燃气轮机进气系统防雾霾技术研究应用

引 言

某燃气冷、热、电三联供电厂所在地为北京市昌平区。近年来，该地区每年清明节前后沙尘暴较严重，4、5月份空气中柳絮含量极高，秋冬季长期为雾霾天，空气含尘量高。环境大气作为燃气轮机的工质，影响着燃气轮机的安全与经济运行，会使燃气轮机进气系统过滤器压差快速升高，降低燃气轮机的效率与功率，造成机组被迫下调负荷或停机[1,2]。对燃机进气系统过滤器进行改造，使燃机在恶劣气候条件下能够正常运行是十分必要的，否则，既影响燃机安全、经济、稳定运行，又影响供冷供热。

1 燃气轮机进气过滤系统介绍

某厂燃气联合循环发电机组为1套300MW级燃气－蒸汽联合循环抽汽供热发电机组，配置1台燃气轮机、1台余热锅炉、1台蒸汽轮机以及2台发电机，布置类型为多轴布置。燃气轮机型号为SGT5-2000E（V94.2），最大发电出力168MW（采用德国西门子公司的技术，由上海汽轮机厂制造）。按照西门子公司9E级燃气轮机典型布置，其燃气轮机进气系统布置在燃气轮机发电机房屋顶，其作用是过滤空气中尘土、初步分离空气中液滴，并将过滤后的洁净空气供应至燃气轮机压气机，以维持燃气轮机的正常、稳定运行[3]。该套进气系统由上海华强公司设计制造，进气过滤系统设计为2级，第1级为防冻仓，从外到内依次为风雨防护罩、防柳絮网、防冰冻系统和折板除雾器；第2级为过滤器仓，含粗滤层和精滤层，其中粗滤为聚结式玻璃纤维材料，过滤等级为：G3/G4（EN779；2012），共504块；精滤为1个圆柱筒和1个圆锥筒组装式滤芯，过滤等级为：F9（EN779；2012），共616套；精滤带脉冲反吹自清洁系统可实现自动控制与手动控制。

2 问题研究分析

图1 燃机进气系统粗滤网构造

图2 燃机进气系统粗滤网构造

图3 黏附了灰尘的精滤筒

1号燃气轮发电机组自2014年7月初完成96小时满负荷试运行，转生产后一直运行到9月初机组停备，燃机进气系统F9级精过滤器从最初的180Pa初始压差逐渐升至510Pa。运行期间进行了阶段性反吹，效果不明显。9月底再次启动，机组达到满负荷后，精过滤器压差在大气湿度为75%时达到570Pa，湿度为98%时达到890Pa。在此期间，对G3级粗滤网进行更换，由于空气质量差，平均20多天更换一次粗滤网。同北京类似电厂的精过滤器使用情况进行比较，精过滤器压差上升速度较快，粗滤网更换频率高，且在精滤筒进行脉冲反吹时，整个进气系统会有一定的振动，部分滤网会脱离安装位置，造成进气短路，无法过滤空气。经过检查发现，进气过滤系统粗滤网的内部吸附有大量的灰尘并在表面形成板结，从而导致粗滤压差高并超过最大允许值；精滤筒的表面也有较大颗粒的灰尘，其黏附在精滤筒纸质材料表面，个别的精滤筒表面还有粗滤的玻璃纤维残留。以上表明燃气轮机进气系统设计存在问题，无法适应北京雾霾、风沙、雨雪等恶劣环境，机组运行的经济性有待提高。具体作如下分析：

2.1 进气系统粗滤网设计不合理

燃气轮机对进气中所含的污染物浓度及颗粒物粒径要求严格[4]。滤网作为燃气轮机进气系统的重要组成部分，负责给压气机提供过滤的清洁的空气，以满足燃气轮机运行要求，在整个机组中起着至关重要的作用[5]。燃机进气系统粗滤网构造分为可拆卸部分与不可拆卸部分。可拆卸部件包括：凝聚式玻璃纤维、不锈钢丝夹持网，不锈钢压紧网。不可拆卸部件包括：固定网、固定不锈钢框架（见图1、图2）。安装时，首先将凝聚式玻璃纤维块装入不锈钢丝夹持网，然后将夹有玻璃纤维块的不锈钢丝夹持网装入不锈钢框架里并压紧钩钉固定到网上，最后装上压紧网。粗滤网靠不锈钢丝夹持网及不锈钢压紧网的弹性变形卡在固定不锈钢框架内。为防止粗滤网在运行中脱离安装位置，造成进气短路，需将固定网上的钩钉折弯，钩住压紧网。拆卸工作为上述逆过程。

该结构存在以下缺点：一是机组长期运行时，凝聚式玻璃纤维需不断进行更换。固定网上的钩钉也需不断进行折弯、扳直操作。反复操作，金属钩钉易断裂；二是粗滤网与固定框架之间的间隙在反吹过程中会有变大的可能性。更换粗滤网时，气流会将粗滤中灰尘吹向精滤筒，污染精滤筒。更换后的粗滤不能完全杜绝气流短路的现象发生，仍会有未经过滤的空气流向精滤筒，直接影响精过滤筒的寿命；三是整个安装与拆卸操作过于复杂，更换粗滤网工作量大，作业人员如防护不当，极易将灰尘吸入身体，造成人身伤害。

2.2 北京空气湿度在早晚时较大，最大可达到98%。因空气过滤器在空气湿度较大情况下的工作性能与空气干燥时有较大区别，所以精过滤筒的压差对湿度比较敏感[6]。空气干燥时，经G3/G4级粗滤过滤后的小粒径灰尘随着机组的运行会吸附在精滤筒滤纸表面，但通过脉冲反吹，可将其从滤筒表面吹离，实现一定的反吹效果。但空气湿度较大时，小粒径灰尘会与空气中水汽混合，黏附在精滤筒滤纸表面（见图3），此时脉冲反吹不易将其吹落，无法实现预期效果。长期运行，精过滤筒表面的灰尘会不断累积，进而导致压差过快升高。

2.3 燃机进气系统原设计为粗效过滤器G3与高中效过滤器F9组合。两者的精度等级相差较大，不是最优的过滤方案。

3 进气过滤系统优化方案及应用

3.1 进气系统优化与应用的基础条件为：

3.1.1 降低燃机进气系统总压差上升速度，提高机组运行效率。

3.1.2 在燃机不停机、不降低负荷的情况下，快捷、方便地在线更换，降低维护工作量及成本。

3.1.3 精过滤筒的造价及更换费用高，需对其进行有效保护，以延长使用寿命。

3.1.4 机组进气过滤系统的框架结构已经定型，机组检修期时间短，必须根据现有结构进行改造。

根据分析的原因，结合现场实际情况，增加一层M5级中效过滤器。将原设计：粗效过滤器G3+高中效过滤器F9，优化为：粗效过滤器G3+中效过滤器M5+高中效过滤器F9。具体论述如下：

3.2 原有粗效过滤器G3布置在进气系统的过滤器仓内，紧贴在折板除雾器后安装。优化方案将其布置于防冻仓内，在折板除雾器前安装。使用不锈钢网格将G3凝聚式玻璃纤维毡固定在进气系统折板除雾器前的模架上。单块面积是原先的2倍多，数量由原先的504块变为224块。日常更换时仅需将旧的凝聚式玻璃纤维毡卷起即可拆除，将新的凝聚式玻璃纤维毡卷成柱状，展开端先与固定框一侧对齐，然后逐步展开使其填充在固定框内即可完成安装，大大的减少了更换工作量。同时，在固定框架设有防水槽，下雨天及空气湿度较大时，凝聚的水可以通过防水槽流入折板除雾器的排污管中排走。经优化的G3级粗滤网见图4。

3.3 在原有粗效过滤器G3的位置处布置中效过滤器M5。该级过滤器可选方案为：

3.3.1 采用折叠式框架结构，将2000mm×560mm×50mm固定框骨架固定在1个不锈钢框架内，进风过滤面积约为单片粗滤的3倍，在实验台进行风阻测试，初始压差仅为90Pa，单个粗滤框的容尘量约为单片粗滤的2倍，延长了粗滤的更换周期。

3.3.2 采用铝合金外框的玻纤袋式过滤器525mm×560mm×400mm-80(长m，80-数量)，其通风过滤面积为单片粗滤的10倍以上，在实验台进行风阻测试，初始压差仅为50Pa，其更换周期更长。综合比较两种方案，后者更优。中效过滤器的固定采用导槽形式，即在现在结构的基础上焊接不锈钢导槽，导槽与原结构间的缝隙用密封胶密封，玻纤袋式过滤器的铝合金外框与导槽间用PE密封条密封。该方式可有效的防止空气流短路，防止未经过滤的空气流向精滤，对精滤筒起到可靠的保护。由于是导槽结构，更换时仅需将铝合金外框滑进滑出即可，减少了更换的工作量。经优化的M5级铝合金外框的玻璃纤维袋式过滤器见图5。

图4 经优化的G3级粗滤网

3.3.3 将增加的一层M5级袋式粗滤布置于折板除雾器后面，遇到雾霾、雨雪、潮湿天气时，前面的G3级粗滤及折板除雾器会过滤掉大部分的水汽与灰尘，对其产生很好的保护作用，从而提高其使用寿命。

3.3.4 优化后的G3级粗滤是进气系统的第一级过滤，因此更换频率较高。在线更换时，只需将其卷起即可拆除，操作过程中仅有极少量灰尘被吹落。被吹落的灰尘会被后面的M5级袋式滤网过滤，从而完全杜绝了更换粗滤时对精滤筒造成污染。更换G3级粗滤时，操作人员在气流的上方，从而也从根源上杜绝了更换粗滤时，灰尘对操作人员的身体伤害。

3.3.5 优化后的燃机进气系统的总压差较优化之前会增加一个M5级袋式滤网产生的初始压差50Pa，仅占进气过滤系统压差报警值1.3KPa的3.8%。由于优化改造过滤系统可以有效地保护精滤筒，提高精滤筒的寿命，从而降低了进气系统总压差的上升速率，使燃机能较长时间的在低进气压差的阶段运行，提高了机组的效率。

4 经济效益分析

一套F9级精过滤筒的价格约为180万元，一套M5级袋式滤网的价格约为11万元，整个优化改造的费用为30万元。

4.1 按延长精过滤筒寿命的1/3计算，可得收益为180万元1/3=60万元，如在寿命延长后的整个精滤筒寿命期内更换4套M5级袋式滤网，费用为11万元×4=44万元，收益为60万元-44万元=16万元。

图5 经优化的M5级铝合金外框的玻璃纤维袋式过滤器

4.2 减少更换滤网的工作量。优化前，更换一次504块G3级粗滤网的工作量约为50人工日，优化改造后更换一次224块G3级粗滤网的工作量约为15人工日。机组年发电时间按300天计算，G3级粗滤网的更换周期按20天计算，年更换次数为15次。人工费按0.04万元/人＊天。则可节约人工费：（50天-15天）×0.04万元×15次=21万元。

4.3 优化改造后，进气系统总平均压差按降低400Pa计算。根据燃机进气系统压差与效率曲线，压差与发电系数为线性关系。现取两点读数：压差为400Pa时发电系数为0.994；当压差为800Pa时发电系数为0.988，即400Pa的压差会导致发电系数变化0.006。按机组年发电量6.1亿千瓦时，每度电价0.8元计算，可提高年经济效益：610000000千瓦×（0.994-0.988）×0.8元×10-4=292.8万元

优化改造后的第一年的净收益为：16万元+21万元+292.8万元-30万元=299.8万元。

5 结 语

优化改造燃气轮机进气过滤系统，能够有效延缓进气系统总压差上升时间，减少粗滤网更换、维护工作量，避免了更换时对作业人员的身体伤害；能够保护精滤筒，延长其使用寿命；可以增强机组对雾霾、风沙、雨雪、柳絮等恶劣天气的适应力，改善机组运行的安全性和稳定性；还可以提高燃气发电机组发电效率因数，增加机组经济效益，值得国内同类型机组进气系统的优化改造借鉴与参考。

[1]陈大兵.燃气轮机自清式过滤系统的运行和维护[J].燃气轮机技术,2014,27(2):58-61.

[2]陈坚红,程元,盛德仁,等.燃气轮机滤网更换周期优化决策模型研究[J].中国电机工程学报,34(20):3302-3307.

[3]谢亚军.燃气轮机进气过滤系统的改造[J].2013,35(7):64-65.

[4]宋子义.进气清洁度对燃气轮机影响分析[J].设备管理与维修,2007,12:16-17.

[5]徐杨锋.燃气轮机压气机滤网压差高的原因及对策[J].中国新技术新产品,2014,23:80.

[6]BrekkeO.Performancedeteri orationofintakeairfiltersforgasturbine sinoffshoreinstallations[C].Proceedin gsoftheASMETurboExpo,Glasgow,UK,2010:685-694.