燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣防霜系統(tǒng)的應(yīng)用

李斌，趙磊，馬龍龍，張媛

1.中國(guó)石油西部管道塔里木輸油氣分公司，新疆庫(kù)爾勒841000

2.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，北京100190

3.山西省電力公司，山西太原030001

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣防霜系統(tǒng)的應(yīng)用

李斌1，趙磊1，馬龍龍2，張媛3

1.中國(guó)石油西部管道塔里木輸油氣分公司，新疆庫(kù)爾勒841000

2.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，北京100190

3.山西省電力公司，山西太原030001

我國(guó)天然氣管道用的PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)存在設(shè)計(jì)缺陷，冬季運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生結(jié)霜問(wèn)題，因此需研制防霜裝置。文章研究了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜熱力學(xué)過(guò)程，計(jì)算了典型工況下燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)（過(guò)濾器、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處）的溫降值，分析了壓降、相對(duì)濕度對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響，介紹了自主研制的抽氣式進(jìn)氣加熱裝置以及其應(yīng)用于消除燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜的效果。該裝置操作界面友好，抽氣量小于2%，功率損失小于7%，應(yīng)用效果良好。

燃?xì)廨啓C(jī)；進(jìn)氣系統(tǒng)；結(jié)霜；加熱裝置；研制；溫降；相對(duì)濕度

0 引言

在西氣東輸二線、中亞管道、陜京三線等大型天然氣管道中，廣泛應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)作為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)（主要供應(yīng)商是GE、RR和Solar），其中PGT25+和RB211兩款航改型燃?xì)廨啓C(jī)的功率為30 MW[1]。這類機(jī)組冬季運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)會(huì)發(fā)生不同程度的結(jié)霜現(xiàn)象，直接增大了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失，導(dǎo)致機(jī)組報(bào)警停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)引起壓氣機(jī)喘振，若吸入冰塊，甚至?xí)斐蓧簹鈾C(jī)葉片斷裂。

由于空氣在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中流速的急劇增加，部分熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而導(dǎo)致空氣溫度降低，當(dāng)溫降達(dá)到當(dāng)?shù)卮髿獍l(fā)生“凝華結(jié)冰”所需要的溫降時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象。生產(chǎn)實(shí)踐證明，燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家自帶的防霜裝置在設(shè)計(jì)方面存在缺陷，該裝置將高溫高壓空氣引到進(jìn)氣消音器前，由于濾芯處于加熱部位前面，因而不能完全解決過(guò)濾器濾芯表面的防霜問(wèn)題[2]。因此本文在深入研究燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜熱力學(xué)過(guò)程，分析壓降和相對(duì)濕度等影響因素的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)研制了抽氣式進(jìn)氣加熱裝置，消除了燃?xì)廨啓C(jī)過(guò)濾器、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處的結(jié)霜現(xiàn)象。該裝置操作界面友好，抽氣量小于2%，功率損失小于7%，工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜狀況分析

1.1 結(jié)霜過(guò)程熱力學(xué)分析

PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1，其中A為阻擋式空氣過(guò)濾器組件，即濾芯；B為空氣過(guò)濾器箱體及過(guò)渡段；C為進(jìn)氣消音器；D為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉。根據(jù)熱流體流動(dòng)相似原則[3-4]，圖1可簡(jiǎn)化為空氣流動(dòng)等效圖，見(jiàn)圖2，其中I段為空氣過(guò)濾器外側(cè)，Ⅱ段為過(guò)濾器濾芯內(nèi)外側(cè)交接處，Ⅲ段為過(guò)濾器箱體及過(guò)渡段，Ⅳ段為進(jìn)氣消音器出口處，Ⅴ段為進(jìn)氣喇叭口穩(wěn)流段，Ⅵ段為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉處。

圖1 PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)示意

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)空氣流動(dòng)等效圖

空氣在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度較快，在進(jìn)氣道停留時(shí)間很短，幾乎與周圍空間無(wú)能量交換，因此燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)可視為開(kāi)式、絕熱、穩(wěn)定流動(dòng)的熱力系統(tǒng)，由熱力學(xué)第一定律可得到簡(jiǎn)化系統(tǒng)能量方程[5]：

氣流在流經(jīng)過(guò)濾器和消音器時(shí)，流道截面積逐漸減小，可近似與噴管等效。對(duì)于理想氣體絕熱可逆流動(dòng)，過(guò)濾器和消音器出口速度與壓力滿足方程：

式中v0，…，v5——在截面I，…，Ⅵ段處的空氣流速/（m/s），其中過(guò)濾器入口空氣流速v0較小，可忽略不計(jì)；

T0，…，T5——在截面I，…，Ⅵ段處的空氣溫度/℃；

Cp——空氣比熱容/（J/（kg·℃））；

P0，…，P5——在截面I，…，Ⅵ段處的空氣壓力/kPa；

K——空氣絕熱指數(shù)，取值1.4；

R——?dú)怏w常數(shù)，取值8.314 J/（mol·K）。

由式（1）～（3）即可確定進(jìn)氣系統(tǒng)氣體可逆流動(dòng)各截面狀態(tài)參數(shù)。

1.2 計(jì)算示例

為了確定燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)過(guò)濾器、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處的結(jié)霜狀況，隨機(jī)選取了PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的某運(yùn)行工況參數(shù)：

（1）測(cè)試截面Ⅰ處空氣條件，P0=91 kPa，T0= -7℃，空氣相對(duì)濕度φa=95%。

（2）消音器截面Ⅲ處測(cè)試的空氣壓力和流速，P2= 90.31 kPa，v2=-6 m/s。

（3）進(jìn)氣喇叭口截面Ⅴ處測(cè)試的空氣壓力，P4= 89.9 kPa。

（4）進(jìn)口導(dǎo)葉處界面Ⅵ處測(cè)試的空氣流速，v5= 113 m/s。

聯(lián)立式（1）～（3）可得到T1=-7.33℃；T3= -7.59℃；T5=-13.4℃，即相對(duì)環(huán)境溫度，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)濾芯部位溫降為0.33℃，消音器部位溫降為0.26℃，進(jìn)口導(dǎo)葉部位溫降為5.81℃。

1.3 壓降對(duì)溫降的影響

以孔雀河壓氣站GE PGT25+型燃?xì)廨啓C(jī)為例，過(guò)濾器壓降一般控制在700 Pa以內(nèi)，研究了不同環(huán)境溫度下過(guò)濾器出口溫度降幅與過(guò)濾器壓降的關(guān)系，見(jiàn)表1。當(dāng)?shù)貧庀髼l件一般為大氣壓P0=89.04 kPa，空氣相對(duì)濕度φa=95%。

消音器壓降一般約為400 Pa，根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算可得空氣流經(jīng)消音器后的溫降不超過(guò)0.34℃，因此空氣在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中的溫降不超過(guò)1.2℃。實(shí)際由于氣流存在摩擦導(dǎo)致能量損耗，特別是氣流經(jīng)過(guò)消音器時(shí)，流道面積急劇減小而產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)和渦流現(xiàn)象，氣體部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為熱能被氣流吸收，因此進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)際溫降可能會(huì)小于上述計(jì)算結(jié)果。根據(jù)孔雀河壓氣站燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，通常燃?xì)廨啓C(jī)濾芯內(nèi)外表面溫降（即T1）在0.4～0.8℃，消音器出口溫度（即T3）比環(huán)境溫度低0.5～1℃，這與本文計(jì)算結(jié)果基本相符。

表1 過(guò)濾器壓降與溫降的關(guān)系

1.4 相對(duì)濕度對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響

新疆地區(qū)秋冬季晝夜溫差大，大氣相對(duì)濕度變化也較大，例如霧天相對(duì)濕度可達(dá)95%以上，甚至飽和。實(shí)際情況是大氣溫度和相對(duì)濕度同時(shí)變化，由濕空氣性質(zhì)可知[6]，空氣相對(duì)濕度愈接近飽和，大氣溫度和露點(diǎn)溫度愈接近，當(dāng)大氣相對(duì)濕度達(dá)到飽和時(shí)，二者相等。孔雀河壓氣站冬季典型氣象參數(shù)下對(duì)應(yīng)的結(jié)霜溫降幅度見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可以看出，結(jié)霜溫降幅度與相對(duì)濕度密切相關(guān)，例如大氣溫度-5℃，相對(duì)濕度由90%提高至100%，結(jié)霜溫降幅度由1.38℃減少至0℃。根據(jù)本文1.3節(jié)的結(jié)論，氣流經(jīng)過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)后產(chǎn)生0.4～1.2℃的溫降，正是該溫降使得接近飽和的大氣發(fā)生結(jié)霜，因此節(jié)流溫降是結(jié)霜形成的內(nèi)因，而大氣相對(duì)濕度的提高是結(jié)霜形成的外因。

表2 孔雀河壓氣站冬季典型氣象參數(shù)下對(duì)應(yīng)的結(jié)霜溫降幅度

此外當(dāng)大氣相對(duì)濕度減少至60%～70%時(shí)，則結(jié)霜所需的溫降幅度較大，例如大氣溫度-7℃、相對(duì)濕度為60%時(shí)，其結(jié)霜所需的溫降為6.45℃，大于本文1.2節(jié)計(jì)算結(jié)果中進(jìn)口導(dǎo)葉處溫降5.81℃，因此如果大氣相對(duì)濕度較低，進(jìn)口導(dǎo)葉處不易結(jié)霜；如果相對(duì)濕度較高，則由于進(jìn)口導(dǎo)葉處溫降相對(duì)過(guò)濾器和消音器大得多，結(jié)霜程度更為嚴(yán)重。

1.5 結(jié)霜過(guò)程的其他影響因素

上述分析是假定氣流處于均勻穩(wěn)定的情況下，而實(shí)際流場(chǎng)是不均勻的，速度大的部位引起結(jié)霜的溫降也大，此即首先結(jié)霜堵塞的位置，隨后速度低的位置的流速也開(kāi)始增大，因而也開(kāi)始結(jié)霜堵塞，從而造成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)堵塞。目前燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的過(guò)濾器濾芯多采用木質(zhì)纖維，平均孔徑2～5 μm，空氣相對(duì)濕度較大時(shí)，木質(zhì)纖維會(huì)受潮膨脹，造成濾芯阻力增加，氣道溫降增加，這也是引起過(guò)濾器結(jié)霜的原因[7]。

2 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱裝置的設(shè)計(jì)

綜上所述，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜的原因：其一是空氣濕度接近飽和點(diǎn)，其二是空氣過(guò)濾器、消音器、進(jìn)氣導(dǎo)葉處因空氣流速增加而產(chǎn)生的溫降。其中相對(duì)濕度是導(dǎo)致結(jié)霜形成的關(guān)鍵因素，解決方法是在一定大氣溫度和相對(duì)濕度條件下，在進(jìn)氣過(guò)濾器前配置用于加熱進(jìn)氣的加熱裝置。

2.1 加熱位置的確定

確定加熱位置應(yīng)綜合考慮加熱裝置的復(fù)雜性、可操作性以及加熱量等。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器前的空氣進(jìn)行加熱，適當(dāng)降低空氣的相對(duì)濕度，就可以同時(shí)避免濾芯、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處的結(jié)霜結(jié)冰。加熱系統(tǒng)應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行性能的影響要小。

2.2 加熱溫度（加熱量）

根據(jù)本文1.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果，空氣在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中的溫降不超過(guò)1.2℃，實(shí)際由于流場(chǎng)的不均勻性，某點(diǎn)的溫降可能會(huì)大于該值，考慮到加熱裝置的熱效率和安全裕量，空氣加熱裝置應(yīng)按照空氣溫升5.6℃來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3 加熱裝置對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響

孔雀河壓氣站加熱裝置的加熱方式是：通過(guò)抽取一部分壓縮機(jī)高溫高壓空氣對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣進(jìn)行加熱，這種方式會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)功率和熱效率的損失。表3給出了不同大氣溫度和相對(duì)濕度下的加熱裝置的抽氣量與燃?xì)廨啓C(jī)功率損失的關(guān)系。生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)空氣相對(duì)濕度低于90%時(shí)，不需啟動(dòng)加熱裝置，此時(shí)最大抽氣量為1.55 kg／s，占?jí)簹鈾C(jī)總氣量的1.96%，小于2%，所造成的功率損失在7.7%以內(nèi)，因此對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)載能力影響較小。

表3 不同大氣溫度和相對(duì)濕度下加熱裝置抽氣量和燃?xì)廨啓C(jī)功率損失的關(guān)系

2.4 加熱裝置的控制要求

抽氣加熱法控制原理示意見(jiàn)圖3，控制裝置由觸摸屏、PLC、控制箱、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表等組成，可以實(shí)現(xiàn)防冰防霜裝置的手動(dòng)操作、自動(dòng)操作和無(wú)人值守。

圖3 抽氣加熱法控制原理示意

為了避免抽氣過(guò)程對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行造成干擾，抽氣加熱裝置啟動(dòng)程序如下：

（1）確認(rèn)燃?xì)廨啓C(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，環(huán)境溫度介于-9.4～4.4℃，相對(duì)濕度大于90%，此時(shí)電動(dòng)閥自動(dòng)打開(kāi)，抽氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在0～100%區(qū)間內(nèi)緩慢調(diào)節(jié)，逐步加大抽氣量。

（2）調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟后，當(dāng)進(jìn)氣溫度升高5.6℃時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)穩(wěn)定在一定開(kāi)度。

（3）若環(huán)境溫度高于4.4℃或者低于-9.4℃，調(diào)節(jié)閥緩慢關(guān)閉，再關(guān)閉電動(dòng)閥。

由于所抽氣體的溫度、壓力較高（350～427℃，1.3～2.01 MPa），為了避免高溫高壓氣體噴出對(duì)過(guò)濾器濾芯造成的破壞性影響，應(yīng)通過(guò)減壓閥減壓降溫，并通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，將適量高溫氣體噴射至空氣過(guò)濾器濾芯的周圍，同時(shí)對(duì)噴口位置和方向進(jìn)行合理布置，保證濾芯表面溫度不超過(guò)80℃。

3 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱裝置的應(yīng)用效果

孔雀河壓氣站2#燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣加熱裝置自2010年投入運(yùn)行以來(lái)，主要得到了以下實(shí)施效果：

（1）燃?xì)廨啓C(jī)冬季正常、平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)氣系統(tǒng)（過(guò)濾器、消音器和進(jìn)口導(dǎo)葉處）基本無(wú)結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象。

（2）進(jìn)氣系統(tǒng)改造后能夠保證原脈沖自潔式空氣過(guò)濾器正常工作，且不影響其正常的維護(hù)、維修，不損壞高效濾芯。

（3）抽氣加熱裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)操作，抽氣量小于2%，功率損失小于7%。

（4）工程造價(jià)低。抽氣式加熱裝置的造價(jià)不超過(guò)30萬(wàn)元，與GE公司目前應(yīng)用的三種防霜設(shè)計(jì)方案相比（西氣東輸一線管道抽氣加熱法、中亞管道余熱利用法和河南利源集團(tuán)蒸汽/換熱加熱法），造價(jià)約減少10萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]徐鐵軍.俄羅斯燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)天然氣管道行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2012，25（1）：12-16.

[2]周青，崔汝?yáng)|.Titan130索拉燃?xì)鈾C(jī)組空氣預(yù)處理裝置改造[J].電工技術(shù)，2006，（11）：9-10.

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[5]馬立軍.淺談燃機(jī)進(jìn)氣口結(jié)冰原理及防冰措施[J].工業(yè)技術(shù)，2013，（3）：131-132.

[6]陳仁貴，陶月.燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜分析及對(duì)策[J].熱能動(dòng)力工程，2005，20（6）：647-649.

[7]張炯偉.淺談自清式空氣濾清器的結(jié)霜問(wèn)題[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，1990，（4）：35-37.

Application ofInlet Anti-frosting System for Gas Turbine

LiBin1，Zhao Lei1，Ma Longlong2，Zhang Yuan3
1.Tarim Oil&Gas Transportation Subcompany，Korla 841000，China
2.Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
3.State Grid ShanxiElectric Power Company，Taiyuan 030001，China

PGT25+gas turbines used in domestic pipelines have some design faults and could cause frosting problem in winter. Hence an anti-frosting device is needed to develop.This paper studies the frosting thermodynamical mechanism of gas turbine inlet system，calculates the temperature drops under typical conditions of gas turbine inlet system including filter，silencer and inlet guide vane，and analyzes the influences of pressure drop and relative humidity on frosting course.The paper illustrates the self-developed suction heating device and its eliminating frosting effect for gas turbine inlet system.Because of its friendly operation interface，less than 2%suction rate and less than 7% power loss，the good application effect is obtained.The research result has a widely popularization value.

gas turbine；inlet system；frosting；heating device；R&D；temperature drop；relative humidity

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.010

李斌（1983-），男，山西臨汾人，工程師，2006年畢業(yè)于西安交通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行維護(hù)工作。

2014-03-09