燃气轮机运行中在线水洗及其效果分析

王云会

摘 要：针对燃机轮机运行期间由于压气机叶片结垢导致短时间内压气机的压缩比和效率出现比较明显下降的现象，本文介绍了SGT5-4000F（+）型燃气轮机的在线水洗过程，并通过电厂实际运行中的案例，分析了燃机在水洗前后的参数变化情况，论证了在线水洗可以提高燃气轮机的运行效率。最后，总结了在线水洗过程中需要注意的一些问题。

关键词：燃气轮机； 在线水洗； 燃机效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.067

1 概述

燃气轮机较长时间连续工作以后，其进气系统吸入的空气，虽然经过逐层过滤，但微量尘埃会导致压气机通流部分逐渐出现积垢或积盐；燃气轮机在大气污染相对严重的环境之中运行，由于吸入的空气过滤不完全，短时间内可能导致压气机的压缩比和效率出现比较明显的下降，轮机叶片也因积盐而逐渐出现腐蚀现象。为解决上述问题，本厂为每台燃气轮机配置了一套SX-S-7.2/0.6G型压气机清洗装置，能够对燃气轮机的压气机进行清洗，以保证压气机的压缩比能够维持在一个合理的区间，确保燃气轮机的工作效率。

本文通过电厂实际运行中的压气机在线水洗前后的参数进行比较和分析，为该机型的压气机在线水洗工作积累了经验，为进一步改善该机型的运行条件提出了建议。

2 压气机结构与在线水洗

2.1 压气机结构

本厂使用的燃气轮机为上海电气-西门子重型单缸SGT5-4000F（+）型，压气机和透平用同轴连接，适合驱动发电机在基本负荷和尖峰负荷下运行，可以用于联合循环。

SGT5-4000F（+）型燃气轮机压气机由15级组成，每一级又分为动叶和静叶，压比约为17。压气机进气导流叶片的角度可由0°至45°变化，这样可以保证机组近半负荷时，排气温度非常稳定的，且没有明显的效率损失。

燃机疏水系统是将压气机水洗时积聚的溶液排出燃气轮机。为了保证水洗后压气机可以迅速排出液体，在特定位置安装了输水管路：压气机0级、压气机第9级、压气机第13级、压气机出口和压气机抽汽环腔。且在透平特定级和防喘放气管路和冷却空气管路的最低处也配置了疏水管路来排出清洗液。这14根疏水管路都连到母管，最终流入一个废水处理箱。各个疏水管路均可以独自关闭，这样可以有效地防止交叉流动，每条输水管都配有一个关断阀，这些关断阀必须手动打开来排出清洗液。母管中的温度由电阻式温度进行计监测，如果至少一个温度实测值超过限定值，并且测量和传输信号没有问题，则发出一个预跳机警报信号。如果测量或相关的仪表出现故障，同样触发预跳机警报。

2.2 水洗模块

SX-S-7.2/0.6G型水洗装置专为西门子燃气轮机设计制造，整个装置安装在底盘上，作为一个独立模块，能够对燃气轮机的压气机进行离线和在线清洗。水洗模块的系统图如图1所示。

主要设备加压泵和水箱固定在底盘上。水箱中有电动搅拌器，可将除盐水和清洗剂混合均匀。水箱安装有液位计显示水位。水箱侧面低位安装排污球阀。如需添加除盐水可打开手动门，如需添加清洗剂可通过水箱顶部注入。水箱内装有电加热器，在环境温度<8℃时，该加热器先将溶液加热到一定温度后再进行水洗，控制箱有温度显示仪表指示水箱内的水温。

加压泵用于給清洗液升压，并将其输送至压气机进气室内的雾化喷嘴或射流喷嘴。泵出口装有球阀和压力表。加压泵出口连接电磁阀，再通过一道滤网，最终连接至压气机进气室处，通过离线喷嘴或者在线喷嘴将液体输入压气机。加压泵出口管道上安装一块压力表。加压泵出口另有一路再循环管路返回至水箱，管路上安装有球阀，利用加压泵及该在循环管路，一则可将水箱中的除盐水及清洗剂搅拌均匀，同时也保证加药泵出口压力保持在0.7MPa左右，剩余的溶液及时溢流回水箱。

2.3 在线水洗

压气机水洗可分为在线水洗和离线水洗，离线水洗在燃机启动变频装置SFC带动下进行，整个清洗过程长达8～10小时，其中燃机冷机长达6小时。一般情况下离线水洗分四个步骤：准备、清洗、漂洗和干燥。

在线水洗来主要在燃气轮机全速或者全负荷（部分负荷）的运行状态下进行。通过进气喇叭口的喷射环，在适当的温度下，以一定的压力和流量将预先配好的清洗液均匀地喷入压气机，然后进行清洗。在整个水洗过程中，首先用清洗剂与除盐水掺混的溶液对压气机进行冲洗，然后用除盐水按照同样的清洗方式进行漂洗。此过程的水洗效果往往取决于进口处喷入液体雾化颗粒大小，水洗模块在控制水温的同时，可以把喷入压气机的雾化颗粒大小准确地控制在特定范围之内，并且可以使喷入的溶液沿圆周均匀分布，以提高水洗效果。

在线水洗可有效的延长离线水洗的间隔以减少停机次数。清洗液为除盐水或者除盐水和清洗剂的混合物，清洗过程一般约为5至10分钟。在线水洗的一般步骤为：

Step1 检查水洗装置各设备、仪表、电气连接是否正常，水箱内清洁无异物，加压泵出口电磁阀、水箱排污球阀处于关闭状态；

Step2 通过水箱顶部向水箱内添加适当比例的清洗液。为使得清洁剂充分的溶解，需起动电动搅拌器约3分钟，使除盐水与清洗剂混合均匀。也可使用循环管路搅拌约3分钟，但此过程中应保持加压泵出口电磁阀关闭、再循环管路阀门打开；

Step3 按要求降低燃机负荷并把IGV调整到相应的位置，其余需调整的运行参数也需满足水洗要求；

Step4 打开在线水洗喷嘴管路关断阀，同时保离线水洗喷嘴管路关断阀、加压泵出口电磁阀和再循环管路阀门及水箱排污阀关闭；

Step5 将水洗装置连接至电源上，并通过控制柜上的启动按钮启动加压泵，观察加压泵运行是否正常，观察加压泵出口压力表达到约0.8MPa时打开加压泵出口电磁阀，并调整再循环管路阀门开度，是加压泵出口压力表读数稳定在0.7MPa左右；

Step6 等所有的清洗液喷射完后关闭加压泵；

Step7 接着关闭在线水洗喷嘴管路关断阀、加压泵出口电磁阀，断开水洗装置电源；

Step8 打开水箱排污球阀，排出剩余的清洗液；

Step9 在线水洗过程完成。

3 压气机在线水洗运行分析

3.1 压气机在线水洗效果的量化分析

众所周知，燃气轮机的基本结构分为三部分：压气机、燃烧器和透平，因此其整体效率也受到三方面效率的共同作用：压气机效率、燃烧效率和透平效率[1]。理论上，一般轴流式压气机的性能可以由以下这些参数来描述：空气流量Ma、压缩比ε*和等熵压缩效率ηy*。在转速恒定（3000转）的条件下，压缩比ε*和等熵压缩效率ηy*随空气流量Ma的变化而变化，其函数关系曲线称为压气机特性曲线。具体关系如式（3-1）所示：

式中，p1* 和T1* 分别为进入压气机的空气总压和总温，为折合流量，为折合转速。

由（3-1）式，可以得出如下结论：对于发电燃气轮机组，在相同大气温度下工作，折合流量和折合转速可基本可以视为恒量。因此，压缩比ε*和压气机效率ηy*有明显的正比关系。简单的说，压缩比越大，压气机级数越多，则压气机的效率越高。进一步说，在进气参数恒定的情况下，压气机的压缩比越高，则其工作效率相应也就越高，即燃气轮机的效率越高。

由以上结论可知，压气机水洗后压气机出口压力p2*和压缩比ε*的增加直观地反映在燃机负荷和机组总出力的提升上，可以进一步理解为燃机效率提升，直接引起机组天然气耗率下降。

另外，随着压气机出口压力p2*的增大，透平所获得的冷却空气压力相应增大。即在压气机进口压力p1*不增加的情况下，增加了透平叶片的冷却效果；同时提高了透平运行的稳定性，从而保证了整个联合循环的效率。

综上所述，压气机长时间运行后进行水洗，可以在不增加压气机进口压力的前提下，一定程度上提升机组负荷；降低燃气消耗率；使联合循环的效率有所提升，对电厂运行的经济性具有显著意义。

3.2 压气机在线水洗效果的实际验证

本厂装备3台SGT5-4000F（+）型燃气轮机，单台燃机额定出力300MW。现由运行人员于某月18日（当天环境温度满足燃机水洗条件）4时至5时逐个对3台燃机进行在线水洗，现对水洗前后的燃机负荷与进气压力的变化情况进行分析。考虑到机组运行的绝对安全，本组数据采集于燃机运行于60%～70%额定负荷时。

由于燃机并网运行，所以燃机出力基本为定值。此时考虑衡量在线水洗效果的衡量标准，采用压气机进口压力来度量，即在相同的负荷下，如果压气机进口压力p1*较低，说明压气机的压缩比越高，则其工作效率相应也就越高，即燃气轮机的效率越高。

而压气机进口压力p1*可以通过压气机进口可调导叶（IGV）的开度来衡量，IGV开度越小，说明此时压气机进口压力p1*也就越小，达到相同的压气机出口压力p2*的情况下，IGV开度越小，说明燃气轮机的效率越高。

如图2所示，#1燃机进行在线水洗的实时参数曲线。图中，绿色线条描绘了#1燃机的实时有功输出，单位MW；红色曲线描绘了压气机进口可调导叶（IGV）的实时开度。

图2中，T1时刻为#1燃机进行在线水洗前稳定运行状态，其出力为242.9605MW，IGV开度为63.2644%；T2时刻为水洗过程中IGV开度最大值时刻，此时燃机出力为244.8105MW，IGV开度为77.0346%；T3时刻为水洗过程基本结束时刻，此时燃机出力为244.5442MW，IGV开度为62.3146%；T4时刻为水洗过程结束后稳定运行时刻，此时出力为245.3263MW，IGV开度为62.2363%。通过上面的阐述，在燃机出力稳定运行的情况下，比较#1燃机进行在线水洗前运行过程中T1时刻的IGV开度为63.2644%，和#1燃机进行在线水洗后运行过程中T4时刻IGV开度为62.2363%，会发现，T4时刻IGV开度比T1时刻IGV开度有约1%的减小幅度，说明了此时燃气轮机的效率有了一定幅度的提高。

对#2燃机和#3燃机进行在线水洗前后的参数对比曲线的分析，也会得到类似的结论，不再赘述。表1、表2、表3分别为在线水洗前后，#1、#2、#3号燃机的IGV开度数值与压比数值的对比情况，图3、图4、图5分别为#1、#2、#3号燃机的IGV开度数值的变化曲线。

4 在线水洗在运行时的注意事项

水洗装置工作环境的最大环境温度为55℃。当环境温度小于8℃时，为了防止结冰，不能直接使用水洗装置进行水洗。为了解决环境低的问题，可使用加热器将除盐水或者混合溶液加热后至合格温度后再进行水洗操作。首先将除盐水和清洗剂加入水箱，并混合搅拌均匀。然后启动电加热器并连续加热80分钟左右，此时水箱温度升高8℃左右。在加热过程中，可同时启动搅拌器，使溶液受热均匀。加压泵运行的同时加热器无法投运，当水箱内溶液温度达到25℃时，加热器会自动停止加热。

为了保证清洗喷嘴的最佳雾化效果，压气机进气系统接口处应满足：压力约6bar，流量大小为7.2m3/h。

在线水洗过程中，为了防止高温气体外泄，意外烫伤人员或者损害设备部件，应确保疏水系统的阀门关闭。燃气轮机的疏水是手动运行的。在对压气机离线水洗时积聚的清洁剂必须要排入母管中。为了完成疏水，必须打开疏水管路中的手动关断阀，在液体排净以后，再把这些阀门关上。

在线水洗时应将燃机的基本负荷降低3～5%，以确保IGV执行机构在水洗过程中可以实时进行温度控制。为了降低溶液残留在叶片上产生腐蚀的风险，在线水洗时IGV应尽可能的打开。

由于在线清洗过程需要的清洗时间短，因此相较于离线水洗其清洗效果不够显著，所以机组在启动前还需要进行必要的离线清洗。在日常维护中，对于连续运行状态的机组，应以在线清洗为主，同时实时停机进行离线清洗[2]。鉴于在线水洗除污能力有限，在燃机连续运行超过350小时后应进行一次或多次离线水洗。在线水洗可能会导致NOx、CO等排放发生变化。

5 总结

本文介绍了SGT5-4000F（+）型燃气轮机的在线水洗过程，并通过电厂实际运行中的案例，分析了燃机在水洗前后的参数变化情况，论证了在线水洗可以提高燃气轮机的运行效率。最后，总结了在线水洗过程中需要注意的一些问题。

最后，針对不同的电厂所处的环境，决定其燃机机组水洗的频率与种类。电厂运行人员应该根据电厂的日常运行经验，或者突发事件综合考虑，适当调整水洗方法和水洗周期。

参考文献：

[1]熊少军，宋馨等.V94.3A型燃汽轮机压气机离线水洗及其技术[J].河南科技，2015，555（01）：59-61.

[2]李靖.燃气轮机的清洗原因及其对策浅析[J].价值工程，2015（04）：55-56.