銹鋼鋼絲網制作的防鳥網置于進氣系統最前端，防止飛鳥的進入，在防鳥網后設置有折板除霧器。空氣在折板除霧器中流動發生轉向時，較大的塵埃顆粒和霧粒因慣性作用撞擊在折板上，這樣可以有效地去除15 μm以上的顆粒雜質。后面的框式初過濾模塊對空氣進行初級過濾，達到M5等級，并同時起到除濕效果。之后，空氣進入脈沖過濾器，在脈沖過濾器的兩側設置有壓差測量裝置，脈沖過濾器在積累了一定的灰塵，壓差達到設定值后，可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)自動打開相關電磁脈沖閥，壓縮空氣氣流經專用噴管整流噴出，從濾筒內部向外反吹，將集聚在濾筒外表面的灰塵吹落，從而完成自潔過程。至此，空氣的凈化階段完成，潔凈的空氣流入凈氣室。在凈氣室之后，潔凈空氣流經消聲彎頭、過渡管道、膨脹節、進氣端，最后進入燃氣輪機的壓氣機入口。

影響進氣系統空氣清潔度的主要設備為布袋式過濾器和動態脈沖過濾器，這兩套設備運行的狀態直接決定了進入燃氣輪機空氣的質量。其中，EN779:2012《一般通風用空氣過濾器過濾性能檢測》規范是行業內定義過濾器過濾等級最常用的標準，它對過濾器過濾效率詳細的定義范圍如圖2所示。

圖2 過濾器效率規格比較

1.1 布袋式過濾器

國信高郵機組布袋式過濾器采用鋁合金外框的玻璃纖維過濾器，尺寸為518 mm×504 mm×650 mm(長×高×深)。作為精濾的前置過濾，具有阻燃、阻力低、容塵量大等特點，能有效過濾1μm及以上粒徑的微粒。濾料選用進口玻璃纖維，能截留部分水汽，達到理想的預過濾效果。過濾等級達到M5標準(按照EN779：2012標準)。布袋式濾芯外形如圖3所示。

圖3 布袋式濾芯外形圖

由圖3可見，濾袋內部呈“V”型結構，能保證氣流均勻穩定地通過，不會產生紊流現象，在機組運行過程中，濾袋與濾袋不會相互貼合。V型通道能夠保證濾袋與濾袋之間的接觸最少，保證氣流的均勻性，使濾料利用最大化，同時確保了整個壽命周期最小的運行阻力。

1.2 脈沖過濾器

國信高郵機組動態脈沖過濾器選用反吹式脈沖過濾器，過濾等級達到F9標準(按照EN779：2012標準)。對于進氣系統，去除粒徑大于 5 μm微粒可以避免燃氣輪機葉片受侵蝕，去除粒徑小于 2 μm微粒可以避免葉片結垢。1～2 μm的顆粒物對葉片的影響尤其大。細小粉塵顆粒(粒徑小于2 μm)、鹽類物質以及空氣中具有黏性的碳氫化合物烴類物質進入燃氣輪機內部后附著在壓氣機和透平葉片表面，改變了葉片形狀，降低了葉片表面的轉動平滑度，會導致機組效率下降。特別是對于連續運行的機組，壓氣機結垢是常見的問題之一。

目前現場檢修時葉片狀態顯示積垢現象較為嚴重，成分多為油烴類物質及氯離子。與此同時，當壓氣機和高溫段金屬部件表面存在鹽、烴類等物質時，其與來自燃料的硫元素會加速發生電化學反應，在高溫條件下，燃氣輪機內部金屬部件會發生腐蝕，且此類損傷不可修復。日積月累，燃氣輪機的運維費用會大幅增加，極端情況下，甚至會發生葉片斷裂等生產事故。

2 進氣系統運行影響因素

進氣系統是燃氣輪機的第一道保障，其運行工況直接決定了燃氣輪機的安全性和經濟性，主要影響因素有設計選型、設備選型、運行維護等方面，下面從這3個方面介紹進氣系統對PG6111FA型燃氣輪機的影響。

2.1 進氣系統的設計

進氣系統的設計主要考慮以下幾個方面：進氣差壓和流量，便于計算壓氣機性能；提高進氣過濾等級，以保護壓氣機，防止有異物進入，等[2]。

在進氣差壓和流量方面，關鍵是精濾的數量設計，國信高郵公司將PG6111FA型燃氣輪機進氣系統精濾設為272組，每組精濾流量為2 247 m3/h，折合每個濾筒流量為1 123.522 47 m3/h，通過增加精濾數量減小運行初始阻力。

在進氣濾芯精度方面，根據EN779：2012標準，影響空氣過濾等級的主要因素是對顆粒及水分的過濾等級。國信高郵公司粗濾選擇EN779：2012的M5標準，精濾選用F9標準，最終使空氣中0.4 μm的灰塵去除率達到了98.4%，1.00～2.00 μm灰塵去除率達到99.5%。

2.2 進口脈沖過濾器選型對比

國信高郵機組自投產至今分別使用過A、B兩款動態脈沖過濾器，從現場濾芯批量供貨中抽取全新的樣品交由權威第三方實驗室，按照EN779：2012標準進行完整的效率分級測試，詳細數據如表1所示。

表1 動態脈沖過濾器對比表

由表1可見，產品B的效率高于產品A，且在初始阻力及使用時間方面，產品B均優于產品A。以上可以從以下幾個方面分析得出：

1)折紙技術。產品B采用非連續噴膠折紙技術，濾褶間距更大，折形為長“V”形結構，氣流通過時更加均勻，這可以有效降低阻力，同時保障氣流均勻流通。在相同的風量下，其阻力低于市面常見濾筒的初始阻力。極佳的濾折開度也能保證反吹時灰塵更易被吹出。脈沖過濾器對比如圖4所示。由圖4可見，產品A使用連續噴膠折紙技術，濾褶固定過于緊密，大部分濾材不能過濾空氣，這導致在相同尺寸下濾芯的實際過濾面積偏小，無法形成良好的氣流環境。

(a) 非連續噴膠技術

(b) 連續噴膠技術

2)濾材選擇。A款產品濾材為3層合成玻纖無紡濾材，B款產品為全合成纖維材料濾材。全合成纖維濾材在一般的過濾環境下可全面替代無紡布及玻璃纖維，覆蓋粗、中、高效(G3-H13)全系列過濾產品，是過濾材料的主要發展方向。和其他同級別的濾材相比，具有阻力小、質量輕、容量大、環保等優點。

2.3 進氣系統停機維護的影響

在機組停運狀態下，需對燃氣輪機進氣系統進行維護。檢查及維護如果不到位，可能會造成燃氣輪機效率下降，甚至影響進氣安全。進氣系統的檢查和維護主要有以下幾個方面：

1)透光檢查。停機后，需要對進氣系統各層精濾和進氣室連接處等進行透光檢查。由于長期重力影響，國信高郵機組出現過精濾頂層密封條不嚴的情況，需重新調整；精濾層后的進氣室密封條由于長期老化，透光不合格，需要進行重新處理，以防止異物進入壓氣機中。

2)異物檢查。異物是影響燃氣輪機安全穩定運行的直接因素，若有螺絲等異物脫落，會造成壓氣機、透平葉片損壞，造成重大財產損失。曾有電廠進氣通道內水洗噴頭在運行中脫落，造成壓氣機及透平葉片全部報廢的重大事故。國信高郵公司也曾發現精濾托架螺絲脫落的情況，幸好被支撐架遮擋，未造成直接損失。

3)系統清理。對進氣系統進行清理，是確保開機后壓氣機效率達到預期值的重要手段之一。第一，每次停機檢查粗濾、精濾，會發現積油，判斷其原因為油箱排煙風機的油氣被反吸至進氣道，需對精濾表面及地面進行清理；第二，停機后會進行反吹，但反吹后析出的灰塵會附著在精濾表面，特別是下層濾芯表面，導致濾芯表面灰塵不斷積聚，濾芯堵塞壓差增大，因此每次停機后應當用吸塵器將精濾表面的灰塵徹底清理，確保精濾清潔度；第三，由于油氣的影響，灰塵會隨油氣積聚在IGV表面，停機后應對IGV進行水洗，同時人工清理IGV表面，盡量確保葉片的清潔度。

3 進氣系統運行優化措施

燃氣輪機進氣系統是一套相對成熟的設計。但國信高郵機組進氣系統在4年的運行過程中，也出現了不同類型的問題。公司從運行維護及設計角度進行了部分優化工作，以確保系統的相對安全穩定性。

3.1 柳絮、霧霾天氣優化措施

受環境因素的影響，江蘇地區在每年春季會進入柳絮季節，冬季進入霧霾季節。大量柳絮、霧霾吸入布袋式濾芯，會導致粗濾壓差迅速上升。在機組投產初期，出現過粗濾阻力在霧霾季節升至1 100 Pa、在柳絮季節升至830 Pa的極端情況，影響了機組的安全經濟運行。

應對極端天氣，主要從預判及過程處理兩方面制定措施，確保機組順利度過極端天氣[3]。第一，在每年4月底、11月底進行進氣系統粗濾的更換，確保布袋式濾芯的最大容塵量，同時對布袋式濾芯進行擴容，將袋長從550 mm增加至650 mm，將袋數從5個增加至7個，從而增加粗濾的過濾面積，提高過濾器的使用壽命。第二，制定燃氣輪機進氣道粗濾在線更換方案，當極端天氣下粗濾阻力迅速上升至250 Pa時，將燃氣輪機負荷降低至40 MW，對布袋式濾芯進行在線更換。

3.2 提高進氣系統測點穩定性改造

燃氣輪機進氣系統設計2級過濾器，用于過濾空氣中的雜質，以防止壓氣機葉片臟污。當初級過濾器及精濾出現堵塞情況時，壓氣機運行功耗將增加，壓氣機進氣流量不足，嚴重影響燃氣輪機運行穩定性。為此設計了3個測點用于監視進氣濾網總壓差，分別為96CS-3壓差變送器，63CS-2A、63CS-2B壓差開關，詳細測點布置如圖5所示。其中，2個壓差開關布置在室外就地控制箱內。

圖5 燃氣輪機進氣濾網壓差測點位置示意

燃氣輪機進氣濾網壓差開關63CS-2A、63CS-2B為進氣濾網總壓差測量開關，此壓差開關因設備選型原因，已出現銹蝕情況，開關取壓點為壓氣機進口及大氣，壓力開關存放在進氣濾網就地控制箱內，儀表取壓點至進氣濾網就地控制箱取樣管約40 m，中間活接頭多，加上部分管線室外布置，已有銹蝕情況，儀表管隨時都有漏氣風險，影響進氣濾網壓差開關準確測量。進氣壓差保護設置為63CS-2A、63CS-2B、96CS-3三取二跳閘，若壓差開關63CS-2A、63CS-2B誤動，則會觸發MARK 6E停機保護動作，存在極大的安全隱患。邏輯設計如圖6所示。l63tf2ahh為63CS-2A高高，63tf2bhh為63CS-2高高。

圖6 進氣差壓跳閘保護設計

綜合上述改造原因，將63CS-2A、63CS-2B進行換型，并將換型后的壓差開關進行移位，達到縮短取樣管路目的。新設計的壓差開關保護箱放置于室內燃氣輪機房西側0 m地面，從燃氣輪機控制小室轉接間放置2根計算機控制電纜至壓差開關保護箱處，用于2個壓差開關接線。壓差開關控制系統端接線接入開關量卡件1E4A，選取TB1常閉觸點21、22作為63CS-2A節點接線，選取1L1A 27 28作為63CS-2B接線，控制系統接線圖如圖7所示。

圖7 控制系統接線圖

3.3 延長進氣系統濾芯壽命

燃氣輪機進氣系統采用粗濾加精濾的配置方式，延長濾芯使用壽命的關鍵在于減小粗濾、精濾的運行阻力，這從安全性和經濟性方面提升了機組的運行能力。

對于粗濾，為確保機組順利度過柳絮、霧霾季節，每年4月底、11月底進行進氣系統粗濾的更換。在剩余時間段，利用調停機會，每間隔2個月利用停機時間對布袋式過濾器內部雜質進行清理，確保最大容塵量，以減小粗濾的進氣阻力，從而提升壓氣機效率。

對于精濾，PG6111FA型燃氣輪機每套配置272組脈沖式過濾器，成本在45萬元左右。因此提高精濾的使用壽命對經濟性有較大影響。

3.3.1 進氣系統反吹優化

脈沖反吹系統以一套外置空壓機為氣源，用反向脈沖空氣去除表面吸附的灰塵，壓力設置為0.75 MPa。該裝置運行通過PLC控制，一個自動反吹周期為30 min。現場根據壓差設定輪流反吹過濾器模塊，以減少過濾器阻力。

正常設計中，反吹造成瞬時反向氣流，脈沖氣流導致的濾筒反向阻力是正常正向阻力的1.2～1.5倍。反吹空氣可將濾筒上部的灰塵吹松脫，但反吹過后灰塵仍然回到原位或往下層濾芯墜落。橫向濾筒的反吹效果示意如圖8所示。

圖8 橫向濾筒的反吹效果示意圖

由于濾芯臥式安裝，上部濾芯反吹的灰塵會往下層落或停留在精濾表面，為防止灰塵的二次污染，每次反吹后會用吸塵器將每層精濾表面灰塵再進行清理。相比于原反吹系統，優化方案能確保脈沖反吹系統脫落的灰塵最大程度地被清理干凈，以減小運行時脈沖過濾器的阻力。

3.3.2 濾芯選型抗濕性要求

國信高郵公司周邊環境常年濕度較大，全年平均濕度在70%左右。在初夏梅雨季節和秋冬大霧天氣，環境濕度大于95%，且持續時間較長，濾芯及濾芯表面灰塵受潮后會積聚在濾芯內，導致精濾壓差急劇上升，壓氣機效率大幅下降。根據EN779：2012 F9，對抗濕型濾芯要求為噴霧量10 kg/h，噴霧時間120 min，噴霧后效率不低于初始效率(0.4 μm)。這要求濾材具有較強的抗濕性。

由材料學可知，當水與固體的接觸角大于90°的時候，這種材料具有良好的疏水性。在濾材的選型上，濾材采用獨有的三層結構，中間為經過特殊處理的玻璃纖維，上下2層為100%合成纖維。這樣不但可以保證濾芯的強度及過濾效率，而且有良好的抗濕性。濾材吸水性圖如圖9所示，由圖9可見，水在該濾材上呈現出完整的球狀，經過濾材時便于疏水。

圖9 濾材吸水性圖

4 結 論

本文主要從安全性及經濟性的角度出發，分別介紹了布袋式過濾器和動態脈沖過濾器選型、極端天氣下系統安全性、進氣系統測點穩定性等相關優化及改造內容，為同類型機組的運行提供了運行經驗。得出結論如下：

1)燃氣輪機進氣系統濾芯的選型對空氣清潔度影響較大，特別是精濾的過濾效果直接決定了燃氣輪機運行時的安全性及經濟性。燃氣輪機壓氣機進口壓降每增加1 kPa，燃氣輪機出力下降1.42%，熱耗增加0.45%，排氣溫度上升1.1 ℃。

2)對PG6111FA型燃氣輪機精濾不同選型進行了對比，結果表明，對于南方潮濕多霧天氣，全合成纖維材料濾材更適合該天氣下的運行，精濾采用優質非連續噴膠折紙技術，更有利于空氣通過濾芯，能夠達到最大過濾面積，確保過濾后的空氣清潔度。

3)在系統優化方面，進行了燃氣輪機進氣系統保護測點移位、精濾反吹優化、防霧防霾運行優化等工作，從而提高了燃氣輪機進氣系統運行的穩定性。