燃氣輪機SGT800 進氣系統(tǒng)各種配置的性價比分析

劉艷艷， 王璽， 王杰

(杭州汽輪機股份有限公司， 浙江 杭州， 310000)

0 引言

天然氣是一種綠色環(huán)保、 安全可靠的清潔能源, 使用天然氣發(fā)電是防止環(huán)境污染持續(xù)惡化的有效措施。 隨著全世界電能消費的日益增大, 燃氣輪機發(fā)電機組由于其熱效率高、 污染排放小、建設周期短、 調(diào)峰性能好、 占地少、 可靠性強等優(yōu)點[1], 在電力系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要。 其中, 燃氣輪機進氣系統(tǒng)控制著燃機進氣初溫, 其不同的配置對燃機性能以及經(jīng)濟性存在一定影響。針對不同區(qū)域, 尋求最佳進氣配置來提高燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性。

1 進氣系統(tǒng)介紹及組成部件

燃機進氣系統(tǒng)的功能可慨括為, 為了滿足燃氣輪機全壽命正常工作所需要的高品質(zhì)燃氣進氣,具有流場品質(zhì)、 空氣潔凈度、 消聲、 除鹽除濕、除冰降溫等功能的空氣動力學系統(tǒng)。 進氣系統(tǒng)是由防雨罩、 除水除霧器、 2 級或3 級過濾器、 凈氣室、 進氣管道、 消聲器、 膨脹節(jié)等組成。 各組成部件基本功能如下：

位于過濾房進風口的防雨罩能有效防止雨雪進入過濾房。 防雨罩后面垂直布置聚丙烯材質(zhì)（或鋁合金材質(zhì)） 的慣性除水除霧裝置, 能有效阻擋15 μm 以上的水滴及固體顆粒物, 對后面的濾芯起到良好的保護作用[2]。 除濕效果明顯, 不需要清洗、 更換, 能夠滿足電廠全周期運行需要。

靜態(tài)過濾器分為框架式過濾器和袋式過濾器。過濾等級按照配置要求可分為M6, F7, F8, E10,E12 等, 適用于無冰, 低灰塵, 潮濕環(huán)境。 自清潔過濾器, 即圓筒型及圓錐型組合過濾器, 能過濾掉空氣中更細的雜質(zhì)（直徑大于5 μm）, 與脈沖反吹系統(tǒng)配合使用。 過濾器前后設置有差壓變送器, 當自清過濾器的表面灰塵累積達到一定程度后, 壓差變送器報警, 壓縮空氣從濾筒內(nèi)部向外反吹, 將聚集在濾筒外表面的灰塵吹落至集灰斗, 完成自潔過程。

進氣管道里配置的消音器由多個板式消聲片組成, 每個消聲片內(nèi)填充吸音材料, 表面由不銹鋼多孔板制成, 消音片與消音器之間用支座固定。噪音經(jīng)消音器時能有效衰減, 達到電廠的相關要求。

2 進氣系統(tǒng)可選項配置介紹

SGT800 燃氣輪機的進氣系統(tǒng)分為單面進氣和雙面進氣, 基本布置如圖1 所示。

圖1 燃氣輪機的單面進氣系統(tǒng)簡圖

根據(jù)上述設計要求, 其中冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)可以按照用戶需求選取, 屬于設計可選項范圍。具體功能如下：

加熱系統(tǒng)是防止壓氣機進口結冰。 在溫度較低、 濕度較大時, 附著在燃機壓氣機進口可轉(zhuǎn)導葉（IGV）上的濕空氣造成IGV 結冰凍住, 會使IGV無法正常動作而造成燃機跳閘。 而且IGV 結冰后會改變?nèi)~形、 進氣沖角, 導致壓氣機發(fā)生喘振,造成進入的空氣流量發(fā)生變化。 IGV 上結的冰一旦脫落進入壓氣機也會造成壓氣機葉片損壞[3]。 因此, 通過設計進口加熱能保證燃機各個工況的正常運行。

加熱系統(tǒng)的使用條件是環(huán)境溫度在-1～5 ℃,壓氣機入口溫度和露點溫度之差小于5.6 ℃, 且環(huán)境濕度在85%以上。 SGT800 采用外界熱源加熱。設計要求如表1 所示。

表1 燃機進氣設計要求

由于燃氣輪機的發(fā)電功率和效率與空氣進氣溫度密切相關, 隨著大氣溫度升高, 空氣密度降低, 導致流經(jīng)燃氣輪機進氣道的空氣質(zhì)量流量減少, 引起燃氣輪機發(fā)電功率下降。 據(jù)研究, 環(huán)境溫度升高1 ℃最大可導致燃氣輪機額定發(fā)電能力下降1%[4]。 進氣冷卻系統(tǒng)特別適用于全年相對濕度較低的地區(qū), 例如新疆等。 進氣冷卻系統(tǒng)主要有2 種形式： 一種是蒸發(fā)冷卻系統(tǒng), 一種是冷卻盤管。

進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻是指直接蒸發(fā)冷卻, 是利用水在空氣中蒸發(fā)時吸收潛熱來降低空氣溫度。 它由濕簾、 布水器、 除水板、 水箱及一些附屬設備組成, 如圖2 所示。 通常布置在末級過濾器后面。 必須使用除鹽水, 以防結垢以及噴嘴堵塞。 該冷卻裝置的初始成本及運行維護費用較低, 使用較普遍。

圖2 進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

冷卻盤管是進氣與制冷劑不直接接觸的1 種冷卻方式, 由管式換熱器組成。 在比較常見的氨壓縮制冷系統(tǒng)中, 氨制冷劑直接循環(huán)通過置于進氣通道內(nèi)的冷卻盤管, 也可以采用其他制冷劑（如溴化鋰等）[5]。 國內(nèi)深圳某公司的PG6541B 燃氣輪機安裝了1 臺進氣冷卻裝置（LiBr 吸收式制冷系統(tǒng)）, 實現(xiàn)進氣溫度降14 ℃（大氣溫度31 ℃, 濕度75%）, 燃氣輪機出力增加3.94 MW, 提高了13.5%[6]。 該冷卻盤管冷卻方式采用電動機驅(qū)動制冷劑壓縮制冷, 費用較高, 而且占地面積和維修量也大, 所以該冷卻方式使用較少。

3 進氣系統(tǒng)配置經(jīng)濟性分析

為保證燃機的性能, 燃機進氣必須滿足一定的壓降和過濾精度, 對SGT800 進氣系統(tǒng)的空氣過濾主要有3 種形式, 設計要求如表2 所示。

表2 燃氣輪機進氣過濾等級及壓降要求

在普通工業(yè)地區(qū)和大部分地區(qū), 各種過濾形式都能滿足運作要求。 實際上靜態(tài)過濾不適用于結冰或高粉塵地區(qū), 其自帶除水功能而更適用于潮濕、 沿海區(qū)域。 脈沖反吹過濾適用于高粉塵地區(qū), 不適用于沿海地區(qū), 因為沿海地區(qū)濕度大,灰塵會粘在濾芯上吹不掉, 反吹效果不好。 缺點是整套過濾器個數(shù)多、 占地面積大。

從用戶維護角度來分析, 部分用戶覺得靜態(tài)過濾器雖然便宜, 但因為靜態(tài)過濾器更換周期較短, 會導致維護費用較高, 但實際上并不是這樣。假設SGT800 燃機已經(jīng)運行24 000 h, 則2 級靜態(tài)濾芯的更換費用為56.7 萬元, 3 級靜態(tài)濾芯的更換費用為72.9 萬元, 而2 級反吹加靜態(tài)濾芯的更換費用則達到了123.84 萬元。 更換周期主要受現(xiàn)場季風氣候的影響, 表3 所示理論數(shù)值僅供參考。目前經(jīng)過多個項目的實際運行, 也逐漸摒棄了脈沖反吹過濾優(yōu)于靜態(tài)過濾的觀念, 建議結合空氣進氣系統(tǒng)的特點和環(huán)境污染特性, 選擇和安裝適宜的空氣進氣系統(tǒng)。

表3 進氣過濾等級理論更換周期

4 結束語

燃機進氣系統(tǒng)的基本配置包括防雨, 過濾,消音等, 其他進氣加熱以及冷卻系統(tǒng)都是可選項,應該根據(jù)空氣進氣溫度、 濕度進行選擇。

SGT800 燃機進氣過濾有3 種形式, 在設計過程中, 2 級靜態(tài)過濾包括前端的初始最大允許壓降不得超過420 Pa, 3 級靜態(tài)過濾不得超過625 Pa,2 級脈沖反吹加靜態(tài)過濾的不得超過490 Pa。 靜態(tài)過濾適用于低粉塵、 潮濕、 沿海區(qū)域。 脈沖反吹過濾適用于高粉塵地區(qū), 不適用于沿海區(qū)域。從用戶維護的經(jīng)濟角度來分析, 雖然靜態(tài)過濾器更換比較頻繁, 但因為價格便宜, 維護費用比較低, 占地面積小, 仍然受到部分用戶的青睞。