9E燃氣輪機進氣濾網更換周期經濟測算實例分析

張 果，顏 俊

(廣州協鑫藍天燃氣熱電有限公司，廣州 511356)

機組運行中，進氣濾網壓損增高會導致燃氣輪機的效率降低，從而使燃氣輪機在運行過程中多消耗燃料，這是不可忽略的生產成本。在更換濾網成本和燃氣輪機效率下降產生多消耗的燃料成本之間需要做經濟測算，得出進氣濾網最經濟的更換周期。在測算過程中要解決最重要的一個問題即進氣濾網壓損上升趨勢規律，這個無法用理論計算得出，只能在基于運行大數據上得出，因此運行大數據的采集、分析、處理是測算精準的關鍵。

1 燃氣輪機進氣濾網更換周期的模型研究介紹

1.1 燃氣輪機進氣濾網更換周期的模型研究介紹

燃氣輪機進氣濾網更換周期經濟測算模型較為成熟，典型模型為：

(1) 計算濾網全生命周期內的更換成本(Ctotal)，包括濾網的更換初始成本(Ci)和停機更換成本(Cs)，運行過程中產生的附加成本(C0)。

Ctotal=Ci+C0+Cs

(1)

機組每發一度電，包含的濾網更換成本(Clife)為：

Clife=Ctotal/(T(Pr-ΔP))

(2)

式中：T為濾網的更換周期；Pr為機組運行發電功率(假定機組運行期間發電功率不變，即考慮該值為定值)；ΔP為周期T內機組少發的功率(燃氣輪機長期無法滿負荷運行時，考慮該值為0)。

(2) 根據實際運行狀態計算出燃氣輪機濾網單位發電量的更換成本隨更換周期的變化關系，從而得出更換濾網的最佳運行時間。

濾網的更換初始成本和停機更換成本，為一固定值，對于調峰電廠停機更換成本可不考慮，濾網更換初始成本只需考慮濾網價格(包含安裝費用)。運行過程中產生的附加成本，即進氣濾網壓差的上升導致燃氣輪機功率減小和熱耗率增加，從而增加機組的運行成本。濾網壓差在平時運行中隨運行時間的變化規律和對機組的熱耗率的影響是測算模型的關鍵。由于濾網壓差受諸多因素影響，變化范圍小，對機組的熱耗率影響不明顯，因此很難從現場取得的數據來準確分析進氣濾網壓差的變化對機組性能的影響，通常采用仿真建模來研究進口濾網壓差變化對機組功率和熱耗率的影響，如GateCycle軟件[1]。

本研究將經過驗證的含promoter-DGAT2-pCAMBIA1304的擬南芥陽性植株培育T2代后，選取幼苗、葉片、莖、花及果莢等組織器官進行GUS組織化學染色，以野生型擬南芥作為陰性對照。通過 GUS染色發現，野生型擬南芥沒有被染色，而含 DGAT2 基因啟動子的擬南芥葉、莖、花、果莢和種子均呈現藍色(圖6)，說明克隆的DGAT2基因啟動子能驅動報告基因GUS的表達，克隆到的啟動子片段都具備轉錄活性，但在擬南芥不同器官中的表達水平沒有明顯差異。

本文通過對廣東某電廠進氣濾網運行到極限狀態時實際運行大數據分析，通過設定理想邊界條件，排除其它因素的影響，利用燃氣輪機性能曲線中進氣壓損與熱耗率的關系，計算出進氣壓損升高對應的理論熱耗率的增加量，從而得出進氣濾網壓差增加的理論運行成本。利用進氣壓損實際運行數據和GE公司提供的性能曲線，因此無需使用復雜的仿真軟件，只需利用常用的Excel表格進行簡單的數據處理，簡單、實用，對燃氣輪機電廠專業人員具有一定的借鑒價值。

1.2 燃氣輪機性能修正方法介紹

GE公司給出的燃氣輪機性能修正方法包括燃氣輪機熱力性能(熱耗、熱耗率)修正至額定工況的計算方法。GE公司分別對每個燃氣輪機運行工況，性能計算中需要的修正因子，做成了性能修正曲線。通常，每臺燃氣輪機都提供相應的性能曲線。很多修正因子都需要從性能修正曲線中交叉對比得出，在進行性能計算時，需要仔細選擇性能修正曲線中的參數。以燃氣輪機熱耗率為例，介紹燃氣輪機性能修正方法。

燃氣輪機發電機凈熱耗率由實測熱耗量和發電機凈輸出功率計算：

RGNH=HC/GNPO

(3)

式中：RGNH為燃氣輪機發電凈熱耗率,HC為耗熱量，GNPO為發電機凈輸出功率。

為排除環境因素影響，通常需要將燃氣輪機發電凈熱耗率修正至額定工況下進行燃氣輪機性能對比，燃氣輪機發電凈熱耗率由測試工況修正至額定工況的公式如下：

(4)

式中：F1HR為由實測壓氣機進氣溫度到額定溫度的修正熱耗率因子；F2HR為由實測壓氣機進氣濕度到額定濕度的修正熱耗率因子；F3HR為由實測大氣壓力到額定大氣壓力的修正熱耗率因子；F4HR由實測轉速到額定轉速的修正熱耗率因子；F5HR為由實測功率因素到額定功率因素的修正熱耗率因子；F6HR為由總點火時間到機組許可點火時間的折舊損耗計算的修正熱耗率因子；F7HR為由實測進氣壓損到額定進氣壓損的修正熱耗率因子；F8HR為由實測排氣壓損到額定排氣壓損的修正熱耗率因子；F9HR和F10HR分別為注蒸汽和注水修正因子，通常情況下不使用，置值為1；F11HR為由實測燃料成分到額定燃料成分的修正熱耗率因子；F12HR為由實測燃料溫度到額定燃料溫度的修正熱耗率因子。

性能曲線中進氣壓損對燃氣輪機熱耗率的影響非常小(詳見圖1廣東某電廠9E燃氣輪機進氣壓損-熱耗率修正曲線所示)，因此本文設定諸多邊界條件，利用燃氣輪機額定熱耗率10 590 kJ/(kW·h)和性能計算方法計算出邊界條件下不同進氣壓損對應的理論熱耗率，從而形成可對比分析的熱耗率數據。(1 mm H2O≈9.8 Pa)

圖1 廣東某電廠9E燃氣輪機進氣壓損-熱耗率修正曲線

2 進氣濾網壓差大數據分析及更換周期經濟測算

2.1 廣東某9E燃氣輪機電廠實際運行情況介紹

在目前國內形勢下，上網9E燃氣輪機很少滿負荷運行，因此對于進氣濾網壓損導致燃氣輪機功率下降的成本可以不考慮，只需分析熱耗率的增加導致消耗天然氣增多的成本。廣東某9E燃氣輪機電廠共兩套9E燃氣輪機，平均每套9E燃氣輪機年發電小時數約為4 500h，年平均燃氣輪機負荷率為80%～95%，周邊環境良好、穩定，進氣濾網使用的濾芯精度等級為F8(濾網測試標準及劃分按照通用規范EN779-2012)[2]。

2.2 運行大數據的采集

燃氣輪機本身設計的進氣系統測點有：進氣總壓損96CS-1，進氣總靜壓損96CS-3，進氣濾網壓差96TF-1，其中96CS-1/3取樣點為燃氣輪機進氣口喉部、室外，96TF-1取樣點為進氣濾網前后。采集的數據儲存在燃氣輪機工程師站數據庫內，可調用歷史站數據進行查詢，或者導出數據，另外廣東某9E燃氣輪機電廠有在線性能監測系統(簡稱SIS系統)，也可利用SIS系統中的數據進行查詢或導出數據。

直接使用歷史站數據分析，存在數據量大、停機或低負荷運行數據難排除、不可用數據多等問題，導致在處理、分析數據過程中難度大、工作量大，因此廣東某9E燃氣輪機電廠采用在SIS系統上自動生成報表的方式采集數據。利用SIS系統功能，每兩個小時自動采集相關運行數據，生成報表，且設定條件燃氣輪機輸出功率大于90MW時才進行采集，這樣可以排除機組停機、低負荷運行數據，同時在可排除故障數據，對于不可用數據也極好排除。在廣東某9E燃氣輪機電廠長期實踐下，證明這種方式對于機組的長期狀態監測和大數據分析是存在實用價值和可行的。

2.3 運行大數據的分析處理

對比SIS系統自動生成報表數據與歷史站數據，每天的平均值與每月的平均值基本一致，各數據變化趨勢基本一致，因此數據實際可用。以廣東某9E電廠2號燃氣輪機為例，2016年更換一套進氣濾網，本套濾網使用時間為8 730 h，更換原因為進氣濾網壓差高，即到了進氣濾網使用壽命的極限，具有分析價值。為了更簡單直觀分析進氣濾網隨運行時間而增大的規律，簡化分析模型，取每運行500 h左右實際數據進行分析(根據這些數據做出的曲線與所有數據曲線基本一致)，具體數據見表1所示，運行8 500 h時，進氣濾網壓差96TF-1上升0.48 kPa，進氣總壓損96CS-1上升0.49 kPa，進氣總壓損上升趨勢基本與進氣濾網壓差上升趨勢一致。

為了準確計算進氣壓損對燃氣輪機熱耗率影響的具體數據，排除其余因素對燃氣輪機性能的影響，因此對邊界條件做以下處理：

(1) 進氣溫度取年平均溫度25 ℃，初始進氣壓損0.49 kPa，排氣壓損1.96 kPa，燃料溫度43 ℃，環境相對濕度60%，環境壓力1 013.53 kPa，其余影響系數均取值為1，在此工況下，計算由額定熱耗率10 590 kJ/(kW·h)經過不同進氣壓損性能修正的理論熱耗率，最終得出進氣壓損在此工況下對燃氣輪機熱耗率的影響數據。

(2) 濾網更換周期以每上升0.049 kPa(5 mm H2O)壓損對應的運行小時數，并取500 h為整數，以表1中數據為基礎，計算出運行過程中產生的附加成本即多耗天然氣量的價值，詳細數據見表2所示(本文只列出每上升0.098 kPa(10 mm H2O)數據)，其中理論熱耗率根據GE性能曲線修正計算得來，燃氣輪機熱耗率增量為每上升0.098 kPa進氣壓損對應理論熱耗率的差值。

(3) 為了更直觀體現出更換進氣濾網最佳周期，按運行40 000 h期間不同更換濾網間隔產生的固定成本即生產附加成本總和對比分析經濟性，燃氣輪機平均輸出功率為105 MW，天然氣低熱值為35 MJ/m3(標準狀況下，下同)，可得表2中每小時消耗天然氣增量數值：燃氣輪機熱耗率增量與燃氣輪機平均輸出功率相乘，再除以天然氣低熱值。

2.4 運行40 000 h進氣濾網更換周期經濟性分析

以天然氣為燃料設定邊界條件：天然氣價格2.6元/m3，進氣濾網30萬元/套(包含安裝等費用)。根據以上步驟進行優化計算，可得出表3中數據，從表3數據中可以得出，運行5 500 h更換進氣濾網最為經濟，運行6 500 h后費用開始大幅上升，對應5 500 h進氣壓損為0.74 kPa，對應5 500 h至6 500 h，總成本價值差值不大，可根據實際情況，考慮實際更換周期。邊界條件變動時，需要重新測算，得出相應的結論。

表3中每套濾網多耗天然氣量，按表3中進氣濾網更換周期運行壽命，進氣壓損上升導致多消耗的天然氣量(相對于初始進氣壓損0.49 kPa)，通過邊界條件與實際運行情況疊加計算得來；多耗天然氣量價值，運行40 000 h更換濾網總套數取整數部分與每套濾網多耗天然氣量相乘，再乘以邊界條件天然氣價格(2.6元/ m3)，小數點后數值需通過邊界條件與實際運行情況疊加計算；更換濾網總套數，40 000 h除以進氣濾網更換周期；更換濾網總價值，更換濾網總套數乘以濾網單價(30萬元)；濾網和多耗天然氣總價值，表中多耗天然氣量價值與更換濾網總價值之和。運行3 500 h跟4 000 h進氣壓損相同，是因為經濟測算模型精度為0.049 kPa，以0.49 kPa為初始壓損計算，同時計算這段時間進氣壓損平均值，取最接近模型精度值做為經濟測算值。

2.5 廣東某電廠進氣濾網經濟測算模型的局限性

本文進氣濾網壓差大數據基于廣東某9E燃氣輪機電廠環境進行采集，因此只針對廣東某9E燃氣輪機電廠環境具有實際分析意義，該電廠2016年至2018年共更換四套進氣濾網，其余三套進氣濾網運行情況基本與本文分析結果一致，通過事實論證了數據的可用性，對后續進氣濾網運行及更換周期具備參考意義。在實際應用中，當周邊環境發生變化時，比如周邊有工地施工，產生大量粉塵，導致環境惡化因素出現時，應考慮適當縮短進氣濾網使用時間。

表1 廣東某電廠2號燃氣輪機進氣濾網壓差上升情況數據

注：表1中數據均為實際運行數據，受實際運行情況影響(調峰燃氣輪機電廠)，數據并非運行小時數整點取值，按最接近表中運行小時數燃氣輪機滿負荷運行工況取值，如進氣濾網運行0 h，實際取點為運行10.3 h；由于受環境因素和實際運行情況影響，進氣壓損數據并非全為隨運行時間升高而升高。

表2 廣東某電廠進氣壓損每上升0.098kPa對應理論熱耗率增量數據

表3 按運行40 000 h期間進氣濾網更換周期經濟測算數據表

3 結語

工業大數據是以工業系統的數據收集、特征分析為基礎，對設備、裝備的質量和生產效率以及產業鏈進行更有效的優化管理，并為未來的制造系統搭建無憂的環境。

現在越來越重視燃氣輪機電廠的精細化管理，對于機組運行方式的調整，需要做精準測算，大數據分析對類似與進氣濾網更換周期經濟測算、水洗周期優化等精細化工作起到重要的作用，同時歷史數據還可以被用作進一步的數據挖掘，形成面向不同目標的經驗和分析模型。有大數據的基礎上，還可以利用數學軟件如Matlab、GateCycle等，進行數值模擬和推算，更可以建立專門的分析程序，如此可以利用更多的數據，獲得更精準的數學模型，也可獲得更優化的機組運行方式，但需要人力物力資源的投入，需每個電廠根據具體情況做經濟評估。