9E型燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)改造

王樹國，孫劍，侯力，曾榮鵬

9E型燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)改造

王樹國1，孫劍2，侯力3，曾榮鵬3

（1.內(nèi)蒙古蘇里格燃氣發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.煙臺寶源凈化有限公司，山東 煙臺 264003；3.北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京 100044）

介紹了內(nèi)蒙古蘇里格燃氣發(fā)電有限責(zé)任公司9E型燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的問題，提出了改造方案，通過運行參數(shù)和改造效果的對比，分析了燃氣輪機進氣壓力損失對機組性能的影響。改造后，延長了濾芯及壓氣機葉片的使用壽命，降低了維護成本，機組性能得到了明顯改善。

燃氣輪機；進氣過濾系統(tǒng)；預(yù)過濾外套；運行參數(shù)；經(jīng)濟性

0 引言

進氣系統(tǒng)作為燃氣輪機關(guān)鍵的輔助系統(tǒng)之一，其過濾后的空氣品質(zhì)是否合格，對保證燃氣輪機性能及運行可靠性至關(guān)重要。本文通過分析內(nèi)蒙古蘇里格燃氣發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱蘇里格發(fā)電公司）PG-9171E型燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)的改造案例，深入探討了進氣過濾系統(tǒng)在運行中常見的濾芯選擇、維護與使用等問題。

1 進氣過濾系統(tǒng)運行中常見問題

1.1 影響進氣過濾系統(tǒng)的因素

從理論上來說，一個良好的進氣過濾系統(tǒng)，應(yīng)能在各種溫度、濕度和污染的環(huán)境中改善進入機組的空氣質(zhì)量。燃氣輪機制造多以美國和歐洲諸國的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和運行條件為依據(jù)，其要求與國內(nèi)實際使用條件存在不小的差異，主要表現(xiàn)在地理環(huán)境、投資、運行小時數(shù)、年平均負荷、檢修頻率等方面，這些因素都會影響過濾系統(tǒng)的過濾效率和使用壽命。

1.2 進氣過濾系統(tǒng)故障的危害

進氣過濾系統(tǒng)若出現(xiàn)故障會造成以下危害：首先是對壓氣機進氣通道及葉片造成污染，通常會導(dǎo)致通流面積減少、降低級間壓縮效率及機組能耗升高，嚴(yán)重時會引起壓氣機“喘振”，危及燃氣輪機的運行安全；其次是空氣中各種有機物與無機物的顆粒雜質(zhì)在燃氣輪機通流部位因高溫作用產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕，嚴(yán)重時會堵塞透平葉片冷卻孔，削弱冷卻效果，極易造成金屬超溫。

2 進氣過濾系統(tǒng)改造案例

蘇里格發(fā)電公司位于毛烏素沙漠腹地，氣候干冷且多風(fēng)沙。2套PG9171E燃氣輪機以調(diào)峰供熱為主，年發(fā)電量1400GW·h。

2.1 PG9171E燃氣輪機進氣系統(tǒng)概況

蘇里格發(fā)電公司的燃氣輪機進氣系統(tǒng)采用美國唐納森公司單級立式GDX脈沖自清式過濾器，過濾元件為剛性濾筒，圓筒式過濾器采用高效木槳纖維濾紙，其耐破度較好。GDX脈沖自清式過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GDX脈沖自清式過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GDX脈沖自清式過濾器為單級過濾，460個濾芯組（每組2個濾芯，分為圓錐體和原柱體，共920個濾芯）按20×23排列，水平安裝在垂直隔板上，隔板將臟空氣與清潔空氣隔開。濾芯以經(jīng)過防潮處理的特殊專用紙為介質(zhì)，加工成百褶形狀，空氣流速為2.5m3／min。

過濾下來的顆粒物附著在濾芯外表面，加大了進氣阻力。當(dāng)阻力達到報警值時，脈沖壓縮空氣反吹系統(tǒng)自動啟動，脈沖空氣（壓力0.69MPa左右，脈沖時間0.1 s）從清潔管噴出，形成一次瞬間反向流動沖擊，將附著物吹掉，在重力作用下自上而下進入底部灰斗。當(dāng)濾芯阻力回落達到某一設(shè)定值時，反吹自動停止。

2.2 進氣系統(tǒng)出現(xiàn)的問題與原因分析

2.2.1 出現(xiàn)的問題

（1）機組在惡劣天氣（雨、雪、霧、霾）及春季楊、柳絮多發(fā)時間段運行，易觸發(fā)保護，引起自動降負荷甚至跳機。

（2）同壓比下，燃氣輪機出力、效率和經(jīng)濟性能下降。

（3）較大的顆粒物會通過濾芯進入通流部件，造成部件沖擊受損。損傷結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 壓氣機葉片被異物損傷

圖3 輪機動葉被異物損傷

（4）供貨商推薦進氣濾芯使用壽命為6 000～8000 h，實際使用時間已遠遠超過該推薦值。

2.2.2 原因分析

（1）蘇里格發(fā)電公司所在地風(fēng)沙大，春季楊、柳絮較多，容易造成濾芯污染。濾芯污染物主要為沙塵顆粒，反吹裝置無法完全清除濾芯內(nèi)部的污染物。

（2）在同等壓比下，由于供應(yīng)燃燒的空氣量減少，使得控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)的燃料供應(yīng)也相應(yīng)減少。

（3）隨著污染物的不斷增加，濾芯內(nèi)部的濾紙吸水、透氣性變差，使得濾紙強度變差，易被反吹的壓縮空氣打破，形成漏點。

（4）濾芯更換費用高（進口110萬元／套，國產(chǎn)60萬～70萬元／套），企業(yè)為了降低維護成本，存在超期使用的問題。

2.3 過濾系統(tǒng)改造方案

對運行和檢修狀況進行了分析論證，分析結(jié)果表明，環(huán)境與氣候是造成過濾系統(tǒng)堵塞的外因，濾芯超期使用是造成過濾系統(tǒng)堵塞的內(nèi)因，內(nèi)外因素導(dǎo)致濾芯嚴(yán)重污染。應(yīng)采取相應(yīng)措施清除濾芯污染物（或更換新濾芯），以降低濾芯的污染程度。

2.3.1 改造方案

方案1。在機組停運期間，取出濾芯，用壓縮空氣由濾芯內(nèi)側(cè)向外側(cè)反向吹掃，清除污染物后回裝。

方案2。在新濾芯外表面添加一層預(yù)過濾外套（俗稱“襪子”），把大顆粒及楊、柳絮等雜物阻擋在濾芯外表面，保持濾芯相對清潔。通過更換預(yù)過濾外套，降低了濾芯污染程度和進氣阻力升高速率。

2.3.2 方案對比

機組停運后，按方案1提出的措施，派出9個工人耗時15 d對濾芯進行了清理。機組保護性啟動時，濾芯初始壓差由清理前的627Pa下降到568Pa，效果不明顯。

針對方案1實施效果不明顯的問題，決定實施方案2，更換進氣濾芯并配套預(yù)過濾外套。煙臺寶源凈化有限公司負責(zé)現(xiàn)場測繪濾芯外形尺寸，計算了外套尺寸并繪圖。外套材質(zhì)選用人工合成纖維材料，其良好的彈性與蓬松的纖維結(jié)構(gòu)使得濾芯進氣阻力相對變小、容塵量增大。預(yù)過濾外套將濾芯側(cè)面完全包裹（長度不超過底部密封圈即可），外套結(jié)合處采用寬度50mm的尼龍粘連，便于調(diào)整與更換。濾芯預(yù)過濾外套安裝前、后對比如圖4所示，安裝效果如圖5所示。

圖4 濾芯預(yù)過濾外套安裝前、后對比

濾芯預(yù)過濾外套材質(zhì)具有一定的硬度，便于現(xiàn)場安裝操作，全部安裝工作由3名工人在3 h內(nèi)完成。

圖5 現(xiàn)場安裝效果

2.4 改造前、后數(shù)據(jù)對比

安裝預(yù)過濾外套后，機組性能得到了明顯改善。該機組使用全新濾芯，初始壓差為181 Pa，增加預(yù)過濾外套后，壓差僅增加到206Pa，表明外套材質(zhì)透氣性良好。

新濾芯效率和阻力隨進風(fēng)量的變化而變化，新?lián)Q濾芯效率測試曲線如圖6所示，新濾芯的阻力測試曲線圖7所示。

圖6 新?lián)Q濾芯效率測試曲線

圖7 新濾芯的阻力測試曲線

2.4.1 運行參數(shù)的對比

有關(guān)文獻表明，PG9171E進氣壓力損失與燃氣輪機發(fā)電機組出力和熱耗呈線性關(guān)系。分析蘇里格發(fā)電公司近年部分運行參數(shù)（見表1）可以發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）隨著燃氣輪機運行時間增加，進氣壓差逐年遞增，說明濾芯受污染程度較為嚴(yán)重。

（2）在出力基本相同情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，進氣壓差會增大。

（3）由于進氣壓差變大，燃料消耗量就會增加，這是由于壓氣機耗功增大，致使機組出力下降。

表1 蘇里格發(fā)電公司近年運行參數(shù)對比

一般來說，空氣過濾器、消聲器、進氣通道的布置和環(huán)境溫度的變化會影響燃氣輪機進氣壓力損失。有關(guān)資料表明，PG-9171E型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%，熱耗率增加0.45%，排氣溫度上升1.1℃。如果過濾效果差，會在燃氣輪機通流部分產(chǎn)生磨損、積垢和腐蝕等問題，使其不能安全正常工作，并加速燃氣輪機性能老化。

技術(shù)改造后，若遇到惡劣天氣，當(dāng)進氣壓差增加過快時，可以人工拆除預(yù)過濾外套使壓差回落。2.4.2 經(jīng)濟性能對比

由于安裝后運行時間未達到新濾芯更換周期，無法全面衡量安裝預(yù)過濾外套后壓差增加情況以及外套更換周期，所以，參照某自備燃氣輪機電廠相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比折算，計算結(jié)果見表2。

折算原則：以自備燃氣輪機電廠改造前、后對應(yīng)部件更換周期比率作為蘇里格發(fā)電公司改造前、后的折算系數(shù)，并對折算結(jié)果做適當(dāng)縮減后，作為蘇里格發(fā)電公司改造后更換周期。

折算的前提與計算方法。

（1）蘇里格發(fā)電公司所用濾芯設(shè)計使用壽命8000 h，按全年運行8000h測算，則改造前濾芯更換周期為12個月。

（2）蘇里格發(fā)電公司改造后的濾芯更換周期，參照自備燃氣輪機電廠改造前后濾筒更換周期倍率折算：蘇里格發(fā)電公司改造后的濾芯更換周期＝蘇里格改造前濾芯更換周期×［自備電廠改造后濾筒更換周期／自備電廠改造前濾筒更換周期］＝12× 1.8＝21.6（月），對結(jié)果取整，蘇里格發(fā)電公司改造后的濾芯更換周期為22個月。

（3）蘇里格發(fā)電公司改造后外套更換周期，參照自備燃氣輪機電廠外套更換周期與其改前濾筒更換的比率計算：蘇里格發(fā)電公司改造后外套更換周期＝蘇里格發(fā)電公司改造前濾芯更換周期×［自備電廠改造后外套更換周期／自備電廠改造前濾筒更換周期］＝12×0.6＝7.2（月），蘇里格發(fā)電公司改造后的外套更換周期取7個月。

表2 蘇里格發(fā)電公司改造費用折算

過濾外套在保證過濾效果和運行安全的前提下，延長了濾芯使用壽命，每年可節(jié)省維護費用44.2萬元。

2.5 地理因素和氣候方面的影響

我國空氣污染很嚴(yán)重，環(huán)境顆粒物質(zhì)量濃度達0.173～1.367mg／m3，均大于0.1mg／m3，屬于惡劣的空氣環(huán)境。不同地區(qū)空氣中顆粒的污染特性均有差異，并受大氣環(huán)境和地理因素的影響。

蘇里格發(fā)電公司電廠地處毛烏素沙漠腹地，氣候干旱，多風(fēng)沙，由于當(dāng)?shù)刂脖惶攸c，春季還混雜較多的楊、柳絮。反吹裝置可部分清除濾芯內(nèi)沙塵，但對楊柳、絮清除效果不佳。通過加裝預(yù)過濾外套，可有效地減少楊柳、絮對濾芯的污染，同時對沙塵也有一定的抑制作用。

對于氣候潮濕、空氣污染較重、霧霾時間長的地區(qū)，由于空氣濕度大，過濾元件帶水后性能如何就有待商榷。如果遇到持續(xù)的雨、霧天氣，灰塵就容易變成糊狀黏附到過濾元件上，此時若加裝預(yù)過濾外套，會使情況進一步惡化。因此，進氣過濾系統(tǒng)選型要對不同地區(qū)空氣中顆粒物污染的特性進行分析后慎重選擇。

3 結(jié)論

（1）加裝預(yù)過濾外套可操作性強，效果明顯，減少了顆粒雜質(zhì)對壓氣機葉片的沖擊，延長了濾芯及壓氣機葉片的使用壽命，降低了維護成本。

（2）若進氣壓差上升迅速，可人工拆除預(yù)過濾外套，使壓差回落，以保證機組安全運行。

（3）不同地區(qū)空氣中顆粒的污染特性各有差異，并受大氣環(huán)境和地理因素的影響。

（4）采用加裝預(yù)過濾外套措施一般適用于氣候干燥的地區(qū)，在其他地區(qū)應(yīng)用效果如何，還有待實踐檢驗。

［1］楊順虎.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備及運行［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］陳永剛，李宏蓮.PG9171E型燃氣輪機變工況特性研究.華東電力，2009，37（8）：1422-1425.

［3］白強，黃東宇.燃氣輪機空氣濾清裝置的選型分析［J］.燃氣輪機技術(shù)，1992，5（3）：35-44.

（本文責(zé)編：王書平）

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：1674-1951（2015）02-0030-04

王樹國（1972—），男，河北滄州人，工程師，工學(xué)碩士，從事燃氣輪機運行與維護方面的工作（E-mail：shuguo062150＠163.com）。

2014-07-29；

2014-11-19