燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)性能在線計算方法

喜靜波， 馬 賡， 竇 磊， 楊寶軒

(1. 北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰? 北京 100028； 2. 華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 保定 071003)

燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行須要吸入大量的空氣，空氣中含有的灰塵、沙粒和花粉等雜質(zhì)顆粒進(jìn)入壓氣機(jī)內(nèi)部，沉積在葉片表面，進(jìn)而影響葉片表面形貌、通流面積和輸出功率[1-3]。為了確保壓氣機(jī)及整個機(jī)組的安全運(yùn)行，在進(jìn)氣系統(tǒng)中通常安裝粗效過濾器、精濾(中、高效)過濾器以及反吹系統(tǒng)[4]，有效抑制顆粒物進(jìn)入壓氣機(jī)內(nèi)部，避免壓氣機(jī)積垢、腐蝕等失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。進(jìn)氣過濾系統(tǒng)直接影響壓氣機(jī)以及機(jī)組的性能，為確保機(jī)組的健康運(yùn)行，需要對過濾系統(tǒng)性能進(jìn)行在線監(jiān)測。

進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的性能受到多種因素的影響，包括空氣質(zhì)量流量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、IGV開度等，對于過濾器的性能趨勢分析與預(yù)測難以建立有效的數(shù)學(xué)模型，同時無法在線監(jiān)測進(jìn)氣過濾器的性能[5-6]。因此對于進(jìn)氣過濾器的性能分析與預(yù)測是目前迫切需要解決的問題[7]，該問題的解決將為過濾器的更換及安全運(yùn)行提供科學(xué)決策依據(jù)。

本文通過分析燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)性能的影響因素，以及國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的運(yùn)行工況，針對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)易出現(xiàn)的堵塞失效現(xiàn)象，提出折合到標(biāo)準(zhǔn)工況的壓降損失計算方法。針對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)易出現(xiàn)局部泄漏的失效現(xiàn)象，提出集成在線粒子測量裝置過濾效率的計算方法，并給出評價準(zhǔn)則。

1 進(jìn)氣過濾系統(tǒng)性能影響因素

燃?xì)廨啓C(jī)電廠對于進(jìn)氣過濾器的狀態(tài)評價，通?；谠荚O(shè)備制造商(original equipment manufacturer，OEM)的推薦，采用壓降損失這一指標(biāo)進(jìn)行評判。然而分析發(fā)現(xiàn)，壓降損失受到多種因素的影響，因此僅依據(jù)這一指標(biāo)，難以準(zhǔn)確評價進(jìn)氣過濾器的狀態(tài)。本文基于兩次壓氣機(jī)清洗間隔期間機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、IGV開度、機(jī)組出力和運(yùn)行時長均影響壓降損失的大小。

1.1 運(yùn)行時長

壓降損失與運(yùn)行時長之間的關(guān)系如圖1所示?？梢悦黠@看出，隨著運(yùn)行時長的增加，進(jìn)氣過濾器的壓降損失總體呈上升的趨勢，但是在某些時段呈現(xiàn)分散的狀態(tài)，因此壓降損失除與運(yùn)行時長有關(guān)，還與其他參數(shù)有關(guān)。

圖1 壓降損失與運(yùn)行時長之間的關(guān)系

為了研究壓降損失的影響因素，分別對不同環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、IGV開度下的壓降損失與運(yùn)行時長的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1.2 IGV開度

基于運(yùn)行數(shù)據(jù)，繪制了IGV不同開度下壓降損失與運(yùn)行時長關(guān)系圖，如圖2所示。不同形狀的散點代表在對應(yīng)運(yùn)行時長時壓降損失的數(shù)值，不同線形的直線代表在特定IGV開度下壓降損失的線性擬合。從圖2中可以看出該機(jī)組大多數(shù)時間工作在較低的IGV開度，在相同IGV開度下，隨著運(yùn)行時間的增長，進(jìn)氣過濾器的壓降損失呈現(xiàn)明顯的增大。在不同的IGV開度下，壓降損失所表現(xiàn)的變化趨勢是不同的，采用線性擬合的方法可以看出，隨著IGV開度的增大，其斜率先增大后減小，即壓降損失與運(yùn)行時長間的變化趨勢先上升后降低。同時可以看出，隨著IGV開度的增大，壓降損失數(shù)值呈現(xiàn)明顯增大的趨勢。

1.3 環(huán)境濕度和溫度

在固定IGV開度(45～50°)下，分析不同環(huán)境濕度和溫度下壓降損失與運(yùn)行時長之間的關(guān)系[8-9]，如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，在溫度小于0°和濕度小于10%時，均表現(xiàn)出較大的壓降損失變化率。當(dāng)溫度大于0°后，隨著溫度的升高，壓降損失變化率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。當(dāng)濕度大于10%時，隨著濕度的增加，壓降損失變化率同樣呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。濕度(或溫度)與壓降損失之間的關(guān)系和IGV與壓降損失之間的關(guān)系相同。隨著空氣濕度和環(huán)境溫度的增加，可以明顯發(fā)現(xiàn)壓降損失的數(shù)值在增大。

2 進(jìn)氣過濾系統(tǒng)折合壓降損失計算

從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，對于進(jìn)氣過濾系統(tǒng)堵塞失效的評判指標(biāo)壓降損失來說，它受到多種因素的影響，并且因素之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，難以對影響因素進(jìn)行解耦。因此，對于工作在部分負(fù)荷下的燃?xì)廨啓C(jī)來說，僅僅通過實測的壓降損失數(shù)值無法表征進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的實際狀態(tài)。為此，提出將實際運(yùn)行工況折合到標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)行壓降損失的修正[10]，從而可以通過壓降損失的修正值判斷進(jìn)氣過濾系統(tǒng)是否發(fā)生堵塞失效現(xiàn)象。

進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的壓降損失與濕度、溫度、空氣質(zhì)量流量、IGV開度和顆粒物屬性有關(guān)[11]。其中顆粒物屬性包括顆粒物類型和粒徑分布，對于標(biāo)準(zhǔn)工況下的顆粒物屬性尚未有相關(guān)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，因此在進(jìn)行壓降損失修正時暫不考慮顆粒物屬性，如公式(1)所示。顆粒物屬性對于進(jìn)氣過濾系統(tǒng)性能的影響，采用在線監(jiān)測的方法，對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的過濾效率進(jìn)行計算，進(jìn)而評估過濾系統(tǒng)的狀態(tài)。

(1)

2.1 環(huán)境濕度修正系數(shù)fh

研究表明濕度對顆粒物在物體表面的沉積具有較大影響，直接影響了進(jìn)氣系統(tǒng)的過濾性能和壓降損失。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)OEM的規(guī)定，可知標(biāo)準(zhǔn)工況下的濕度為60%，將此濕度下的壓降損失作為參考值。在進(jìn)行壓降損失修正時，引入環(huán)境濕度修正系數(shù)fh來考慮不同濕度的影響。該系數(shù)定義為實測壓降損失與60%濕度下壓降損失的比值，該比值通過圖5所示的擬合直線獲得。根據(jù)電廠的廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(supervisory information system，SIS)典型運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)篩選和處理，獲得不同濕度下壓降損失的線性擬合，如圖5所示。

圖5 壓降損失與濕度(20%～60%)之間的關(guān)系

2.2 環(huán)境溫度修正系數(shù)fT

研究表明不同溫度下空氣的粘度系數(shù)不同，溫度影響顆粒物在進(jìn)氣過濾系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)動。為表征環(huán)境溫度對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)過濾性能的影響，引入環(huán)境溫度修正系數(shù)fT。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)OEM的規(guī)定，可知標(biāo)準(zhǔn)工況下的環(huán)境溫度為15 ℃，將fT定義為實際運(yùn)行溫度下的空氣粘度系數(shù)與15 ℃下空氣粘度系數(shù)的比值。

2.3 IGV修正系數(shù)fI

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，IGV開度直接影響壓降損失的數(shù)值大小。為表征IGV開度對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)過濾性能的影響，引入IGV修正系數(shù)fI。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)OEM的規(guī)定，可知標(biāo)準(zhǔn)工況下的IGV為全開，將fI定義為實際運(yùn)行時IGV開度下的壓降損失與標(biāo)準(zhǔn)工況下壓降損失數(shù)值的比值。

2.4 空氣流量修正系數(shù)fm

顆粒物在過濾器多孔介質(zhì)內(nèi)的流動問題符合達(dá)西定律，壓降損失與進(jìn)氣過濾系統(tǒng)空氣流量之間的關(guān)系為：

(2)

式中：μ為空氣粘度，mPa·s；V為空氣在多孔過濾介質(zhì)中的流動速率，m/s；K為多孔介質(zhì)的滲透率，m/s。

從公式(2)中可以發(fā)現(xiàn)，壓降損失與空氣流速成正比，因此引入空氣流量系數(shù)fm進(jìn)行修正?？諝饬髁肯禂?shù)定義為實際運(yùn)行的空氣流量與設(shè)計工況下空氣流量的比值。

壓降損失修正值的計算如公式(3)所示。

Δpc=Δp/(fh·fT·fI·fm)

(3)

式中：Δpc為壓降損失修正值，Pa。

3 進(jìn)氣過濾系統(tǒng)過濾效率在線分析

采用壓降損失修正值，將實際運(yùn)行工況折合到標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)行分析，可實現(xiàn)對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)堵塞失效現(xiàn)象的分析。若修正值超過規(guī)定的閾值，則可判定過濾系統(tǒng)的堵塞失效。但是過濾系統(tǒng)的局部泄漏失效，會造成壓降損失的輕微下降，僅依據(jù)修正值無法評判泄漏失效形式。為解決此問題，提出在線監(jiān)測過濾效率的方法，因為過濾系統(tǒng)發(fā)生泄漏失效，壓降損失修正值下降，同時過濾效率降低。如果過濾器發(fā)生堵塞失效，則會造成壓降損失修正值和過濾效率的上升。因此，通過集成壓降損失修正值和過濾效率，輔以修正出力和熱耗，可以對進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的性能進(jìn)行綜合評判。

3.1 過濾效率在線監(jiān)測裝置設(shè)計

為評估進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的性能，在精濾前后各布置一套顆粒物采集傳感器組，如圖6所示，該傳感器組可以實現(xiàn)顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、溫度、壓力、濕度、總揮發(fā)性有機(jī)化合物(total volatile organic compounds，TVOC)的測量以及污染物的采樣。其中顆粒物的數(shù)量濃度以6個粒徑段(0.3 μm、0.5 μm、1 μm、2.5 μm、5 μm、10 μm)顯示，質(zhì)量濃度以3個粒徑段(1 μm、2.5 μm、10 μm)顯示。

1—防雨罩；2—精濾；3—采樣頭和采樣管(過濾器前)；4—采樣頭和采樣管(過濾器后)；5—流量計(前)；6—流量計(后)；7—真空泵(前)；8—真空泵(后)；9—三通閥(前)；10—三通閥(后)；11—顆粒物傳感器與采樣器(前)；12—顆粒物傳感器(前)；13—顆粒物傳感器與采樣器(后)；14—顆粒物傳感器(后)；15—顆粒物采集裝置箱體(前)；16—顆粒物采集裝置箱體(后)；17—USB數(shù)據(jù)線(前)；18—USB數(shù)據(jù)線(后)；19—數(shù)據(jù)處理裝置。圖6 顆粒物監(jiān)測裝置組成

傳感器12和14采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法、多傳感器技術(shù)和光學(xué)傳感檢測技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)0.3～10 μm顆粒物的測量，其測量原理如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)基于光學(xué)計數(shù)的顆粒物傳感器測量結(jié)果受到環(huán)境濕度和運(yùn)行時間的影響，隨著使用時間的增長，測量精度會逐漸下降。因此為消除這些因素對測量結(jié)果的影響，本裝置采用多傳感技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)相結(jié)合，通過Grimm實驗室標(biāo)準(zhǔn)測量儀器測量結(jié)果的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，構(gòu)建傳遞函數(shù)，實現(xiàn)測量傳感器的校正，進(jìn)而提高測量精度。

圖7 光學(xué)傳感測量原理

3.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)的前處理

性能計算所需要的數(shù)據(jù)包括進(jìn)氣系統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均來自于現(xiàn)場傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。然而傳感器的測量數(shù)據(jù)受到眾多因素的影響，會導(dǎo)致測量誤差和不確定測量值的出現(xiàn)，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，需要剔除異常數(shù)據(jù)和不確定性數(shù)值。

數(shù)據(jù)預(yù)處理方法包括異常數(shù)據(jù)的剔除以及平滑處理。采用3a數(shù)據(jù)剔除法對異常點進(jìn)行處理，計算如公式(4)所示。

(4)

對于空氣質(zhì)量傳感器的測量數(shù)據(jù)，每20秒采集一個數(shù)據(jù)，每小時180個數(shù)據(jù)，而電廠SIS采集數(shù)據(jù)為每小時1個數(shù)據(jù)，因此需要對空氣質(zhì)量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。采用每小時的中位數(shù)作為該時刻的典型數(shù)據(jù)。

3.3 過濾效率計算

目前針對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)性能的測試缺乏專用標(biāo)準(zhǔn)，實驗室第三方檢測通常引用一般通風(fēng)過濾器的測試標(biāo)準(zhǔn)EN779。

參照EN779，選取典型粒徑0.3 μm粒子的過濾效率作為評價依據(jù)，將過濾效率定義為：

(5)

式中：ηf為過濾器的過濾效率，%；Nbf為過濾器前相應(yīng)典型粒子的數(shù)量濃度，個/m3；Nbh為過濾器后相應(yīng)典型粒子的數(shù)量濃度，個/m3。

3.4 修正出力和熱耗計算

進(jìn)氣過濾器性能的惡化，會引起燃?xì)廨啓C(jī)性能的退化，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)性能的變化可以反向預(yù)測過濾器的狀態(tài)，對進(jìn)氣過濾器性能進(jìn)行反向評價，從而制定科學(xué)合理的維護(hù)周期和更換策略。針對燃?xì)廨啓C(jī)電廠運(yùn)行多為部分負(fù)荷的情況，提出采用折合到標(biāo)準(zhǔn)工況的修正出力和修正熱耗率間接反映過濾器的性能。

修正出力的計算公式為：

(6)

式中：Pc為修正出力，MW；P為SIS系統(tǒng)測量的實際出力，MW；p1為入口壓力，Pa；p2為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.325 Pa;T1為入口溫度，K;T2為標(biāo)準(zhǔn)工況下的溫度，288 K。

修正熱耗的計算公式為：

(7)

式中：qc為修正熱耗，GJ·MW-1·h-1；B為標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)庀牧?，m3/h；Hu為天然氣的低熱值，GJ/ m3。

4 進(jìn)氣過濾系統(tǒng)性能計算

根據(jù)第三方實驗室按照空氣過濾器過濾性能檢測標(biāo)準(zhǔn)EN779提供的檢測報告以及過濾器廠家提供的數(shù)據(jù)，設(shè)定0.3 μm典型粒徑段下過濾器的初始過濾效率為68%?？紤]空氣質(zhì)量傳感器測量數(shù)據(jù)的誤差，以及測量數(shù)據(jù)的不確定性和波動，制定進(jìn)氣過濾器的綜合評判準(zhǔn)則為：

準(zhǔn)則1：如果ηf∈(0.95,1]，過濾器處于嚴(yán)重堵塞狀態(tài)，若反吹無法緩解，且壓降損失持續(xù)過大，判定過濾器嚴(yán)重失效，需進(jìn)行更換。

準(zhǔn)則2：如果ηf∈(0.61,0.95]，過濾器處于正常使用階段，不存在泄漏的風(fēng)險，需結(jié)合SIS數(shù)據(jù)對過濾器的過濾性能進(jìn)行綜合判斷。同步觀察過濾系統(tǒng)總壓降情況，如果壓降同期增長較大(建議壓降變化不超過300 Pa)，提示注意過濾器反吹自清潔效果。此時結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)性能衰減情況，如果熱耗增加和功率輸出下降顯著，比如功率輸出下降0.5%或熱耗增加0.2%，提示過濾器超負(fù)荷或壓氣機(jī)積垢，建議更換過濾器。然后結(jié)合該段時間吸塵量和壓氣機(jī)絕熱效率衰減情況，提示壓氣機(jī)是否應(yīng)清洗(如果壓氣機(jī)效率衰減明顯，應(yīng)清洗；如果壓氣機(jī)效率沒有明顯衰減，或剛清洗完，則判斷為過濾系統(tǒng)阻力引起的功率下降，應(yīng)提示更換過濾器)。

準(zhǔn)則3：如果ηf∈(0.54,0.61]，提示過濾器維持F9過濾等級存在風(fēng)險，存在過濾器泄漏的可能，建議進(jìn)行點檢檢查。

準(zhǔn)則4：如果ηf∈[0,0.54]，提示過濾器可能失效，建議進(jìn)行更換。

將該方法應(yīng)用于北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰?1和#2機(jī)組進(jìn)氣過濾系統(tǒng)，評價周期為2021年11月1日至2021年12月5日，從壓降損失修正值可以看出兩機(jī)組沒有明顯的突變，但是從11月8日開始#1機(jī)組的壓降損失出現(xiàn)輕微下降的趨勢?；谠诰€監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)，對#1過濾效率進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)11月8日之前過濾效率維持在72%左右，11月8日之后過濾效率下降為50%左右。#2機(jī)組壓降損失修正數(shù)值沒有明顯變化，同時過濾效率一直維持在68%左右。因此，可以發(fā)現(xiàn)#2機(jī)組進(jìn)氣過濾系統(tǒng)處于健康狀態(tài)，而#1機(jī)組進(jìn)氣過濾系統(tǒng)存在泄漏風(fēng)險，需要停機(jī)點檢。以12月5日為例，#1、#2機(jī)組的的壓降損失修正值、過濾效率、修正出力和熱耗如表1所示。

表1 #1、#2機(jī)組進(jìn)氣過濾系統(tǒng)性能

5 結(jié)論

針對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾器性能缺乏在線狀態(tài)監(jiān)測，無法對進(jìn)氣過濾器性能進(jìn)行綜合評價，過濾器維護(hù)更換缺乏科學(xué)依據(jù)的技術(shù)問題，以北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰緳C(jī)組為例，對過濾系統(tǒng)性能分析方法進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論如下：

(1) 通過對過濾系統(tǒng)性能的影響因素分析，可以發(fā)現(xiàn)影響因素之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，難以實現(xiàn)因素間的解耦，因此根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行性能分析是不合理的。

(2) 基于壓降損失與過濾系統(tǒng)性能之間的敏感關(guān)系，針對在部分負(fù)荷下運(yùn)行的實際情況，通過引入影響因子，對壓降損失進(jìn)行修正，可以實現(xiàn)過濾系統(tǒng)堵塞風(fēng)險的評估。

(3) 針對無法評判過濾系統(tǒng)泄漏風(fēng)險問題，提出了在進(jìn)氣系統(tǒng)精濾前后各布置傳感器組進(jìn)行性能評價的方法。集成光學(xué)技術(shù)、電遷移技術(shù)、多傳感器技術(shù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研發(fā)了進(jìn)氣系統(tǒng)過濾性能監(jiān)測裝置，通過計算過濾效率，成功實現(xiàn)對過濾系統(tǒng)泄漏風(fēng)險的識別。