新型燃气轮机进气防霜系统研制及应用

Development and Application of the New Type of Anti-frosting System

for Air Intake of Gas Turbine

李　斌1　赵磊1　马龙龙2　张　媛3

(中国石油西部管道塔里木输油气分公司1，新疆 库尔勒　841000；

中国科学院软件研究所2，北京　100190；山西省电力公司3，山西 太原　030001)

新型燃气轮机进气防霜系统研制及应用

Development and Application of the New Type of Anti-frosting System

for Air Intake of Gas Turbine

李斌1赵磊1马龙龙2张媛3

(中国石油西部管道塔里木输油气分公司1，新疆 库尔勒841000；

中国科学院软件研究所2，北京100190；山西省电力公司3，山西 太原030001)

摘要：近年来,我国天然气管道迅速发展，PGT25+型燃气轮机获得广泛应用。这类机组冬季运行时进气系统会发生不同程度的结霜现象，对燃气轮机安全运行造成严重影响。由于存在设计缺陷，制造商自带的防霜装置不能完全解决结霜问题。对燃气轮机进气系统结霜热力学过程进行了深入研究，通过分析压降、相对湿度对结霜过程的影响，自主设计研制了抽气式进气加热装置，消除了燃气轮机进气系统的结霜现象。结果表明，该装置操作界面友好，抽气量小于2%，功率损失小于7%，取得了良好的应用效果。研究成果具有广阔的推广价值。

第一作者李斌(1983-)，男，2006年毕业于西安交通大学自动化专业，获学士学位，工程师；主要从事燃气轮机的运行维护工作。

关键词：燃气轮机进气系统结霜相对湿度过滤器加热装置

Abstract：In recent years, the natural gas pipelines have been developed rapidly in our country, the PGT25+ gas turbines have been widely applied. In winter, varying degrees of frosting phenomena may occur in the air intake system of such unit, and seriously affecting the safety operation of gas turbine. Due to the design defects, the anti-frost device provided by manufacturer is unable to fully solve the problem. Depth research of the thermodynamic processes of frosting of intake system in gas turbine is conducted, through analyzing the influences of temperature drop, relative humidity to the frosting process; the suction-type intake air heating system is designed to eliminate the frosting phenomena. The results indicate that the device is equipped with operation friendly interface, the suction capacity is less than 2%; power loss is less than 7%, it possesses excellent applicable effect, and the achievement of research is worth to be popularized.

Keywords：Gas turbineAir intake systemFrostingRelative humidityFilterHeating device

0引言

近年来，随着西气东输二线、中亚管道、陕京三线等大型天然气管道的建设运行，作为压缩机驱动机的燃气轮机获得广泛应用，GE、RR和Solar是主要供应商，其中PGT25+和RB211两款改进型燃气轮机应用于30 MW功率机组[1]。这类机组冬季运行时进气系统会发生不同程度的结霜现象，直接引起燃气轮机进气系统压力损失增加，导致机组报警停机。严重时，引起压气机喘振，甚至由于冰块吸入，造成压气机叶片断裂等恶性事故。

由于空气在燃气轮机进气系统中流速急剧增加，部分热能转化为动能，进而导致空气温度降低。当温降降至当地大气条件发生“凝华结冰”所需要的温降时，就会产生结霜结冰现象。生产实践证明，燃气轮机生产厂家自带的防霜装置在设计方面存在缺陷。该防霜装置将高温高压空气引入到进气消音器前，由于滤芯在加热部位前面，因此不能完全解决过滤器滤芯表面的防霜问题[2]。本文在深入研究燃气轮机进气系统结霜热力学过程，以及分析压降、相对湿度等影响因素的基础上，自主设计研制了抽气式进气加热装置，消除了燃气轮机过滤器、消音器和进口导叶处的结霜现象。加热装置操作界面友好，抽气量小于2%，功率损失小于7%，取得了良好的应用效果[1-2]。

1燃气轮机进气系统结霜状况分析

1.1　结霜过程热力学分析

PGT25+型燃气轮机进气系统示意图如图1所示。图1中，A为阻挡式空气过滤器组件，即滤芯；B为空气过滤器箱体及过渡段；C为进气消音器；D为燃气轮机进口导叶。根据热流体流动相似原则[3-4]，图1可简化为如图2所示的空气流动等效图，其中I段为空气过滤器外侧，Ⅱ段为过滤器滤芯内外侧交接处，Ⅲ段为过滤器箱体及过渡段，Ⅳ段为进气消音器出口处，Ⅴ段为进气喇叭口稳流段，Ⅵ段为燃气轮机进口导叶处。

图1　PGT25+型燃气轮机进气系统示意图

图2　空气流动等效图

空气在燃气轮机进气系统内的速度较快，在进气道停留的时间很短，几乎与周围空间无能量交换，因此燃气轮机进气系统可视为开式、绝热、稳定流动的热力系统。由热力学第一定律可得简化的系统能量方程[5]：

(1)

气流在流经过滤器和消音器时，流道截面积逐渐减小，可近似与喷管等效。对于理想气体绝热可逆流动，过滤器和消音器出口速度与压力满足方程：

(2)

(3)

式中：v0、v1、v2、v3、v4、v5分别为空气在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段处的流速，m/s，其中过滤器入口空气流速v0较小，可忽略不计；T0、T1、T2、T3、T4、T5为空气在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段处的温度，℃；CP为空气比热，J/(kg·℃)；K为空气绝热指数，取值1.4；R为气体常数，取值8.314J/(mol·K)。

由式(1)～式(3)即可确定进气系统空气流动各截面状态参数。

1.2　计算示例

为了确定燃气轮机进气系统过滤器、消音器和进口导叶处的结霜状况，随机选取了PGT25+型燃气轮机进气系统某运行工况参数。

① 测试截面Ⅰ处空气条件，P0=91kPa，T0=-7 ℃，空气相对湿度φa=95%；

② 消音器截面Ⅲ处测试空气压力和流速，P2=90.31kPa，v2=-6m/s；

③ 进气喇叭口截面Ⅴ处测试空气压力，P4=89.9kPa；

④ 进口导叶处界面Ⅵ处测试空气流速，v5=113m/s。

联立式(1)～式(3)可得到T1=-7.33 ℃；T3=-7.59 ℃；T5=-13.4 ℃，即相对环境温度，燃气轮机进气系统滤芯部位温降为0.33K，消音器部位温降为0.26K，进口导叶部位温降为5.81K。

1.3　压降对结霜过程的影响

以孔雀河压气站GEPGT25+型燃气轮机为例。过滤器压降一般控制在700Pa以内，研究了不同环境温度下过滤器出口温度降低幅度与过滤器压降的关系，如表1所示。当地气象条件一般为大气压P0=89.04kPa，空气相对湿度φa=95%。

表1　过滤器压降与温降的关系

消音器压降一般约为400 Pa，根据式(1)～式(3)计算可得空气流经消音器的温降不超过0.34 K。因此，空气在整个进气系统中的温降不超过1.2 K。实际由于气流存在摩擦导致能量损耗，特别是气流经过消音器时，流道面积急剧减小而产生节流效应，气流产生强烈扰动和涡流现象，气体部分动能又转化为热能被气流吸收，因此进气系统实际温降可能会小于上述计算结果。根据孔雀河压气站燃气轮机实际运行情况，通常燃气轮机滤芯内外表面温降(即T1)在0.4～0.8 K，消音器出口温度(即T3)比环境温度低0.5～1 K，这与本文计算结果基本相符[3-5]。

1.4　相对湿度对结霜过程的影响

新疆地区秋冬季昼夜温差大，大气相对湿度变化也较大，例如雾天相对湿度可达95%以上，甚至达到饱和。实际情况是大气温度和相对湿度同时变化，由湿空气性质可知[6]，空气相对湿度愈接近饱和，大气温度和露点温度愈接近，当大气相对湿度达到饱和时，二者相等。孔雀河压气站冬季典型气象参数下对应的结霜温降幅度如表2所示。

表2　某压气站冬季结霜温降幅度

根据表2可以看出，结霜温降幅度与相对湿度密切相关，例如大气温度-5 ℃，相对湿度由90%提高至100%，结霜温降幅度由1.38 K减少至0。根据1.3节分析可知，气流经过进气系统时存在0.4～1.2 K的温降，正是该温降使得接近饱和的大气发生结霜，因此节流降温是结霜形成的内因，而大气相对湿度的提高是结霜形成的外因。

此外大气相对湿度减少至60%~70%，所需结霜温降幅度较大，例如大气温度-7 ℃、相对湿度60%所需的结霜温降为6.45 K，大于计算结果中进口导叶处温降5.81 K。因此，如果大气相对湿度较低，进口导叶处不宜结霜；如果相对湿度较高，由于进口导叶处温降相对过滤器和消音器大得多，结霜程度更为严重。

1.5　结霜过程其他影响因素

上述分析是假定气流均匀稳定，实际流场是不均匀的，速度大的部位结霜温降也大，即首先结霜堵塞的位置，随后速度低的位置开始增速，也开始出现结霜堵塞，从而造成恶性循环，最终造成整个进气系统堵塞。目前，燃气轮机应用的过滤器滤芯多采用木质纤维，平均孔径2～5 μm，空气相对湿度较大时，木质纤维会受潮膨胀，造成滤芯阻力增加，气道温降增加，这也是过滤器结霜的原因[7]。

2燃气轮机进气加热装置设计

综上所述，燃气轮机进气系统结霜的直接因素是空气湿度接近饱和点，间接因素是空气过滤器、消音器和进气导叶处的空气流速增加造成温降。其中，相对湿度是结霜形成的关键因素。解决方法是在一定大气温度和相对湿度条件下，在进气过滤器前配置加热进气用的加热装置。

2.1　加热位置确定

确定加热位置应综合考虑加热装置复杂性、可操作性以及加热量等因素。在燃气轮机进气过滤器前的空气进行加热，适当提高空气相对湿度，便可同时避免滤芯、消音器和进口导叶处的结霜结冰现象。加热系统相对简单、可靠，容易实现自动控制，对燃气轮机运行性能影响小。

2.2　加热温度(加热量)

根据1.2节计算结果，空气在整个进气系统中的温降不超过1.2 K，实际由于流场不均匀性，某点处温降可能会大于该值。考虑加热装置热效率和安全余量，空气加热装置按照空气温升5.6 K加以计算。

2.3　加热装置对燃气轮机的影响

孔雀河压气站加热装置通过抽取一部分压缩机高温高压空气对燃气轮机进气进行加热，这种方式会造成燃气轮机功率和热效率损失。表3给出了不同大气温度和相对湿度下加热装置的抽气量和燃气轮机功率损失。

生产实践证明，当空气相对湿度低于90%，不需启动加热装置，最大抽气量为1.55 kg/s时,占压气机总气量的1.96%(小于2%)，所造成的功率损失在7.7%以内，因此对燃气轮机的负载能力影响较小[7-8]。

表3　加热装置抽气量和燃气轮机功率损失

2.4　加热装置控制要求

抽气加热法控制原理图如图3所示。控制装置由触摸屏、PLC、控制箱、现场检测仪表等组成，可以实现防冰防霜装置的手动操作、自动操作和无人值守。

图3　抽气加热法控制原理图

为了避免抽气过程对燃气轮机运行造成干扰，抽气加热装置启动程序如下。

① 确认燃气轮机处于运行状态，并且环境温度介于-9.4～4.4℃、相对湿度大于90%时，电动阀自动打开，抽气调节阀开度在0～100%区间内缓慢调节，逐步加大抽气量。

② 调节阀开启后，进气空气温度升高5.6 K时，调节阀自动稳定在一定开度。

③ 若环境温度高于4.4 ℃或低于-9.4 ℃，调节阀缓慢关闭，再关闭电动阀。

由于抽气温度、压力较高(350～427 ℃，1.3～2.01 MPa)，为了避免高温高压气体喷出对过滤器滤芯造成破坏性影响，应通过减压阀减压降温，并通过调节阀开度，将适量高温气体喷射混合至空气过滤器滤芯的周围。注意不能直接喷射到滤芯表面，应对喷口位置和方向进行合理布置，保证滤芯表面温度不超过80 ℃。

3燃气轮机进气加热装置实施效果

孔雀河站2#燃气轮机进气加热装置自2010年投入运行以来，主要取得以下改进实施效果。

① 燃气轮机冬季正常、平稳运行，进气系统(过滤器、消音器和进口导叶处)基本无结霜结冰现象。

② 进气系统改造后能够保证原脉冲自洁式空气过滤器正常工作，不影响其正常维护、维修，不损坏高效滤芯。

③ 抽气加热装置可实现“自动”或“手动”工作，抽气量小于2%，功率损失小于7%。

④ 工程造价低，抽气式加热装置不超过30万元，与GE公司目前应用的三种防霜设计方案相比(西气东输一线管道抽气加热法、中亚管道余热利用法和河南利源蒸汽/换热加热法)，造价费用约减少10万元，经济效益十分显著。

4结束语

截至2011年底，我国天然气管道压缩机近200台，总装机功率达4 335 MW，其中燃气轮机驱动的机组146台，总功率已达3 549 MW。未来10年，我国长输天然气管道将以每年6 000 km增速进行建设。预计到2015年我国管道燃气轮机保有量将超过200台，装机容量超过5 000 MW[8]，因此本项目的研究成果具有广阔的应用推广价值，对于燃气轮机制造商提高设备质量也具有重要的指导意义。

参考文献

[1] 徐铁军.俄罗斯燃气轮机在我国天然气管道行业的应用现状[J].燃气轮机技术，2012，25(1)：12-16.

[2] 周青，崔汝东.Titan130索拉燃气机组空气预处理装置改造[J].电工技术，2006(11)：9-10.

[3] 杨建国，张兆营，鞠晓丽.工程流体力学[M].北京：北京大学出版社，2010.

[4] 靳智平.热能动力工程实验[M].北京：中国电力出版社，2011.

[5] 马立军.浅谈燃机进气口结冰原理及防冰措施[J].工业技术，2013(3)：131-132.

[6] 陈仁贵，陶月.燃气轮机进气系统结霜分析及对策[J].热能动力工程，2005，20(6)：647-649.

[7] 张炯伟.浅谈自清式空气滤清器的结霜问题[J].燃气轮机技术，1990，19(4)：35-37.

[8] 马伟平，张晓明，刘士超.中俄油气管道运行标准差异分析[J].油气储运，2013，32(4)：411-415.

《自动化仪表》邮发代号： 4-304, 2015年定价： 18.00元，全年价： 216.00元； 国外代号： M 721

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中图分类号：TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501011

修改稿收到日期：2014-07-12。