燃气轮机空气滤芯结霜堵塞预防技术

王苏雯，吕悦，叶庆凡

陕西省天然气股份有限公司（陕西 西安 710016）

0 引言

高效空气滤芯为燃气轮机提供清洁的空气，是进气通流系统除尘清杂、防腐防磨的核心元件[1]。通常空滤平台将洁净的空气输送至燃气轮机燃烧室内与天然气混合燃烧，产生的热能转化为机械能用于压缩机运转，进一步实现天然气长输管道增压功能。因此，空气滤芯性能完好是长输管道增压设备平稳作业的首要保障。然而，2020年12月份[2]，陕北地区（榆林）空气湿度达到57%，夜间最低温度达-24℃，低温外界环境使得空气滤芯表面易出现不同程度结霜冰堵现象。滤芯霜堵不仅会降低部件本体使用寿命，更会导致燃气轮机进气压降变大，燃烧室内空气不足导致燃烧不充分，压缩机功耗增加[3]，引发参数报警、异常停机、供气中断等恶劣工况，严重影响压缩机正常、平稳、安全运行。

目前，燃气轮机空气滤芯性能检测标准并未考虑环境湿度对过滤器性能影响[4]。近年来国内部分学者就高湿环境空气滤芯抗湿性能开展试验研究，李超、石俊锋等指出合成纤维滤材空气滤芯，可有效降低滤材吸水率，增强滤芯抗水雾能力[5]。张涛、刘道银等提出提高过滤器耐湿性能和进气加热可以有效解决进气系统湿堵[6]。相关研究均着重于滤芯本体结构机理分析，对于极端天气燃气轮机空气滤芯现场维护技术研究较少。因此，研究高效空气滤芯现场霜堵预防技术，对燃气轮机稳定性、经济性提升具有重要实用价值。

1 方案设计

TRIZ为前苏联发明家阿奇舒勒团队通过对大量专利分析创造发明内在规律和原理理论，认为解决矛盾是产品进化的过程[7-8]。运用该体系方法分析空气滤芯霜堵问题：冬季天然气用户用气量增加，燃气轮机需为压缩机提供更多动能保障压缩机相应功率正常运转，促使燃烧室空气需求量增加，空气滤芯单位时间进气量增大，对流换热进一步加剧空滤表面霜的形成[9-10]，结霜堵塞又会导致机组异常停机。因此，空气滤芯结霜与压缩机高功率运行存在技术矛盾。以改善参数为生产率，恶化参数为作用与物质外部的有害因素为矛盾对象，选取矛盾矩阵中介物、变害为益解决原理进行方案设计。

1.1 中介物原理应用

空气滤芯滤材组成主要为合成纤维，其导热性低于金属材料，因此设想空气滤芯平台外侧加装金属隔霜网，其主要目的是对低温湿空气进行初滤和利用金属导热性强对湿空气进行预冷除湿。由于金属的导热性强，湿空气更易在金属网表面凝结。隔霜网的设置实现了外界环境与空气滤芯元件的半物理空间隔离，一方面孔隙网状结构保障空气进入燃机正常流通；另一方面转移结霜位置，减少空气滤芯表面结霜量。因此，对比常见金属（不锈钢）丝网性能，304号不锈钢材应用广泛易获取，具有耐热、耐酸、耐腐蚀、耐磨损等性能[11]，其不锈钢丝网经济性能好，常用于气体、液体过滤和其他介质分离用。为保障隔霜效果，最大程度转移结霜量，综合考虑丝网筛孔尺寸大小对空气流量的影响，以及隔霜网与湿空气接触面积对除湿效果的影响，通过对比试验现场选用14目规格（1.40 mm筛孔）304不锈钢“双层隔霜网+人工通道门”设置隔霜部件（图1）。

图1 隔霜网现场应用

1.2 变害为益解决原理应用

燃气轮机正常运作期间需要经烟囱向外界排放高温尾气，通常烟囱根部表面温度220～262℃，设想从烟囱根部引热至隔霜网（图2）。隔霜网加热后不仅能消除结霜，减小隔霜网人工除霜成本，且能预热过滤空气提高燃气轮机的燃烧效率，实现“变废为益”资源利用。

图2 除霜设备设计示意图

因此，现场将仪表风经无缝镀锌管引至燃气轮机烟囱处，通过烟囱底部环绕铜管换热至40～50℃，再由镀锌管引至加装隔霜网处，且在镀锌管末端加装喷枪（图3、图4）。当隔霜网结霜后，通过人工操作喷枪向隔霜网喷射热空气，达到快速高效除霜目的。

图3 烟囱根部环绕铜管现场应用

图4 除霜设备喷枪现场应用

2 效果评价

分别从实用性和经济性两方面评价加装隔霜网对于预防燃气轮机滤芯结霜的有效性和可行性。

2.1 实用性评价

空气滤芯的压降是影响燃气轮机运行的关键指标，压降过大将导致燃气轮机机组异常停机，同时压降也是滤芯清理和更换的指标。因此，选取相同气量、温度、机组运行工况等客观条件，测定加装隔霜网有无对燃气轮机空气滤芯压降影响变化（表1）。

表1 有无隔霜网空气滤芯压损对比

结果表明当外部环境未构成结霜条件，滤芯及隔霜网均未发生结霜现象时，安装隔霜网对空气滤芯压降无显著影响；当外部环境使滤芯本体或隔霜网发生结霜现象时，加装隔霜网可转移结霜区域，相较于未安装隔霜网空气滤芯压损有效降低52%，不仅避免了空气滤芯表面结霜，有效避免了燃气轮机机组的异常停机，且可延长供气滤芯的使用寿命。

2.2 经济性评价

隔霜网以304不锈钢丝网为主体，周边为角钢固定，“除霜设备”以镀锌管、铜管及喷枪为材料元件，计算建设成本（表2）。

依据表2所示，未安装隔霜网单台燃气轮机更换空气滤芯（88个）成本费用为16.54万元，改造设备建设成本费用为3.54万元。结合滤芯工作时长、现场空气洁净程度及厂方建议考虑空气滤芯更换频率等因素，空气滤芯维护累计费用计算过程如下：

表2 设备改造成本对比

未安装隔霜网，更换频率1年2次：

安装隔霜网，更换频率3年1次：

式中：x表示时间，年；y表示空气滤芯设备的维护累计成本，元；INT表示数值取整。

结果表明单台燃气轮机隔霜网改造成本费用（空气滤芯更换+隔霜网）为20.08万元，为当年未安装隔霜网空滤维护费用的61%，往后每3年更换1次滤芯。无隔霜网时每年更换空气滤芯2次费用投入33.1万元，第5年时加装隔霜网空气滤芯维护费用累计36.63万元，同期无隔霜网空气滤芯维护费用累计165.44万元，节约128.81万元，且随时间两者差异呈扩大趋势，加装隔霜网空滤维护经济效益愈加显著（图5）。

图5 空气滤芯设备维护累计成本

3 结论

通过使用TRIZ原理分析燃气轮机空气滤芯平台滤芯表面结霜的问题，综合采用中介物和变害为益原理，设计了“隔霜网+除霜引热设备”的技术方案，达到了隔霜、除霜的目的。

1）燃气轮机空气滤芯平台加装隔霜网，不仅能有效避免滤芯表面结霜，将霜结于隔霜网表面，实现了结霜位置的分离，且能降低结霜工况下滤芯的压降，消除机组异常停机的隐患。同时，隔霜网对进入空气滤芯的空气进行初滤，除去空气中因风沙携带的沙尘、草籽等异物，减小滤芯负荷，延长使用周期。

2）采用喷枪向隔霜网喷射热仪表风的除霜方式，能够消除隔霜网上的结霜，有效利用了燃气轮机燃烧室尾气的热量，达到了“变废为益”的目的，提高了能量的利用效率。

3）安装隔霜网和除霜设备经济成本低、初期投资小，延长空气滤芯的使用寿命，减小滤芯更换次数，大大降低滤芯的维护费用，年均节约成本29万余元。