燃氣輪機進氣過濾系統顆粒物監測裝置的研制

摘 要：燃氣輪機進氣過濾器是確保壓氣機穩定、高效運行的關鍵部件，其性能監測至關重要。針對某燃氣輪機廠燃機進氣過濾器性能在線、定量檢測方法存在不足的問題，基于多元傳感技術、機器學習算法及電遷移測量技術，成功研制了一種燃機進氣過濾系統顆粒物監測裝置，該裝置安裝在過濾器前后兩端，能夠精準實現過濾器性能的定量評估。實踐表明，該裝置不僅為過濾器的性能評價提供了可靠數據，還為進氣系統的數字化管理提供了有力支撐。

關鍵詞：燃氣輪機；進氣過濾器；顆粒物；監測裝置；傳感器

中圖分類號：TK477""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.017

0""" 引言

燃氣輪機進氣過濾器是保障燃機進氣質量和壓氣機潔凈度的系統，是燃氣輪機安全、可靠、經濟運行的重要保障，是有效保護壓氣機的重要部件[1-2]。如果進氣過濾器過濾效果不佳或選型不當，會導致壓氣機積垢、磨損、腐蝕、疲勞和外物撞擊等失效模式的出現，壓氣機性能嚴重退化，可造成的輸出功率損失在2%～20%[3-4]。

當前，對燃機進氣過濾器性能的評估主要有實驗室檢測和濾芯掛機實驗，實驗室檢測是以實驗室數據作為衡量其實際運行性能的基準，濾芯掛機實驗是在實驗結束后拆卸濾芯送往實驗室進行進一步評估。但是，濾芯掛機實驗方法涉及停機、拆卸和重裝濾芯的煩瑣過程，耗時且費力，更為關鍵的是缺乏在線、定量的檢測方法來精確追蹤壓氣機及進氣過濾器性能劣化的趨勢[5]。實驗室檢測難以反映燃機進氣過濾器在真實應用環境下的性能，與真實環境差異大，顆粒物成分不符，實驗數據存在局限性。鑒于上述問題，某燃氣輪機廠結合現場實際，提出研制一種燃氣輪機進氣過濾系統顆粒物在線監測裝置的創新理念。

1""" 創新技術研究

通常，燃機電廠燃氣輪機進氣濾芯的使用壽命約兩年，燃氣輪機運行過程中，濾芯工作環境復雜多變，運維人員很難掌握進氣系統的實時狀態，只能依據壓降損失的變化來評估濾芯的狀態，再判斷濾芯是否需要清洗或更換，此方法存在判斷依據單一、可靠性不高等缺點[6]。文獻[7]提出了利用折合標準工況下的壓降損失來進行過濾器健康狀況評估的方法，然而，該方法僅限于識別過濾器的堵塞和局部泄漏失效狀態。因此，基于當前的過濾器效率檢測方法無法實現實時在線監測。

基于此，該燃機廠整合了光學傳感技術、多傳感技術、機器學習算法以及電遷移技術，創新研制了一種高效的進氣過濾系統性能監測裝置。同時，基于收集到的數據，該技術采用正反向相結合的評估方法，對進氣過濾器進行全面、綜合的性能評估，從而為過濾器的運維提供依據。

2""" 顆粒物監測裝置的設計

該燃機電廠位于北京市朝陽區，地理位置特殊，對空氣質量要求高，因此，電廠需要對燃機進氣平臺的空氣質量進行監測。該電廠聘請第三方檢測機構對燃機進氣平臺的空氣質量進行檢測，發現在燃機進氣平臺附近存在較多揮發性有機物（VOCs），檢測結果如表1所示。此外，還能直觀地看到存在一些顆粒物（粉塵），部分顆粒物經粗濾、精濾進入壓氣機內部，沉積在壓氣機葉片表面，改變了葉片空氣動力學特性及流道，引起壓氣機效率的下降。因此，設計顆粒物監測裝置，對進氣系統內過濾器前、后的污染物進行監測，基于監測數據和運行數據，對過濾器的性能進行綜合評估。

2.1""" 監測裝置的設計

為評估進氣過濾器的性能，在精濾前、后的關鍵位置分別設置了顆粒物（粉塵）采集傳感器組。該傳感器組測量功能全面，包括顆粒物數量濃度、質量濃度、溫度、壓力、濕度以及TVOC的監測，并具備污染物采樣的能力。其中，顆粒物的數量濃度被精確劃分為六個粒徑段進行顯示，分別為0.3、0.5、1、2.5、5、10 μm；而質量濃度則依據三個粒徑段進行顯示，即1、2.5、10 μm。這一設置確保了評估結果的準確性和全面性[8]。

顆粒物監測裝置的組成如圖1所示。研究發現，基于光學計數的顆粒物傳感器測量結果受環境濕度和運行時間影響較大，為消除環境濕度和運行時間對測量結果的影響，采用機器學習算法，通過與SIS CPC3781和APS實驗室標準測量儀器測量結果進行比較，構建傳遞函數。同時，采用多傳感器技術，消除傳感器安裝位置對測量結果的影響。因此，傳感器12和14將機器學習算法、多傳感器技術和光學傳感檢測技術相結合，實現了對顆粒物濃度的高精度測量。此外，為了確保數據的穩定性和可靠性，傳感器組還配備了自校準功能，能夠定期進行自我校準，以消除長期運行中可能出現的偏差。傳感器11和13采用電遷移測量原理，實現微細顆粒物的測量與捕集。傳感器的測量結果通過USB數據線17、18傳輸至數據處理裝置19，還可通過無線或TCP/IP協議將數據傳送至遠程服務器。

由于所設計的傳感器測量范圍較大，同時具有較強的數據穩定性，在內部流道設計中可充分保證檢測數據的準確性和穩定性，因此，對于采樣部分，可采用較為簡單的設計，通過流量計5、6與真空泵7、8實現污染物的吸入。

2.2""" 監測裝置采樣點的選擇

采樣器采樣點位置的選擇應遵循以下原則：一是應具有代表性，能反映過濾器濾芯性能，在過濾器性能演變、劣化趨勢、發生故障時起到早期預警和預報作用，對過濾器故障做出清洗或更換的判斷；二是采樣點選取位置應盡量便于布置采樣器和采樣管，盡量減小管路布置尺寸，減少附屬零部件。

基于采樣點位置的選取原則，結合現場位置分析，選取截面中心區域作為過濾器采樣點，可反映性能演變狀態，起到監測、預警的作用。在該區域內選靠近進氣道壁面的位置采樣，簡化管路布置，安裝和固定方便，空間足夠，便于管路橫向延伸，如圖2所示。燃機進氣過濾器出氣端采樣器安裝在左起第9排、下數第4排過濾器附近，距過濾器約10 cm，以確保安全并簡化系統。

采樣管采用長6 m的316L不銹鋼管，橫向伸入第9個過濾器后平滑折轉90°迎風采樣。采樣頭和管道采用一體化設計，確保連接緊密牢固。不銹鋼管通過304不銹鋼卡箍和M6螺栓焊接固定在角鋼支架上，防止震顫，如圖2（a）所示。整個管道水平布置，采用一體化設計，無活動件，保證在使用過程中不松動，避免零部件脫落，如圖2（b）所示。

2.3""" 監測裝置數據采集程序

監測裝置數據采集程序為燃機過濾器傳感器測量結果通過USB數據線傳輸到數據處理裝置（圖1）。該在線粒子監測裝置進氣數據與機組運行數據采集采用完全物理隔離，保證了電廠主機邏輯程序的安全性。同時，所有數據均采取在線監測的方式進行采集，通過將現場取樣裝置進氣數據與電廠運行數據傳輸至系統服務器，幫助技術人員對燃機過濾器進行狀態綜合分析，如圖3所示，通過數據分析判斷濾芯的性能及壽命，以此作為濾芯清洗或更換的依據。

3""" 結束語

針對燃機進氣過濾器性能評價領域缺乏有效的實時監測技術的難題，該燃機電廠基于光學技術、電遷移技術、多傳感器技術等，研制了一種燃機進氣過濾系統性能監測裝置，該裝置通過在進氣系統精濾前后分別布置傳感器組采集數據，采用USB數據線將數據傳輸至數據處理器與燃機SIS數據進行綜合分析，對過濾器的運行狀態進行評價，以此作為濾芯清洗或更換的依據。

此裝置已在該電廠長期運行應用，從運行狀況來看，該裝置采集數據精準，技術人員可準確判斷過濾器的運行性能，對過濾器采取清洗或更換的處理措施。因此，該創新設計值得推廣應用。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-09-13

作者簡介：莫健超（1995—），男，吉林人，助理工程師，主要從事燃氣聯合循環機組機務技術管理工作。