采用HEPA过滤器对燃气轮机性能的影响及经济性分析

杨小军，朱本岱，梁珊珊，仲如浩，周洪宇

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

1 概述

由于地面空气有不同程度的污染和杂质，燃气轮机在运行时吸入空气，同时也吸入空气中的杂质、灰尘、油雾等污染物。这些污染物中，大颗粒的杂质将会损伤压气机叶片，导致叶片变形、断裂等事故。细小的灰尘、油雾等污染物将会附着在压气机叶片表面，使压气机效率降低，从而降低燃气轮机的效率。所以，对于地面燃气轮机而言，均需要在进气口配置空气进气过滤器。

早期的 “F”及以下等级的燃气轮机对进气过滤器精度要求不高，一般要求直径0.4 μm杂质的过滤精度达到60%～95%，对应的过滤等级一般为F7～F9（参照EN779标准）。但随着燃气轮机功率和效率的提高，压气机通流设计更精细，压气机高效运行范围更窄，进入燃气轮机的空气中携带的污染物导致压气机性能恶化的效果越明显。因此，高精度HEPA过滤器就成为燃气轮机高效运行的重要条件，HEPA过滤器对直径0.4 μm杂质的去除率可达到99.97%。

2 燃气轮机进气过滤系统介绍

燃气轮机进气过滤器（见图1）一般由防雨罩、除湿器、粗滤芯、精滤芯、消音器、进气道、膨胀节、终端滤网等组成。其主要部件为过滤器滤芯，过滤器滤芯也可分为静态板式和自清式两种。进气过滤器还可根据现场环境的不同，也可配置特殊的功能。如柳絮较多的地区，可以在外侧增加防柳絮网。寒冷地区可配置防冰冻装置。对于沙漠干旱地区，还可配置进气冷却装置以提高燃气轮机的效率。

图1 燃气轮机进气过滤器结构示意图

3 燃气轮机进气过滤器配置

3.1 普通精度过滤器配置

早期的燃气轮机一般采用1级过滤，仅采用F7～F9等级的精滤滤芯。这样的配置会导致滤芯寿命很短，需要频繁地更换滤芯。因此，目前燃气轮机进气过滤器的滤芯配置一般采用2级过滤， 即在精滤前面再增加1级粗过滤，一般选用G4等级或者M6等级，以过滤掉较大的杂质，可以延长精过滤的寿命。

由于F7～F9等级滤芯的过滤精度一般只能将直径0.4 μm的杂质过滤掉95%。因此，仍会有部分灰尘、油雾进入燃气轮机，在压气机叶片表面形成污垢，导致燃气轮机效率有明显的下降。在这种情况下，燃气轮机就需要配置水洗系统。水洗系统配置（见图2）用于清洗掉部分压气机叶片的污垢。一般具有在线清洗和离线清洗两种模式，通常离线清洗模式具有较好的清洗效果，对于压气机效率的恢复情况更好一些。但即使是离线水洗，也不能使压气机效率完全恢复。

图2 普通精度过滤器+水洗系统

3.2 HEPA过滤器配置

HEPA过滤器提高了过滤精度，直径0.4 μm杂质的过滤精度达到99.97%。但由于其过滤精度高，如果也采用前面的1级或者2级过滤，会导致HEPA过滤器寿命很短，使用成本高。因此，HEPA过滤器的配置一般建议采用3级，即采用“粗滤+精过滤器+HEPA过滤器”的配置。这样既可以达到好的过滤效果，又能够使HEPA滤芯的寿命较长。如图3所示，第3级过滤器为HEPA过滤器。

图3 HEPA过滤器配置图

由于HEPA过滤器过滤直径0.4 μm杂质的精度为99.97%，大大减少了进入燃气轮机杂质和污染物，可较长时间保持压气机的清洁度。另外，由于水洗系统的水质往往不能达到以上清洁程度，因此在配置HEPA过滤器的情况下，不建议配置水洗系统。

4 HEPA过滤器及对燃气轮机性能的影响

4.1 HEPA过滤器

HEPA过滤器一般采用更细的纳米材料，纤维直径可达到20～50 nm等级。由于采用的纤维更细，同样过滤效率情况下阻力就更低。相比较F7～F9等级 （以F9等级为例）过滤器滤材的纤维会更粗，与HEPA级 （以E12等级为例）过滤器相比，过滤精度更差。图4、图5为上述两种等级过滤器放大后的图片对比。

图4 F9过滤器

图5 E12过滤器

对于HEPA等级过滤器其0.4 μm杂质的过滤精度为99.97%，通过实验得到的过滤效率曲线如图6所示。

图6 HEPA等级过滤器滤芯效率曲线

4.2 采用F9等级过滤器与采用HEPA过滤器对燃气轮机性能下降的影响

无论是采用F7～F9等级过滤器，还是采用HEPA过滤器，都无法使进入燃气轮机的空气携带的杂质完全过滤干净。始终会有杂质进入燃气轮机，附着在压气机叶片表面导致燃气轮机效率下降，但采用不同等级过滤器导致燃气轮机效率下降的程度是不同的。下面就采用F7～F9等级过滤器和HEPA过滤器 （以E12等级为例）两种滤芯的过滤效果导致燃气轮机压气机效率和燃机性能的下降情况进行比较分析，如图7所示。

图7 采用HEPA和F9等级过滤器的燃机性能下降曲线

从图7的曲线我们可以看出，采用HEPA过滤器的燃气机性能下降缓慢。而采用F9等级过滤器的燃气轮机性能下降较快。随着燃气轮机运行时间的增加，压气机叶片表面的脏污增加，必须选择水洗对压气机叶片进行清洗以恢复部分效率。运行一段时间后，压气机效率又会快速下降。从总体上而言，采用HEPA过滤器的燃机性能比采用F9等级过滤器的燃机性能高，运行时间越长，效果越明显。图8、图9是采用HEPA过滤器的压气机叶片在运行12 000 h后和采用F9等级过滤器的压气机叶片 （定期水洗）在运行6 000 h后的对比，采用HEPA过滤器的压气机叶片在长时间运行且没有水洗的情况下，依然比采用F9等级过滤器的压气机叶片干净得多。

图8 采用HEPA过滤器运行12 000 h

图9 采用F9等级过滤器 运行6 000 h

5 采用HEPA过滤器的经济性分析

采用HEPA过滤器能够维持压气机效率缓慢下降，维持燃气轮机出力和燃气轮机效率一直在高水平运行，给电厂带来直接的经济效益。但燃气轮机采用HEPA过滤器也会导致滤芯成本增加，那么成本增加和收益到底如何，下面我们就对采用HEPA过滤器 （E12）的燃气轮机进行经济性分析。

通过以下公式计算HEPA过滤器的收益：

HEPA收益 [元/年]=X-Y-Z

X：增加的发电出力收益

（增加的发电出力[kW]×基本负荷的年运行小时数[h/年]×电价[元/kWh]）

Y：增加的燃料费用=基本负荷燃料消耗量[m3]×运行小时数[h/年]×燃料增加率[%]×燃料单价[元/m3]

Z：采用HEPA过滤器增加的费用

（每套HEPA过滤器单价[元/套]×必要的数量[套/年]）

图10 燃机性能下降曲线平均值

以上的计算，我们基于燃机性能下降的平均值进行计算，如图10所示。若采用普通精度过滤器，压气机效率将平均恶化1.8[%rel]，压力比平均下降1.3[%rel]。采用HEPA过滤器后，压气机的效率恶化小到可以忽略，相当于恢复了这部分劣化值。

下面以某F级燃机联合循环为例，相比较采用HEPA（E12）过滤器和普通精度过滤器的联合循环性能改善，采用HEPA过滤器联合循环出力将增加0.89[%rel]，效率增加0.46[%rel]。如果单套联合循环基本负荷是478 000 kW，联合循环出力将增加4 254 kW，如表1所示。

表1 性能改善变化表

按上面的公式：

注：这里计算的HEPA寿命按1年考虑，而实际寿命可达到1.5～2年。

HEPA 收益[元/年]=X-Y-Z=12 756 000[元/年]-3 360 000[元/年]-1 440 000[元/年]

因此，对于单套F型燃气轮机联合循环机组，年运行小时数按5 000 h计算，采用HEPA过滤器比采用普通精度过滤器每年增加收益为795.6万元。当然，这里没有考虑更换HEPA滤芯的人工、停机和初期建设的投资，但这部分费用相对较少。

6 结论

通过上面的计算和分析，采用HEPA过滤器可以提高燃气轮机机组的发电出力和效率，可直接增加电厂运行的收益。不仅如此，采用HEPA过滤器还可以提高机组的可靠性，减少环境中的污染物和杂质对压气机叶片形成冲刷、腐蚀和结垢，从而降低压气机运行工况恶化的风险。再则，采用HEPA过滤器不需要使用水洗，降低了水洗的电力、供水、人工等成本以及停机造成的运行损失。此外，由于减少了压气机的性能恶化情况，可以防止在部分负荷运行情况下燃气轮机排气温度超温的可能，也降低了由于杂质堵塞透平叶片冷却孔引起叶片寿命减少的风险。