燃气轮机进气过滤装置的运行及改进探讨

摘要：燃气轮机是以空气与燃气作为主要工质的，所以它的进口空气质量与纯净度是提升燃气轮机性能的关键性条件。由于设备空气滤网会因污染、霜冻等原因而产生堵塞，造成进气压力损失现象，使燃气轮机功率处于高损耗状态，所以必须对其进气过滤装置的运行进行改进。文章对燃气轮机进气过滤网的运行及改进进行了探讨。

关键词：燃气轮机；进气过滤装置；运行方式；滤网更换；更换周期计算模型 文献标识码：A

中图分类号：TK47 文章编号：1009-2374（2016）21-0035-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.017

由于空气中含有大量的有机物及无机物颗粒杂质，所以以空气作为主要工质的燃气轮机就必须对进口空气进行杂质过滤处理，否则长久以往就会形成腐蚀性积垢侵蚀机组叶片或者堵塞进出口空气交换能力，使得机组的寿命周期受到影响。

1 燃气轮机进气过滤系统的运行方式

就目前技术来看，行业领域中比较常见的电站燃气轮机所采用的进气过滤系统一般有两种：脉冲空气自清洗过滤装置与三级过滤装置。本文主要谈谈三级过滤装置。

三级过滤装置的主要组成部分包括预过滤器、精过滤器与惯性分离器，其中惯性分离器主要通过惯性撞击流经过滤装置中的空气，将空气中的灰尘颗粒分离并去除掉。除能分离空气灰尘颗粒之外，它还能分离水滴等液体。

预过滤器的位置处于惯性分离器和精过滤器之间，它能够拆除玻璃纤维衬垫结构，由玻璃纤维条带在经过热定型后与系统装置粘合在一起的，其本身就有一定厚度与弹性的衬垫。它的主要工作就是防止水浸透，把进入装置中的小水滴汇集成大水滴，通过衬垫将水滴以蒸发形式处理掉。

精过滤器也叫高效介质过滤器，它由高效木浆纤维滤纸和超细玻璃纤维两种物质组成，它们的作用都是为了增加系统装置的防潮性。

在技术方面，三级过滤装置会采用V形二面迎风结构来进行空气介质交换，但是它的主要问题是抗湿性不足，一旦装置受潮其内部的灰尘颗粒就会集结并形成糊状堵塞过滤网，进而导致装置气压损快速提升。如此经过一段时间后装置的滤芯就会破损，使得整个燃气轮机寿命严重缩短。

由于三级过滤装置所采用的是框式过滤器，所以它的进口空气流速一般都保持在2～3m/s，如果流速不符合标准则可能造成进口阻力损失的增加，进而导致过滤器本身的进气压力受到损失。经过实践表明，全新的进口过滤装置其进气阻力为103Pa，而受到严重污染后它的进气阻力能够达到1500Pa甚至以上，此时就必须对装置的过滤网进行优化或更换。基于以往经验来看，进气过滤装置中的精过滤器与预过滤器的更换倍比应该控制在3∶1的关系，每当预过滤器第三次更换时，就应该考虑更换一次精过滤器。

2 燃气轮机进气过滤装置的进气滤网优化改进

如上文所述，燃气轮机运行时间越长，其进气过滤装置内的预过滤器及精过滤器工作状态就越差，尤其是两种过滤器的滤网压差会越来越大，对燃气轮机机组整体的输出功率都会造成一定的阻碍，所以需要对其进气滤网进行更换优化，确保电厂持续运行的经济效益性。一般来说，目前的进气过滤装置滤网要等到压差达到设定值之后才考虑更换，但是对于电厂企业而言，其设定值还要根据自身厂址所处的大气环境位置、燃气轮机的运行方式来确定。所以从技术角度来看，进气过滤网可改进优化的地方有很多。本文所给出的是基于全生命周期内单位发电量更换成本最小原则的进气过滤网优化

方案。

2.1 进气过滤网的全生命周期成本分析

要明确燃气轮机机组中进气过滤网的生命周期成本组成，它主要包括了装置的初始建设成本、运行过程中所产生的附加成本以及停机更换成本。

在初始建设成本中，进气过滤网是由多个对滤芯组成的，企业可以根据滤芯价格来计算全套滤网装置的整体价格。考虑到由于对过滤网进行优化期间机组要停止运行，为电厂带来一定经济损失，所以要根据燃气轮机机组的实际发电负荷、汽耗率和停机更换时间来计算停机更换成本。

而在运行过程中所产生的附加成本中就主要来源于空气过滤器。这一装置虽然能够减少空气中污染物进入进气过滤装置的可能性，降低了系统的结垢速率，但它同时也增加了进气过滤系统的阻力，使得装置中的压气机在出口压力不变的情况下，压气机的压力比迅速增加，压气机的能耗不断攀升，最终导致燃气轮机的工作功率大幅度下降。所以空气过滤器的安装从某种程度上降低了燃气轮机的基本功率却提升了它的热耗率，也提升了机组运行的基本成本。

2.2 进气过滤装置滤网优化的周期计算模型

按照上文的研究，燃气轮机机组的进气过滤装置过滤网生命周期应该为T，在T范围内的成本优化模型应该为：

由此推出进气过滤网的滤网更换成本优化模型应该为：

式中：T表示滤网的更换周期（h）；Pr表示机组的运行发电效率（kW）；Ctotal表示进气过滤网的生命周期更换成本优化（万元）；△P表示周期内燃气轮机机组降低的功率（kW）。

3 燃气轮机进气过滤装置改进案例简析

基于上述燃气轮机机组的进气过滤装置滤网生命周期成本优化改进模型设计，本文从经济成本及技术两方面探讨某西部电厂的燃气轮机进气过滤装置优化改进策略。

3.1 电厂燃气轮机进气过滤装置基本情况概述

某西部电厂所采用的Trent60燃气轮机，该燃气轮机机组主要包含3个组成部分：燃气轮机、压气机以及燃烧室。它的进气过滤装置就是按照三级过滤装置来实现的。在该电厂，进气过滤装置为典型的2级多层设计：第一级设计包括了防鸟网和百叶窗；二级设计包括了粗过滤器与精过滤器两种模式。

由于西部气候比较恶劣，尤其是在春秋季常常出现沙尘天气，再配合冬季不规律的雨雪天气，该电厂进气过滤装置的过滤网压差随机组运行时间的持续而越来越大，造成了机组内部滤芯的损坏。另外，该电厂的入口滤网也存在堵塞现象，它所造成的后果就是进入燃烧室内的空气量在逐渐降低，这也就意味着能够参与燃烧的燃料量也随之降低。另外，机组压气机装置的入口滤网压差也在不断增加过程中，特别是滤网之后的进气段也受到了严重污染，使得过滤进口位置的过滤叶片污垢大量堆积，造成了燃烧轮机进气过滤装置级间压缩比的大幅度降低，而压气机的效率也在不断下降。基于以上诸多问题可以明确必须要对该厂进气过滤装置进行改进，确保恢复改善它的生产效益与经济效益。

3.2 进气过滤系统的改进措施

按照该电厂的燃气轮机进气需求，明确机组燃烧室的基本进气空气流量指标，见表1：

由表1可以发现，燃烧室随温度增加其进气流量在不断降低，进气质量也明显下降，其主要原因还应该归咎于进气过滤装置的过滤网堵塞，可过滤面积严重不足，也导致了进气过滤精度的大幅降低。按照以上问题，本文对该电厂进气过滤装置过滤网做出以下两方面改进：

首先，要对压气机进气过滤系统中的粗过滤器与细过滤器进行改良，将原本装置设计中的6袋片状结构改良为12袋折叠式结构，同时也要大幅度提升粗过滤器的过滤面积。按照原始设备的设计标准来看，粗过滤器为6袋化纤袋式粗预过滤器，它的有效过滤面积达到3m2，而设计初始压降为60Pa。为了改良进气过滤系统的空气杂质过滤能力，所以才把它改为12袋折叠式结构，同时将过滤精度提高到F7（欧洲标准），形成12袋玻璃纤维袋式过滤器。经过如此改良后，它的过滤面积达到了9m2，压降也比原来提升3倍，从整体上也增加了进气过滤装置中过滤网及滤芯的使用寿命。

其次，应该考虑在装置中压气机的系统百叶窗位置增加一道过滤网层，因为当地恶劣的风沙雨雪环境，所以新加入的过滤网层是根据精度合成化学纤维滤布所制作而成的，它附着于百叶窗之外，为进气装置形成了一道防御体系，提高了燃气轮机在恶劣天气环境下运行的安全稳定性，但它同时也会对燃机轮组整体的负荷带来一定影响。

在经过以上两点优化改进后，相比于改造前，系统的粗过滤器更换周期增加到60天左右（原来为40天），而精过滤器的更换周期也增加到200天以上（原来为40天），同时在运行过程中降低两次停机可能。如果将每次停机时间计算为24小时，那么两次停机所损失的发电量超过3000W·h。因此以平均50M的发电量来进行计算，两次停电可以直接节约粗过滤器280片，精过滤器560片，挽回直接损失超过350万元。这说明该电厂对燃气轮机进气过滤装置中过滤网的改良是非常到位的，在经济和技术上都得到了收效。

3.3 其他技术改进建议

考虑到三级过滤装置在技术改进方面与立式两面迎风进气自清洗过滤器在设计框架上基本一致，所以对三级过滤装置的改造同样不难，根据西部该电厂的技术改造经验分析，将原始过滤装置改造为自消式过滤装置具有一定可行性。一般来说，应该首先扩大过滤器的面积，保证进气压力损失使它处于一个可接受的损失范围内。由于过滤网的总面积得以扩大，所以进气过滤装置也提升了过滤器的容尘量，确保了更优的过滤效果。如此一来，机组在运行8000小时后就能收回投资成本，滤芯的使用寿命也会相应延长。

4 结语

本文基于全生命周期成本分析及西部某电厂的进气过滤装置改造案例探讨了目前燃气轮机进气过滤系统的优化改进措施，可见它的技术性改良是显而易见的，不但保证了燃气轮机的性能顺畅、改善了压气机进口的空气质量，也对燃气轮机本身的经济性提升带来了巨大

影响。

参考文献

[1] 俞立凡，方炜.9FA燃气轮机进气过滤系统的运行及改进[J].浙江电力，2007，26（6）.

[2] 程元.燃气轮机通流部件维护周期优化决策模型研究[D].浙江大学，2014.

作者简介：赵允鹏（1987-），男，安徽阜南人，山东电力建设第三工程公司助理工程师，研究方向：电力工程。

（责任编辑：蒋建华）