燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)顆粒物監(jiān)測裝置的研制

摘 要：燃氣輪機進氣過濾器是確保壓氣機穩(wěn)定、高效運行的關(guān)鍵部件，其性能監(jiān)測至關(guān)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(shù)、機器學(xué)習(xí)算法及電遷移測量技術(shù)，成功研制了一種燃機進氣過濾系統(tǒng)顆粒物監(jiān)測裝置，該裝置安裝在過濾器前后兩端，能夠精準(zhǔn)實現(xiàn)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(shù)據(jù)，還為進氣系統(tǒng)的數(shù)字化管理提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機；進氣過濾器；顆粒物；監(jiān)測裝置；傳感器

中圖分類號：TK477""" 文獻標(biāo)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(zhì)量和壓氣機潔凈度的系統(tǒng)，是燃氣輪機安全、可靠、經(jīng)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(dāng)，會導(dǎo)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(xiàn)，壓氣機性能嚴(yán)重退化，可造成的輸出功率損失在2%～20%[3-4]。

當(dāng)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(shù)據(jù)作為衡量其實際運行性能的基準(zhǔn)，濾芯掛機實驗是在實驗結(jié)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(guān)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(yīng)用環(huán)境下的性能，與真實環(huán)境差異大，顆粒物成分不符，實驗數(shù)據(jù)存在局限性。鑒于上述問題，某燃氣輪機廠結(jié)合現(xiàn)場實際，提出研制一種燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)顆粒物在線監(jiān)測裝置的創(chuàng)新理念。

1""" 創(chuàng)新技術(shù)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(huán)境復(fù)雜多變，運維人員很難掌握進氣系統(tǒng)的實時狀態(tài)，只能依據(jù)壓降損失的變化來評估濾芯的狀態(tài)，再判斷濾芯是否需要清洗或更換，此方法存在判斷依據(jù)單一、可靠性不高等缺點[6]。文獻[7]提出了利用折合標(biāo)準(zhǔn)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(tài)。因此，基于當(dāng)前的過濾器效率檢測方法無法實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。

基于此，該燃機廠整合了光學(xué)傳感技術(shù)、多傳感技術(shù)、機器學(xué)習(xí)算法以及電遷移技術(shù)，創(chuàng)新研制了一種高效的進氣過濾系統(tǒng)性能監(jiān)測裝置。同時，基于收集到的數(shù)據(jù)，該技術(shù)采用正反向相結(jié)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(jù)。

2""" 顆粒物監(jiān)測裝置的設(shè)計

該燃機電廠位于北京市朝陽區(qū)，地理位置特殊，對空氣質(zhì)量要求高，因此，電廠需要對燃機進氣平臺的空氣質(zhì)量進行監(jiān)測。該電廠聘請第三方檢測機構(gòu)對燃機進氣平臺的空氣質(zhì)量進行檢測，發(fā)現(xiàn)在燃機進氣平臺附近存在較多揮發(fā)性有機物（VOCs），檢測結(jié)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(jīng)粗濾、精濾進入壓氣機內(nèi)部，沉積在壓氣機葉片表面，改變了葉片空氣動力學(xué)特性及流道，引起壓氣機效率的下降。因此，設(shè)計顆粒物監(jiān)測裝置，對進氣系統(tǒng)內(nèi)過濾器前、后的污染物進行監(jiān)測，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)，對過濾器的性能進行綜合評估。

2.1""" 監(jiān)測裝置的設(shè)計

為評估進氣過濾器的性能，在精濾前、后的關(guān)鍵位置分別設(shè)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(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、溫度、壓力、濕度以及TVOC的監(jiān)測，并具備污染物采樣的能力。其中，顆粒物的數(shù)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(zhì)量濃度則依據(jù)三個粒徑段進行顯示，即1、2.5、10 μm。這一設(shè)置確保了評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性[8]。

顆粒物監(jiān)測裝置的組成如圖1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)果受環(huán)境濕度和運行時間影響較大，為消除環(huán)境濕度和運行時間對測量結(jié)果的影響，采用機器學(xué)習(xí)算法，通過與SIS CPC3781和APS實驗室標(biāo)準(zhǔn)測量儀器測量結(jié)果進行比較，構(gòu)建傳遞函數(shù)。同時，采用多傳感器技術(shù)，消除傳感器安裝位置對測量結(jié)果的影響。因此，傳感器12和14將機器學(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)了對顆粒物濃度的高精度測量。此外，為了確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，傳感器組還配備了自校準(zhǔn)功能，能夠定期進行自我校準(zhǔn)，以消除長期運行中可能出現(xiàn)的偏差。傳感器11和13采用電遷移測量原理，實現(xiàn)微細顆粒物的測量與捕集。傳感器的測量結(jié)果通過USB數(shù)據(jù)線17、18傳輸至數(shù)據(jù)處理裝置19，還可通過無線或TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至遠程服務(wù)器。

由于所設(shè)計的傳感器測量范圍較大，同時具有較強的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，在內(nèi)部流道設(shè)計中可充分保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，因此，對于采樣部分，可采用較為簡單的設(shè)計，通過流量計5、6與真空泵7、8實現(xiàn)污染物的吸入。

2.2""" 監(jiān)測裝置采樣點的選擇

采樣器采樣點位置的選擇應(yīng)遵循以下原則：一是應(yīng)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(fā)生故障時起到早期預(yù)警和預(yù)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(yīng)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(jié)合現(xiàn)場位置分析，選取截面中心區(qū)域作為過濾器采樣點，可反映性能演變狀態(tài)，起到監(jiān)測、預(yù)警的作用。在該區(qū)域內(nèi)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(shù)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(tǒng)。

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(zhuǎn)90°迎風(fēng)采樣。采樣頭和管道采用一體化設(shè)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(shè)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(jiān)測裝置數(shù)據(jù)采集程序

監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)采集程序為燃機過濾器傳感器測量結(jié)果通過USB數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理裝置（圖1）。該在線粒子監(jiān)測裝置進氣數(shù)據(jù)與機組運行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)均采取在線監(jiān)測的方式進行采集，通過將現(xiàn)場取樣裝置進氣數(shù)據(jù)與電廠運行數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器，幫助技術(shù)人員對燃機過濾器進行狀態(tài)綜合分析，如圖3所示，通過數(shù)據(jù)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(jù)。

3""" 結(jié)束語

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

此裝置已在該電廠長期運行應(yīng)用，從運行狀況來看，該裝置采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，技術(shù)人員可準(zhǔn)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(chuàng)新設(shè)計值得推廣應(yīng)用。

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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(lián)合循環(huán)機組機務(wù)技術(shù)管理工作。