新型燃氣輪機進氣防霜系統研制及應用

Development and Application of the New Type of Anti-frosting System

for Air Intake of Gas Turbine

李　斌1　趙磊1　馬龍龍2　張　媛3

(中國石油西部管道塔里木輸油氣分公司1，新疆 庫爾勒　841000；

中國科學院軟件研究所2，北京　100190；山西省電力公司3，山西 太原　030001)

新型燃氣輪機進氣防霜系統研制及應用

Development and Application of the New Type of Anti-frosting System

for Air Intake of Gas Turbine

李斌1趙磊1馬龍龍2張媛3

(中國石油西部管道塔里木輸油氣分公司1，新疆 庫爾勒841000；

中國科學院軟件研究所2，北京100190；山西省電力公司3，山西 太原030001)

摘要：近年來,我國天然氣管道迅速發展，PGT25+型燃氣輪機獲得廣泛應用。這類機組冬季運行時進氣系統會發生不同程度的結霜現象，對燃氣輪機安全運行造成嚴重影響。由于存在設計缺陷，制造商自帶的防霜裝置不能完全解決結霜問題。對燃氣輪機進氣系統結霜熱力學過程進行了深入研究，通過分析壓降、相對濕度對結霜過程的影響，自主設計研制了抽氣式進氣加熱裝置，消除了燃氣輪機進氣系統的結霜現象。結果表明，該裝置操作界面友好，抽氣量小于2%，功率損失小于7%，取得了良好的應用效果。研究成果具有廣闊的推廣價值。

第一作者李斌(1983-)，男，2006年畢業于西安交通大學自動化專業，獲學士學位，工程師；主要從事燃氣輪機的運行維護工作。

關鍵詞：燃氣輪機進氣系統結霜相對濕度過濾器加熱裝置

Abstract：In recent years, the natural gas pipelines have been developed rapidly in our country, the PGT25+ gas turbines have been widely applied. In winter, varying degrees of frosting phenomena may occur in the air intake system of such unit, and seriously affecting the safety operation of gas turbine. Due to the design defects, the anti-frost device provided by manufacturer is unable to fully solve the problem. Depth research of the thermodynamic processes of frosting of intake system in gas turbine is conducted, through analyzing the influences of temperature drop, relative humidity to the frosting process; the suction-type intake air heating system is designed to eliminate the frosting phenomena. The results indicate that the device is equipped with operation friendly interface, the suction capacity is less than 2%; power loss is less than 7%, it possesses excellent applicable effect, and the achievement of research is worth to be popularized.

Keywords：Gas turbineAir intake systemFrostingRelative humidityFilterHeating device

0引言

近年來，隨著西氣東輸二線、中亞管道、陜京三線等大型天然氣管道的建設運行，作為壓縮機驅動機的燃氣輪機獲得廣泛應用，GE、RR和Solar是主要供應商，其中PGT25+和RB211兩款改進型燃氣輪機應用于30 MW功率機組[1]。這類機組冬季運行時進氣系統會發生不同程度的結霜現象，直接引起燃氣輪機進氣系統壓力損失增加，導致機組報警停機。嚴重時，引起壓氣機喘振，甚至由于冰塊吸入，造成壓氣機葉片斷裂等惡性事故。

由于空氣在燃氣輪機進氣系統中流速急劇增加，部分熱能轉化為動能，進而導致空氣溫度降低。當溫降降至當地大氣條件發生“凝華結冰”所需要的溫降時，就會產生結霜結冰現象。生產實踐證明，燃氣輪機生產廠家自帶的防霜裝置在設計方面存在缺陷。該防霜裝置將高溫高壓空氣引入到進氣消音器前，由于濾芯在加熱部位前面，因此不能完全解決過濾器濾芯表面的防霜問題[2]。本文在深入研究燃氣輪機進氣系統結霜熱力學過程，以及分析壓降、相對濕度等影響因素的基礎上，自主設計研制了抽氣式進氣加熱裝置，消除了燃氣輪機過濾器、消音器和進口導葉處的結霜現象。加熱裝置操作界面友好，抽氣量小于2%，功率損失小于7%，取得了良好的應用效果[1-2]。

1燃氣輪機進氣系統結霜狀況分析

1.1　結霜過程熱力學分析

PGT25+型燃氣輪機進氣系統示意圖如圖1所示。圖1中，A為阻擋式空氣過濾器組件，即濾芯；B為空氣過濾器箱體及過渡段；C為進氣消音器；D為燃氣輪機進口導葉。根據熱流體流動相似原則[3-4]，圖1可簡化為如圖2所示的空氣流動等效圖，其中I段為空氣過濾器外側，Ⅱ段為過濾器濾芯內外側交接處，Ⅲ段為過濾器箱體及過渡段，Ⅳ段為進氣消音器出口處，Ⅴ段為進氣喇叭口穩流段，Ⅵ段為燃氣輪機進口導葉處。

圖1　PGT25+型燃氣輪機進氣系統示意圖

圖2　空氣流動等效圖

空氣在燃氣輪機進氣系統內的速度較快，在進氣道停留的時間很短，幾乎與周圍空間無能量交換，因此燃氣輪機進氣系統可視為開式、絕熱、穩定流動的熱力系統。由熱力學第一定律可得簡化的系統能量方程[5]：

(1)

氣流在流經過濾器和消音器時，流道截面積逐漸減小，可近似與噴管等效。對于理想氣體絕熱可逆流動，過濾器和消音器出口速度與壓力滿足方程：

(2)

(3)

式中：v0、v1、v2、v3、v4、v5分別為空氣在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段處的流速，m/s，其中過濾器入口空氣流速v0較小，可忽略不計；T0、T1、T2、T3、T4、T5為空氣在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段處的溫度，℃；CP為空氣比熱，J/(kg·℃)；K為空氣絕熱指數，取值1.4；R為氣體常數，取值8.314J/(mol·K)。

由式(1)～式(3)即可確定進氣系統空氣流動各截面狀態參數。

1.2　計算示例

為了確定燃氣輪機進氣系統過濾器、消音器和進口導葉處的結霜狀況，隨機選取了PGT25+型燃氣輪機進氣系統某運行工況參數。

① 測試截面Ⅰ處空氣條件，P0=91kPa，T0=-7 ℃，空氣相對濕度φa=95%；

② 消音器截面Ⅲ處測試空氣壓力和流速，P2=90.31kPa，v2=-6m/s；

③ 進氣喇叭口截面Ⅴ處測試空氣壓力，P4=89.9kPa；

④ 進口導葉處界面Ⅵ處測試空氣流速，v5=113m/s。

聯立式(1)～式(3)可得到T1=-7.33 ℃；T3=-7.59 ℃；T5=-13.4 ℃，即相對環境溫度，燃氣輪機進氣系統濾芯部位溫降為0.33K，消音器部位溫降為0.26K，進口導葉部位溫降為5.81K。

1.3　壓降對結霜過程的影響

以孔雀河壓氣站GEPGT25+型燃氣輪機為例。過濾器壓降一般控制在700Pa以內，研究了不同環境溫度下過濾器出口溫度降低幅度與過濾器壓降的關系，如表1所示。當地氣象條件一般為大氣壓P0=89.04kPa，空氣相對濕度φa=95%。

表1　過濾器壓降與溫降的關系

消音器壓降一般約為400 Pa，根據式(1)～式(3)計算可得空氣流經消音器的溫降不超過0.34 K。因此，空氣在整個進氣系統中的溫降不超過1.2 K。實際由于氣流存在摩擦導致能量損耗，特別是氣流經過消音器時，流道面積急劇減小而產生節流效應，氣流產生強烈擾動和渦流現象，氣體部分動能又轉化為熱能被氣流吸收，因此進氣系統實際溫降可能會小于上述計算結果。根據孔雀河壓氣站燃氣輪機實際運行情況，通常燃氣輪機濾芯內外表面溫降(即T1)在0.4～0.8 K，消音器出口溫度(即T3)比環境溫度低0.5～1 K，這與本文計算結果基本相符[3-5]。

1.4　相對濕度對結霜過程的影響

新疆地區秋冬季晝夜溫差大，大氣相對濕度變化也較大，例如霧天相對濕度可達95%以上，甚至達到飽和。實際情況是大氣溫度和相對濕度同時變化，由濕空氣性質可知[6]，空氣相對濕度愈接近飽和，大氣溫度和露點溫度愈接近，當大氣相對濕度達到飽和時，二者相等。孔雀河壓氣站冬季典型氣象參數下對應的結霜溫降幅度如表2所示。

表2　某壓氣站冬季結霜溫降幅度

根據表2可以看出，結霜溫降幅度與相對濕度密切相關，例如大氣溫度-5 ℃，相對濕度由90%提高至100%，結霜溫降幅度由1.38 K減少至0。根據1.3節分析可知，氣流經過進氣系統時存在0.4～1.2 K的溫降，正是該溫降使得接近飽和的大氣發生結霜，因此節流降溫是結霜形成的內因，而大氣相對濕度的提高是結霜形成的外因。

此外大氣相對濕度減少至60%~70%，所需結霜溫降幅度較大，例如大氣溫度-7 ℃、相對濕度60%所需的結霜溫降為6.45 K，大于計算結果中進口導葉處溫降5.81 K。因此，如果大氣相對濕度較低，進口導葉處不宜結霜；如果相對濕度較高，由于進口導葉處溫降相對過濾器和消音器大得多，結霜程度更為嚴重。

1.5　結霜過程其他影響因素

上述分析是假定氣流均勻穩定，實際流場是不均勻的，速度大的部位結霜溫降也大，即首先結霜堵塞的位置，隨后速度低的位置開始增速，也開始出現結霜堵塞，從而造成惡性循環，最終造成整個進氣系統堵塞。目前，燃氣輪機應用的過濾器濾芯多采用木質纖維，平均孔徑2～5 μm，空氣相對濕度較大時，木質纖維會受潮膨脹，造成濾芯阻力增加，氣道溫降增加，這也是過濾器結霜的原因[7]。

2燃氣輪機進氣加熱裝置設計

綜上所述，燃氣輪機進氣系統結霜的直接因素是空氣濕度接近飽和點，間接因素是空氣過濾器、消音器和進氣導葉處的空氣流速增加造成溫降。其中，相對濕度是結霜形成的關鍵因素。解決方法是在一定大氣溫度和相對濕度條件下，在進氣過濾器前配置加熱進氣用的加熱裝置。

2.1　加熱位置確定

確定加熱位置應綜合考慮加熱裝置復雜性、可操作性以及加熱量等因素。在燃氣輪機進氣過濾器前的空氣進行加熱，適當提高空氣相對濕度，便可同時避免濾芯、消音器和進口導葉處的結霜結冰現象。加熱系統相對簡單、可靠，容易實現自動控制，對燃氣輪機運行性能影響小。

2.2　加熱溫度(加熱量)

根據1.2節計算結果，空氣在整個進氣系統中的溫降不超過1.2 K，實際由于流場不均勻性，某點處溫降可能會大于該值。考慮加熱裝置熱效率和安全余量，空氣加熱裝置按照空氣溫升5.6 K加以計算。

2.3　加熱裝置對燃氣輪機的影響

孔雀河壓氣站加熱裝置通過抽取一部分壓縮機高溫高壓空氣對燃氣輪機進氣進行加熱，這種方式會造成燃氣輪機功率和熱效率損失。表3給出了不同大氣溫度和相對濕度下加熱裝置的抽氣量和燃氣輪機功率損失。

生產實踐證明，當空氣相對濕度低于90%，不需啟動加熱裝置，最大抽氣量為1.55 kg/s時,占壓氣機總氣量的1.96%(小于2%)，所造成的功率損失在7.7%以內，因此對燃氣輪機的負載能力影響較小[7-8]。

表3　加熱裝置抽氣量和燃氣輪機功率損失

2.4　加熱裝置控制要求

抽氣加熱法控制原理圖如圖3所示。控制裝置由觸摸屏、PLC、控制箱、現場檢測儀表等組成，可以實現防冰防霜裝置的手動操作、自動操作和無人值守。

圖3　抽氣加熱法控制原理圖

為了避免抽氣過程對燃氣輪機運行造成干擾，抽氣加熱裝置啟動程序如下。

① 確認燃氣輪機處于運行狀態，并且環境溫度介于-9.4～4.4℃、相對濕度大于90%時，電動閥自動打開，抽氣調節閥開度在0～100%區間內緩慢調節，逐步加大抽氣量。

② 調節閥開啟后，進氣空氣溫度升高5.6 K時，調節閥自動穩定在一定開度。

③ 若環境溫度高于4.4 ℃或低于-9.4 ℃，調節閥緩慢關閉，再關閉電動閥。

由于抽氣溫度、壓力較高(350～427 ℃，1.3～2.01 MPa)，為了避免高溫高壓氣體噴出對過濾器濾芯造成破壞性影響，應通過減壓閥減壓降溫，并通過調節閥開度，將適量高溫氣體噴射混合至空氣過濾器濾芯的周圍。注意不能直接噴射到濾芯表面，應對噴口位置和方向進行合理布置，保證濾芯表面溫度不超過80 ℃。

3燃氣輪機進氣加熱裝置實施效果

孔雀河站2#燃氣輪機進氣加熱裝置自2010年投入運行以來，主要取得以下改進實施效果。

① 燃氣輪機冬季正常、平穩運行，進氣系統(過濾器、消音器和進口導葉處)基本無結霜結冰現象。

② 進氣系統改造后能夠保證原脈沖自潔式空氣過濾器正常工作，不影響其正常維護、維修，不損壞高效濾芯。

③ 抽氣加熱裝置可實現“自動”或“手動”工作，抽氣量小于2%，功率損失小于7%。

④ 工程造價低，抽氣式加熱裝置不超過30萬元，與GE公司目前應用的三種防霜設計方案相比(西氣東輸一線管道抽氣加熱法、中亞管道余熱利用法和河南利源蒸汽/換熱加熱法)，造價費用約減少10萬元，經濟效益十分顯著。

4結束語

截至2011年底，我國天然氣管道壓縮機近200臺，總裝機功率達4 335 MW，其中燃氣輪機驅動的機組146臺，總功率已達3 549 MW。未來10年，我國長輸天然氣管道將以每年6 000 km增速進行建設。預計到2015年我國管道燃氣輪機保有量將超過200臺，裝機容量超過5 000 MW[8]，因此本項目的研究成果具有廣闊的應用推廣價值，對于燃氣輪機制造商提高設備質量也具有重要的指導意義。

參考文獻

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[2] 周青，崔汝東.Titan130索拉燃氣機組空氣預處理裝置改造[J].電工技術，2006(11)：9-10.

[3] 楊建國，張兆營，鞠曉麗.工程流體力學[M].北京：北京大學出版社，2010.

[4] 靳智平.熱能動力工程實驗[M].北京：中國電力出版社，2011.

[5] 馬立軍.淺談燃機進氣口結冰原理及防冰措施[J].工業技術，2013(3)：131-132.

[6] 陳仁貴，陶月.燃氣輪機進氣系統結霜分析及對策[J].熱能動力工程，2005，20(6)：647-649.

[7] 張炯偉.淺談自清式空氣濾清器的結霜問題[J].燃氣輪機技術，1990，19(4)：35-37.

[8] 馬偉平，張曉明，劉士超.中俄油氣管道運行標準差異分析[J].油氣儲運，2013，32(4)：411-415.

《自動化儀表》郵發代號： 4-304, 2015年定價： 18.00元，全年價： 216.00元； 國外代號： M 721

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501011

修改稿收到日期：2014-07-12。