燃氣輪機進氣過濾裝置的運行及改進探討

摘要：燃氣輪機是以空氣與燃氣作為主要工質的，所以它的進口空氣質量與純凈度是提升燃氣輪機性能的關鍵性條件。由于設備空氣濾網會因污染、霜凍等原因而產生堵塞，造成進氣壓力損失現象，使燃氣輪機功率處于高損耗狀態，所以必須對其進氣過濾裝置的運行進行改進。文章對燃氣輪機進氣過濾網的運行及改進進行了探討。

關鍵詞：燃氣輪機；進氣過濾裝置；運行方式；濾網更換；更換周期計算模型 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK47 文章編號：1009-2374（2016）21-0035-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.017

由于空氣中含有大量的有機物及無機物顆粒雜質，所以以空氣作為主要工質的燃氣輪機就必須對進口空氣進行雜質過濾處理，否則長久以往就會形成腐蝕性積垢侵蝕機組葉片或者堵塞進出口空氣交換能力，使得機組的壽命周期受到影響。

1 燃氣輪機進氣過濾系統的運行方式

就目前技術來看，行業領域中比較常見的電站燃氣輪機所采用的進氣過濾系統一般有兩種：脈沖空氣自清洗過濾裝置與三級過濾裝置。本文主要談談三級過濾裝置。

三級過濾裝置的主要組成部分包括預過濾器、精過濾器與慣性分離器，其中慣性分離器主要通過慣性撞擊流經過濾裝置中的空氣，將空氣中的灰塵顆粒分離并去除掉。除能分離空氣灰塵顆粒之外，它還能分離水滴等液體。

預過濾器的位置處于慣性分離器和精過濾器之間，它能夠拆除玻璃纖維襯墊結構，由玻璃纖維條帶在經過熱定型后與系統裝置粘合在一起的，其本身就有一定厚度與彈性的襯墊。它的主要工作就是防止水浸透，把進入裝置中的小水滴匯集成大水滴，通過襯墊將水滴以蒸發形式處理掉。

精過濾器也叫高效介質過濾器，它由高效木漿纖維濾紙和超細玻璃纖維兩種物質組成，它們的作用都是為了增加系統裝置的防潮性。

在技術方面，三級過濾裝置會采用V形二面迎風結構來進行空氣介質交換，但是它的主要問題是抗濕性不足，一旦裝置受潮其內部的灰塵顆粒就會集結并形成糊狀堵塞過濾網，進而導致裝置氣壓損快速提升。如此經過一段時間后裝置的濾芯就會破損，使得整個燃氣輪機壽命嚴重縮短。

由于三級過濾裝置所采用的是框式過濾器，所以它的進口空氣流速一般都保持在2～3m/s，如果流速不符合標準則可能造成進口阻力損失的增加，進而導致過濾器本身的進氣壓力受到損失。經過實踐表明，全新的進口過濾裝置其進氣阻力為103Pa，而受到嚴重污染后它的進氣阻力能夠達到1500Pa甚至以上，此時就必須對裝置的過濾網進行優化或更換?；谝酝涷瀬砜矗M氣過濾裝置中的精過濾器與預過濾器的更換倍比應該控制在3∶1的關系，每當預過濾器第三次更換時，就應該考慮更換一次精過濾器。

2 燃氣輪機進氣過濾裝置的進氣濾網優化改進

如上文所述，燃氣輪機運行時間越長，其進氣過濾裝置內的預過濾器及精過濾器工作狀態就越差，尤其是兩種過濾器的濾網壓差會越來越大，對燃氣輪機機組整體的輸出功率都會造成一定的阻礙，所以需要對其進氣濾網進行更換優化，確保電廠持續運行的經濟效益性。一般來說，目前的進氣過濾裝置濾網要等到壓差達到設定值之后才考慮更換，但是對于電廠企業而言，其設定值還要根據自身廠址所處的大氣環境位置、燃氣輪機的運行方式來確定。所以從技術角度來看，進氣過濾網可改進優化的地方有很多。本文所給出的是基于全生命周期內單位發電量更換成本最小原則的進氣過濾網優化

方案。

2.1 進氣過濾網的全生命周期成本分析

要明確燃氣輪機機組中進氣過濾網的生命周期成本組成，它主要包括了裝置的初始建設成本、運行過程中所產生的附加成本以及停機更換成本。

在初始建設成本中，進氣過濾網是由多個對濾芯組成的，企業可以根據濾芯價格來計算全套濾網裝置的整體價格?？紤]到由于對過濾網進行優化期間機組要停止運行，為電廠帶來一定經濟損失，所以要根據燃氣輪機機組的實際發電負荷、汽耗率和停機更換時間來計算停機更換成本。

而在運行過程中所產生的附加成本中就主要來源于空氣過濾器。這一裝置雖然能夠減少空氣中污染物進入進氣過濾裝置的可能性，降低了系統的結垢速率，但它同時也增加了進氣過濾系統的阻力，使得裝置中的壓氣機在出口壓力不變的情況下，壓氣機的壓力比迅速增加，壓氣機的能耗不斷攀升，最終導致燃氣輪機的工作功率大幅度下降。所以空氣過濾器的安裝從某種程度上降低了燃氣輪機的基本功率卻提升了它的熱耗率，也提升了機組運行的基本成本。

2.2 進氣過濾裝置濾網優化的周期計算模型

按照上文的研究，燃氣輪機機組的進氣過濾裝置過濾網生命周期應該為T，在T范圍內的成本優化模型應該為：

由此推出進氣過濾網的濾網更換成本優化模型應該為：

式中：T表示濾網的更換周期（h）；Pr表示機組的運行發電效率（kW）；Ctotal表示進氣過濾網的生命周期更換成本優化（萬元）；△P表示周期內燃氣輪機機組降低的功率（kW）。

3 燃氣輪機進氣過濾裝置改進案例簡析

基于上述燃氣輪機機組的進氣過濾裝置濾網生命周期成本優化改進模型設計，本文從經濟成本及技術兩方面探討某西部電廠的燃氣輪機進氣過濾裝置優化改進策略。

3.1 電廠燃氣輪機進氣過濾裝置基本情況概述

某西部電廠所采用的Trent60燃氣輪機，該燃氣輪機機組主要包含3個組成部分：燃氣輪機、壓氣機以及燃燒室。它的進氣過濾裝置就是按照三級過濾裝置來實現的。在該電廠，進氣過濾裝置為典型的2級多層設計：第一級設計包括了防鳥網和百葉窗；二級設計包括了粗過濾器與精過濾器兩種模式。

由于西部氣候比較惡劣，尤其是在春秋季常常出現沙塵天氣，再配合冬季不規律的雨雪天氣，該電廠進氣過濾裝置的過濾網壓差隨機組運行時間的持續而越來越大，造成了機組內部濾芯的損壞。另外，該電廠的入口濾網也存在堵塞現象，它所造成的后果就是進入燃燒室內的空氣量在逐漸降低，這也就意味著能夠參與燃燒的燃料量也隨之降低。另外，機組壓氣機裝置的入口濾網壓差也在不斷增加過程中，特別是濾網之后的進氣段也受到了嚴重污染，使得過濾進口位置的過濾葉片污垢大量堆積，造成了燃燒輪機進氣過濾裝置級間壓縮比的大幅度降低，而壓氣機的效率也在不斷下降?；谝陨现T多問題可以明確必須要對該廠進氣過濾裝置進行改進，確?；謴透纳扑纳a效益與經濟效益。

3.2 進氣過濾系統的改進措施

按照該電廠的燃氣輪機進氣需求，明確機組燃燒室的基本進氣空氣流量指標，見表1：

由表1可以發現，燃燒室隨溫度增加其進氣流量在不斷降低，進氣質量也明顯下降，其主要原因還應該歸咎于進氣過濾裝置的過濾網堵塞，可過濾面積嚴重不足，也導致了進氣過濾精度的大幅降低。按照以上問題，本文對該電廠進氣過濾裝置過濾網做出以下兩方面改進：

首先，要對壓氣機進氣過濾系統中的粗過濾器與細過濾器進行改良，將原本裝置設計中的6袋片狀結構改良為12袋折疊式結構，同時也要大幅度提升粗過濾器的過濾面積。按照原始設備的設計標準來看，粗過濾器為6袋化纖袋式粗預過濾器，它的有效過濾面積達到3m2，而設計初始壓降為60Pa。為了改良進氣過濾系統的空氣雜質過濾能力，所以才把它改為12袋折疊式結構，同時將過濾精度提高到F7（歐洲標準），形成12袋玻璃纖維袋式過濾器。經過如此改良后，它的過濾面積達到了9m2，壓降也比原來提升3倍，從整體上也增加了進氣過濾裝置中過濾網及濾芯的使用壽命。

其次，應該考慮在裝置中壓氣機的系統百葉窗位置增加一道過濾網層，因為當地惡劣的風沙雨雪環境，所以新加入的過濾網層是根據精度合成化學纖維濾布所制作而成的，它附著于百葉窗之外，為進氣裝置形成了一道防御體系，提高了燃氣輪機在惡劣天氣環境下運行的安全穩定性，但它同時也會對燃機輪組整體的負荷帶來一定影響。

在經過以上兩點優化改進后，相比于改造前，系統的粗過濾器更換周期增加到60天左右（原來為40天），而精過濾器的更換周期也增加到200天以上（原來為40天），同時在運行過程中降低兩次停機可能。如果將每次停機時間計算為24小時，那么兩次停機所損失的發電量超過3000W·h。因此以平均50M的發電量來進行計算，兩次停電可以直接節約粗過濾器280片，精過濾器560片，挽回直接損失超過350萬元。這說明該電廠對燃氣輪機進氣過濾裝置中過濾網的改良是非常到位的，在經濟和技術上都得到了收效。

3.3 其他技術改進建議

考慮到三級過濾裝置在技術改進方面與立式兩面迎風進氣自清洗過濾器在設計框架上基本一致，所以對三級過濾裝置的改造同樣不難，根據西部該電廠的技術改造經驗分析，將原始過濾裝置改造為自消式過濾裝置具有一定可行性。一般來說，應該首先擴大過濾器的面積，保證進氣壓力損失使它處于一個可接受的損失范圍內。由于過濾網的總面積得以擴大，所以進氣過濾裝置也提升了過濾器的容塵量，確保了更優的過濾效果。如此一來，機組在運行8000小時后就能收回投資成本，濾芯的使用壽命也會相應延長。

4 結語

本文基于全生命周期成本分析及西部某電廠的進氣過濾裝置改造案例探討了目前燃氣輪機進氣過濾系統的優化改進措施，可見它的技術性改良是顯而易見的，不但保證了燃氣輪機的性能順暢、改善了壓氣機進口的空氣質量，也對燃氣輪機本身的經濟性提升帶來了巨大

影響。

參考文獻

[1] 俞立凡，方煒.9FA燃氣輪機進氣過濾系統的運行及改進[J].浙江電力，2007，26（6）.

[2] 程元.燃氣輪機通流部件維護周期優化決策模型研究[D].浙江大學，2014.

作者簡介：趙允鵬（1987-），男，安徽阜南人，山東電力建設第三工程公司助理工程師，研究方向：電力工程。

（責任編輯：蔣建華）