9E燃機進氣系統升級優化研究與改造探析

李再平

（深圳鈺湖電力有限公司，廣東 深圳 518111）

某單位燃機進氣系統的汽水分離器自燃機投用至今未進行更換，存在材質老化、進氣孔堵塞現象；燃機進氣系統的進氣精濾芯為F9級紙制濾芯，暴雨潮濕天氣時，燃機出現進氣濾芯壓差升高、機組負荷下降或跳機等問題。因此，提出燃機進氣系統的汽水分離器及進氣精濾芯升級優化改造。

1 燃機進氣系統汽水分離器存在的不足

進氣汽水分離器自燃機投產開始使用，在長期運行過程中由于溫濕度的變化和環境的影響，會出現結垢、老化磨損、阻塞等現象，不及時處理會增大燃機進氣損失。

汽水分離器長年的使用，靠慣性撞擊粒分離出來的灰塵顆粒，有部分吸附在汽水分離欄柵的氣體流通道的空隙中，同時，濕潤的空氣與雨水與灰塵結合就產生了難以清除的灰垢。而且因長期暴露在室外，面對各種天氣環境，材質已經變得較為脆弱，難以進行再次使用。積聚了大量灰垢的汽水分離欄柵會對進氣口產生一個阻力，造成燃機進氣壓力的損失，同時使壓氣機的進口壓力降低，如果需保持燃氣輪機循環最高壓力不變時，必須增加壓氣機的比功，這樣會造成透平出力更多消耗于帶動壓氣機，導致燃機的效率與功率降低。另外，進口壓力的降低使空氣比容增加，空氣的質量流量都減少的情況下，也將降低機組的輸出功率，最終影響燃機電廠的經濟效益。

圖1 進氣系統的汽水分離器使用18年后實物圖

2 燃機進氣精濾采用紙制濾芯存在的不足

燃機進氣精濾芯采用F級紙制濾芯，在高潮濕天氣情況下導致燃機因壓差升高，對機組出力和安全可靠性發生較大影響。

（1）F級紙制精濾芯過濾等級低、容塵量小，精濾芯臟污將導致壓氣機葉片臟污，影響壓氣機效率，壓氣機葉片的臟污主要危害如下：

①壓氣機效率降低：壓氣機消耗燃機2/3出力，其效率降低直接導致機組出力和效率的降低。

②壓氣機葉片腐蝕：壓氣機葉片腐蝕的主要原因是由于潮濕空氣中存在鹽及其他一些腐蝕性成分，在機組運行時，這些有害物質沉積在葉片表面，對葉片金屬形成腐蝕。特別是壓氣機的前面幾級，空氣被逐步壓縮，水的含量開始增大，而此時壓縮空氣的溫度并不高，很容易達到露點溫度，造成水分在葉片表面凝結析出，溶解在水中的鹽分和酸性物質與金屬表面接觸，產生腐蝕斑點。腐蝕斑點破壞了原有葉片的光滑表面，影響氣動性能，同時造成局部應力增加，降低了部件抗疲勞壽命，最嚴重的甚至能導致葉片的斷裂。

③壓氣機旋轉失速：壓氣機失速是壓氣機的固有特性，如何避免失速發展成喘振一直是壓氣機設計重點考慮的問題。而壓氣機葉片臟污，影響壓氣機效率、流量，進而影響氣流速度，使得旋轉失速容易發生。

（2）燃機進氣精濾芯臟污將導致進氣精濾芯壓差增大，進氣精濾芯總壓差大于80mmH2O時，潮濕天氣時，可能出現進氣精濾芯壓差快速增大或跳機。

圖2 F級紙制精濾芯使用7000～8000h，潮濕極端天氣進氣精濾芯壓差快速增大

圖3 汽水分離器進氣孔由“三角型”升級為“六角封閉胞型”

圖4 汽水分離器采用“六角封閉胞型” 進氣孔，進氣“壓損”增加不明顯

3 進氣系統汽水分離器升級優化改造

汽水分離器的2個基本性能參數為：除霧效率和氣動特性（壓損）。除霧效率指在單位時間內除霧器捕捉到的液滴質量與進入除霧器的液滴總質量之比，是除霧器的關鍵性能指標。影響除霧效率的因素包括氣流流速、除霧器葉片板型、霧滴直徑、葉片間距、布置形式等。在燃機進氣入口，除霧效率器主要是針對空氣（里面會含有塵埃粒子、水汽、霧粒等）過濾。汽水分離器的氣動性能主要研究空氣流經過折板除霧器產生的壓力損失（下面簡稱“壓損”），壓損在燃機進氣系統中是考核過濾元件重要指標，壓損的高低直接影響著燃機的效率。升級優化改造如下：

（1）進氣汽水分離器進氣孔由“三角型”改造為“六角封閉胞型”，壓損增加不明顯，增加燃機總進氣量。

（2）材質由PVC材料升級為PP材料。

4 進氣系統進氣精濾芯升級優化改造

進氣精濾芯研究內容是將F級紙制濾芯改為防潮性能更好的唐納森新型復合纖維耐水濾芯。由于唐納森復合材料濾芯增加了容塵量，同等運行條件下減少（或取消）反吹系統，壓氣機不臟污、不腐蝕、不用水洗，最終達到提高燃機出力和效率、提高經濟效益、減少（或取消）反吹，以降低廠用電量的方式降低了維護成本。升級優化改造如下：

（1）混合纖維材質：唐納森復合纖維耐水濾芯過濾介質（濾紙）為防潮處理混合纖維（纖維素纖維+合成纖維），合成纖維應基于聚合物或玻璃纖維，表面納米纖維處理。

（2）高容塵量：唐納森復合纖維耐水濾芯具有高容塵量，復合纖維耐水濾芯過濾直徑超過5μm顆粒的平均效率不應低于98%。

圖5 改造后唐納森新型復合材料濾芯

（3）對濕度潮氣不敏感，潮濕天氣不發生進氣濾壓差快速增大。

圖6 唐納森復合纖維耐水濾芯在暴雨潮濕天氣時進氣壓差變化不大，保持86～96mmH2O

（4）進氣精濾芯運行壽命一般為3年，超過9000運行時。

5 進氣系統汽水分離器及進氣精濾芯改造經濟效益分析

進氣系統汽水分離器及進氣精濾芯改造后，燃機滿負荷時，濾芯壓損隨溫度變化情況，在高濕度狀態下濾芯壓損變化很小。

5.1 三大收益和效果

（1）減小進氣阻力、減小進氣壓損，增加進氣量。

（2）保持壓氣機葉片清潔，保持壓氣機葉片涂層，維護壓氣機高效率。

（3）提高燃機出力和效率，提高經濟效益。

5.2 經濟效益分析

（1）改造前，燃機用唐納森F級紙制濾芯，每臺機濾芯價格60萬元，運行8000h；燃機出力下降1%時，壓氣機進行水洗恢復出力。若燃機每年運行3400h計，則：

濾芯使用年數為：8000h÷3400h/年=2.35（年）。

每年使用的濾芯費用為：60萬元÷2.35=25.6（萬元/年）。

（2）改造后，采用復合纖維耐水濾芯，每臺燃機濾芯價格70萬元，運行9500h。若燃機每年運行3400h計，則：

濾芯使用年數為：9500h÷3400h=2.8（年）。

每年使用的濾芯費用為：70萬元÷2.8=25.0（萬元/年）。

（3）改造后，用新型復合材料濾芯，每年節省濾芯費用為：25.6—25.0=0.6（萬元）。

（4）經過調研分析，參考復合纖維耐水濾芯在9E燃機使用效果。進氣濾改造前/后對比如表1。

表1

（5）燃機進行進氣汽水分離器及復合纖維耐水濾芯升級優化改造，1臺9E燃機（120MW）一年增加的利潤為：

燃機出力Pe:Pe=110MW。

每小時消耗天然氣量Fe：Fe=0.2Nm3/kwh×110000Kw(約2.2萬Nm3/h)。

年發電小時數T：T=3400h。

上網電價J1：J1=0.65元/度電；天然氣價格J2：J2=2.3元/Nm3。

進氣濾改造后燃機出力增加△P1:△P1=1.0%×Pe（約1.1MW）。

增加的電價為：

△P1×0.65元/度 電=1.1MW×0.65元/度 電（約0.0715萬元）。

增加出力消耗的天然氣費用為△Fe：

△Fe=1.1MW×0.2Nm3/kwh×2.3元/Nm3（約0.05萬元）。

1臺燃機因出力增加產生的年利潤為F1：F1=（△P1×0.65元/度電-△Fe）×3400h=（0.0715-0.050）萬元×3400h=73萬元。

結論：燃機進行進氣濾系統升級優化改造，1臺燃機因出力增加產生的年利潤為73萬元；每年節省濾芯使用費用為0.6萬元。

6 社會效益

（1）濾芯使用周期長、減少了更換濾芯次數、滿足了燃機調峰運行，現貨交易及競價上網有優勢。

（2）極端天氣情況下避免因空氣潮濕產生濾芯壓差快速增大或燃機產生“非停”事故；若發生“非停”事故，公司將受到電網的考核。

7 結語

燃機進氣系統的汽水分離器投用近20年，存在材質老化、進氣孔堵塞現象，汽水分離器進氣孔由“三角型”升級改造為“六角封閉胞型”，壓損增加不明顯，增加了燃機總進氣量；燃機進氣系統F級紙制濾芯升級改造為防潮性能更好的唐納森新型復合纖維耐水濾芯，增加了容塵量，暴雨潮濕天氣時，進氣壓差變化不大，保證了機組安全穩定運行，提高了燃機出力和效率。