低热值高炉煤气沿海CCPP机组空气进气系统研究分析

梁 飞 王 恒

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司)

某公司采用三菱公司的150 MW改进型701S(DA)X燃气轮机组，整体循环效率达到47%。该低热值燃气轮机联合循环发电机组将煤气与空气压缩至1.4～1.5 MPa，通过燃烧室燃烧产生的高温高压烟气，推动燃机透平膨胀做功。燃气轮机对空气的洁净度要求非常高，良好的空气质量可延长空气压缩机可调静叶及第一级动叶的检修周期，保证机组性能和运行可靠性。

作为外界空气进入燃机系统的唯一防线，进气过滤系统的选择十分重要，该公司地处唐山渤海湾曹妃甸港附近，属于典型北方沿海气候。每年5月至9月的夏季高湿度季节，11月至次年1月的大雾季节，会多次出现导致过滤器差压急剧升高的湿堵现象。

进气系统湿堵将直接开启701S(DA)X型燃机机组空气旁路门，大量未经过滤的空气直接进入空气压缩机，造成机组运行安全隐患。文章将针对进气过滤系统的设计及出现的问题进行分析及优化。

1 燃机进气过滤系统现状

1.1 燃机进气系统概述

该公司燃机空气过滤系统设计为两级过滤，如表1所示。

表1 空气过滤系统参数

经过两级过滤后，空气中直径≥0.3 μm的灰尘颗粒有99.99%留在了两级滤芯上，使进入燃机的空气十分洁净，延长了燃机空压机叶片使用寿命。

一级脉冲过滤器共配备了12段反吹压缩空气管道，通过极短时间从滤芯内部喷射压缩空气的方式，使滤芯振荡，将附着在滤芯表面的灰尘脱除。每段反吹空气管道含12个分支，由144个电磁阀控制反吹，每次反吹有6个电磁阀开启，持续约100 ms，按由上到下顺序进行。通过反吹能够一定程度延长脉冲过滤器使用寿命。

随着机组运行时间增加，滤芯中的灰尘增多，两级过滤器的差压都有不同程度的上升。为保证机组安全，过滤房单侧设3个空气旁路门，当过滤器差压总和达到2.05 kPa时，空气旁路门受外部空气压力作用打开，保证机组进气压力小于2.05 kPa，防止空气阻力过大、空气进气量过低，影响燃机冷却空气量，损伤燃机叶片。但在空气旁路门开启状态下，大量未经过滤的空气进入燃机，长期运行可能会造成空压机叶片结垢、降低性能，严重情况下甚至会造成叶片损伤。

所以当任一级滤芯差压超过设计终阻力时，都需要更换滤芯。

此机组空气系统的设计充分考虑了空气过滤器使用效果，以及在异常状况下的应对措施，能够保证燃机在环境适宜的情况下长期稳定运行。

1.2 燃机进气系统实际状况

由于不同机组所处环境不同，在实际运行过程中，滤芯的使用寿命也不同。在沿海地区，受夏季及秋季持续高湿天气影响，燃机空气过滤器滤芯易发生湿堵，差压上升变快，滤芯寿命缩短。此机组中一级脉冲滤芯直接接触大气。当大气湿度持续高于90%时，两级滤芯差压变化如表2和表3所示。

表2 一级脉冲过滤器滤芯高湿天气差压变化

表3 二级HEPA过滤器滤芯高湿天气差压变化

从表2、3可以看出，在滤芯使用过程中，前期滤芯差压较低时，大气湿度持续升高对滤芯差压影响很小；后期当滤芯使用达到设计终阻力80%以上时，大气湿度升高会造成滤芯差压急剧上升。

造成此现象的原因主要为滤芯湿堵。即在大气湿度升至80%以上时，滤芯差压在3～6 h内急剧上升，而当大气湿度降至80%后，滤芯的差压可降至湿堵发生前的状态。

通过数据对比发现，当大气湿度持续高于90%时，脉冲过滤器滤芯运行差压达到0.78 kPa的运行时间为4 000 h，HEPA过滤器滤芯运行差压达到0.679 kPa的运行时间为10 000 h，滤芯差压超过滤芯设计的终阻力1.0 kPa，为保证机组正常运行，需要更换滤芯。在同类型其他机组

使用过程中，一级滤芯使用寿命8 000 h，二级滤芯使用寿命16 000 h。

2 燃机进气过滤系统分析

2.1 进气滤芯差压急剧上升原因分析

燃机空气滤芯主要材质为木浆纤维，是一种多孔介质材料，空气流通量受局部阻力影响。当遇到高湿天气时，滤芯局部阻力增加，差压增加，空气流通量降低，发生湿堵。

湿堵主要原因为：

(1)过滤器材料含有吸水性较强的木浆纤维，吸水膨胀，挤压纤维间孔径，会降低流通面积；

(2)黏附在过滤器中的部分污染物受潮体积膨胀，降低了滤材的流通面积；

(3)滤纸受潮后强度降低，造成滤纸粘连或塌陷，气体流通面积降低，过滤器阻力增加。

根据表2、3数据可知，滤芯使用前期，滤芯日常差压在终阻力50%以下时，湿堵对滤芯影响较小；随着滤芯使用时间增加，当滤芯日常差压超过终阻力50%时，湿堵对滤芯的影响将逐渐增大。

前期滤芯污染物较少时，仅由滤芯本身材质吸水膨胀降低流通面积，造成滤芯差压变化不明显；当滤芯内污染物达到一定数量后，污染物受潮体积膨胀，同时滤芯本身材质吸水膨胀降低流通面积，局部阻力增加明显，滤芯差压增加显著。所以，滤芯内污染物受潮膨胀是湿堵后差压急剧升高的关键因素，滤芯本身材质吸水膨胀为次要因素。

2.2 湿堵对进气滤芯寿命影响

非沿海地区同类型机组滤芯使用寿命及差压变化情况为：一级脉冲过滤器约8 000 h，差压总变化Δp=pz-pc=1.0-0.12=0.88 kPa，月平均差压增加量=0.88÷8 000×720=0.079 kPa；二级HEPA过滤器约16 000 h，差压总变化Δp=pz-pc=0.75-0.2=0.55 kPa，月平均差压增加量=0.55÷16 000×720=0.024 7 kPa。

该北方沿海地区机组实际差压变化情况见表4和表5。

表4 一级脉冲过滤器不同月份差压变化

表5 二级HEPA过滤器不同月份差压变化

可以看出，月平均湿度与滤芯差压增长呈正相关趋势，当空气月平均湿度超过70%时，一级脉冲滤芯平均差压增长超过0.12 kPa，二级HEPA滤芯平均差压增长超过0.05 kPa，增长量超过非沿海地区机组滤芯差压增长量的一倍。

在滤芯运行过程中，虽然高湿天气过后大气湿度降低使滤芯差压恢复到高湿天气之前的差压，但持续高湿天气会提高滤芯差压增长幅度。当连续发生湿堵时，滤材吸水膨胀和滤纸粘连或塌陷，造成了滤材一定程度的不可逆损坏，缩短了滤材使用寿命。

考虑到在平均湿度较高月份，滤芯达到终阻力80%以上时，滤芯差压会随着湿度增加而大幅度升高，所以滤芯在高湿月份前需要满足一级脉冲过滤器差压<0.8 kPa，二级HEPA过滤器差压<0.6 kPa。

北方沿海地区每年6月至8月及11月至次年1月平均湿度较高，一级滤芯运行6个月后差压=0.12+0.6=0.72 kPa，接近设计终阻力的80%(0.8 kPa)，所以一般在4月和10月对一级滤芯进行更换，保证机组进入高湿天气前为新滤芯。二级滤芯运行12月后差压=0.2+0.19×2=0.58 kPa，达到设计终阻力的80%(0.6 kPa)，每年10月进行更换。

由于持续高湿天气造成差压变化增加，产生湿堵，目前一级滤芯寿命为4 000 h，二级滤芯寿命为8 000 h。

3 沿海CCPP机组空气系统解决方案研究

3.1 系统优化方式

国内延长CCPP机组燃机空气滤芯寿命主要方式为增加一级初过滤系统，即在脉冲过滤器前增加一套等级较低、费用较便宜的国产滤芯，并缩短该套滤芯更换周期。一般过滤等级为F5。根据现场实际情况，选择板框式或布袋式。其主要设计原理为：

(1)通过增加初级滤芯过滤空气中颗粒较大杂质，减少进入原F9脉冲过滤器滤芯的灰尘，降低后续滤芯的差压变化，延长滤芯寿命，降低更换频率，节约成本。

(2)在高湿天气下，木纤维结构材质的滤芯可吸收一定量水分，降低进入后续滤芯的空气湿度，避免后续滤芯差压的快速上升。

3.2 系统优化条件

虽然通过增加初级滤芯可延长原脉冲过滤器滤芯和HEPA滤芯的使用寿命，但也增加了燃机空气进口阻力，燃机空气滤芯阻力增加100 Pa，燃机输出功率减少0.16%。

考虑发电成本，在每个更换周期内，要求每月新增初级滤芯增加阻力要小于等于每月后续过滤芯减小的阻力。

(PF5终-PF5初)/MF5≤(0.6 kPa÷6-0.88 kPa /MF9)+(0.19 kPa÷6-0.55 kPa/MH13)

式中：PF5终为新增初级滤芯终阻力，一般为0.05kPa；PF5初为新增初级滤芯初阻力，一般为0.2kPa；MF5为新增初级滤芯运行月数；MF9为新增初级滤芯后脉冲过滤滤芯运行月数；MH13为新增初级滤芯后HEPA过滤滤芯运行月数；0.88 kPa和0.55 kPa为2.2中的Δp。

同时，以增加初级滤芯的成本为代价，减少进口脉冲过滤器滤芯和HEPA滤芯的更换，也会带来经济效益。因环境不同，更换周期也不同，需根据实际情况计算经济效益。

4 结语

通过CCPP机组在北方沿海环境下燃机空气进气系统实际运行状况，分析出滤芯湿堵是影响滤芯使用寿命的主要原因。滤芯在接近使用寿命上限时，湿堵将造成滤芯差压急速升高。同时，长期高湿天气将缩短滤芯的使用寿命。

通过分析滤芯湿堵的原因，提出解决湿堵问题的优化方向，并根据运行成本和设备成本，提出新增一套初级滤芯的理论依据。

目前项目正在考察期，对进气系统的优化效果将根据实际情况做出进一步分析。