燃气轮机SGT800 进气系统各种配置的性价比分析

刘艳艳， 王玺， 王杰

(杭州汽轮机股份有限公司， 浙江 杭州， 310000)

0 引言

天然气是一种绿色环保、 安全可靠的清洁能源, 使用天然气发电是防止环境污染持续恶化的有效措施。 随着全世界电能消费的日益增大, 燃气轮机发电机组由于其热效率高、 污染排放小、建设周期短、 调峰性能好、 占地少、 可靠性强等优点[1], 在电力系统中扮演的角色越来越重要。 其中, 燃气轮机进气系统控制着燃机进气初温, 其不同的配置对燃机性能以及经济性存在一定影响。针对不同区域, 寻求最佳进气配置来提高燃气轮机发电系统的性能和经济性。

1 进气系统介绍及组成部件

燃机进气系统的功能可慨括为, 为了满足燃气轮机全寿命正常工作所需要的高品质燃气进气,具有流场品质、 空气洁净度、 消声、 除盐除湿、除冰降温等功能的空气动力学系统。 进气系统是由防雨罩、 除水除雾器、 2 级或3 级过滤器、 净气室、 进气管道、 消声器、 膨胀节等组成。 各组成部件基本功能如下：

位于过滤房进风口的防雨罩能有效防止雨雪进入过滤房。 防雨罩后面垂直布置聚丙烯材质（或铝合金材质） 的惯性除水除雾装置, 能有效阻挡15 μm 以上的水滴及固体颗粒物, 对后面的滤芯起到良好的保护作用[2]。 除湿效果明显, 不需要清洗、 更换, 能够满足电厂全周期运行需要。

静态过滤器分为框架式过滤器和袋式过滤器。过滤等级按照配置要求可分为M6, F7, F8, E10,E12 等, 适用于无冰, 低灰尘, 潮湿环境。 自清洁过滤器, 即圆筒型及圆锥型组合过滤器, 能过滤掉空气中更细的杂质（直径大于5 μm）, 与脉冲反吹系统配合使用。 过滤器前后设置有差压变送器, 当自清过滤器的表面灰尘累积达到一定程度后, 压差变送器报警, 压缩空气从滤筒内部向外反吹, 将聚集在滤筒外表面的灰尘吹落至集灰斗, 完成自洁过程。

进气管道里配置的消音器由多个板式消声片组成, 每个消声片内填充吸音材料, 表面由不锈钢多孔板制成, 消音片与消音器之间用支座固定。噪音经消音器时能有效衰减, 达到电厂的相关要求。

2 进气系统可选项配置介绍

SGT800 燃气轮机的进气系统分为单面进气和双面进气, 基本布置如图1 所示。

图1 燃气轮机的单面进气系统简图

根据上述设计要求, 其中冷却系统和加热系统可以按照用户需求选取, 属于设计可选项范围。具体功能如下：

加热系统是防止压气机进口结冰。 在温度较低、 湿度较大时, 附着在燃机压气机进口可转导叶（IGV）上的湿空气造成IGV 结冰冻住, 会使IGV无法正常动作而造成燃机跳闸。 而且IGV 结冰后会改变叶形、 进气冲角, 导致压气机发生喘振,造成进入的空气流量发生变化。 IGV 上结的冰一旦脱落进入压气机也会造成压气机叶片损坏[3]。 因此, 通过设计进口加热能保证燃机各个工况的正常运行。

加热系统的使用条件是环境温度在-1～5 ℃,压气机入口温度和露点温度之差小于5.6 ℃, 且环境湿度在85%以上。 SGT800 采用外界热源加热。设计要求如表1 所示。

表1 燃机进气设计要求

由于燃气轮机的发电功率和效率与空气进气温度密切相关, 随着大气温度升高, 空气密度降低, 导致流经燃气轮机进气道的空气质量流量减少, 引起燃气轮机发电功率下降。 据研究, 环境温度升高1 ℃最大可导致燃气轮机额定发电能力下降1%[4]。 进气冷却系统特别适用于全年相对湿度较低的地区, 例如新疆等。 进气冷却系统主要有2 种形式： 一种是蒸发冷却系统, 一种是冷却盘管。

进气蒸发冷却系统中蒸发冷却是指直接蒸发冷却, 是利用水在空气中蒸发时吸收潜热来降低空气温度。 它由湿帘、 布水器、 除水板、 水箱及一些附属设备组成, 如图2 所示。 通常布置在末级过滤器后面。 必须使用除盐水, 以防结垢以及喷嘴堵塞。 该冷却装置的初始成本及运行维护费用较低, 使用较普遍。

图2 进气蒸发冷却系统

冷却盘管是进气与制冷剂不直接接触的1 种冷却方式, 由管式换热器组成。 在比较常见的氨压缩制冷系统中, 氨制冷剂直接循环通过置于进气通道内的冷却盘管, 也可以采用其他制冷剂（如溴化锂等）[5]。 国内深圳某公司的PG6541B 燃气轮机安装了1 台进气冷却装置（LiBr 吸收式制冷系统）, 实现进气温度降14 ℃（大气温度31 ℃, 湿度75%）, 燃气轮机出力增加3.94 MW, 提高了13.5%[6]。 该冷却盘管冷却方式采用电动机驱动制冷剂压缩制冷, 费用较高, 而且占地面积和维修量也大, 所以该冷却方式使用较少。

3 进气系统配置经济性分析

为保证燃机的性能, 燃机进气必须满足一定的压降和过滤精度, 对SGT800 进气系统的空气过滤主要有3 种形式, 设计要求如表2 所示。

表2 燃气轮机进气过滤等级及压降要求

在普通工业地区和大部分地区, 各种过滤形式都能满足运作要求。 实际上静态过滤不适用于结冰或高粉尘地区, 其自带除水功能而更适用于潮湿、 沿海区域。 脉冲反吹过滤适用于高粉尘地区, 不适用于沿海地区, 因为沿海地区湿度大,灰尘会粘在滤芯上吹不掉, 反吹效果不好。 缺点是整套过滤器个数多、 占地面积大。

从用户维护角度来分析, 部分用户觉得静态过滤器虽然便宜, 但因为静态过滤器更换周期较短, 会导致维护费用较高, 但实际上并不是这样。假设SGT800 燃机已经运行24 000 h, 则2 级静态滤芯的更换费用为56.7 万元, 3 级静态滤芯的更换费用为72.9 万元, 而2 级反吹加静态滤芯的更换费用则达到了123.84 万元。 更换周期主要受现场季风气候的影响, 表3 所示理论数值仅供参考。目前经过多个项目的实际运行, 也逐渐摒弃了脉冲反吹过滤优于静态过滤的观念, 建议结合空气进气系统的特点和环境污染特性, 选择和安装适宜的空气进气系统。

表3 进气过滤等级理论更换周期

4 结束语

燃机进气系统的基本配置包括防雨, 过滤,消音等, 其他进气加热以及冷却系统都是可选项,应该根据空气进气温度、 湿度进行选择。

SGT800 燃机进气过滤有3 种形式, 在设计过程中, 2 级静态过滤包括前端的初始最大允许压降不得超过420 Pa, 3 级静态过滤不得超过625 Pa,2 级脉冲反吹加静态过滤的不得超过490 Pa。 静态过滤适用于低粉尘、 潮湿、 沿海区域。 脉冲反吹过滤适用于高粉尘地区, 不适用于沿海区域。从用户维护的经济角度来分析, 虽然静态过滤器更换比较频繁, 但因为价格便宜, 维护费用比较低, 占地面积小, 仍然受到部分用户的青睐。