燃氣輪機空氣過濾器性能及運行維護研究

張 寧

中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院

0 概述

隨著燃氣輪機機組容量進一步增大，環保標準的日趨嚴格，燃汽-蒸汽聯合循環技術由于其效率高、污染低的特點，逐漸引起國內外學者的關注[1-4]。由于外界大氣中有著大量各種粒徑的粉塵，若未經過較好的過濾，被壓氣機吸入，將會導致壓氣機出現葉片腐蝕、積垢、外物損傷等問題，進而影響燃氣輪機的安全經濟運行。

1 分類及檢測標準

1.1 按效率分類

通風用空氣過濾器的檢測標準，目前可分為歐洲體系、美國體系和中國體系三大體系[5]。歐洲體系以 EN779[6]為代表，美國體系以 ASHARE52.2[7]為代表，中國體系則以GB/T14295[8]為代表，基本采用了ASHARE52.2 標準。它們的檢測辦法一般會用計重法以及分徑計數法。

1.1.1 歐洲EN779標準

歐洲EN779 標準，一是采用計重法，二是對0.4 μm 液態 DEHS 氣溶膠粒子進行試驗，根據其平均過濾效率進行分級。該標準中詳細介紹了測試過濾器性能的試驗方法和試驗裝置，試驗過程風量的范圍為0.24～1.5 m3/s（850～5 400 m3/h）。該標準可以測定過濾器的效率以及對其分級，但是不能定量的反映測試過濾器的使用性能。具體分類情況見表1。

1.1.2 美國ASHARE52.2標準

美 國 ASHARE52.2 標 準 將 粒 子 分 成 0.3～1 μm，1～3 μm 以及3～10 μm 三部分，分別檢測這三部分的最低過濾效率，按照測得的最低值來進行分級，見表2。

1.1.3 中國GB/T14295標準

我國的GB/T14295標準，對空氣過濾器進行了詳細的介紹，包括其術語、分類等。并且具體說明了性能試驗方法，對試驗裝置、試驗條件、試驗方法均進行了詳細的講解，最后規定了計重效率和容塵量試驗。具體分類情況見表3。

表1 EN779 標準分級方法

表2 ASHARE52.2 標準分級方法

表3 GB/T14295 標準分級方法

1.2 按型式分類

空氣過濾器按型式可分為：平板式、折褶式、袋式、卷繞式、筒式、靜電式。見圖1。

圖1 空氣過濾器型式

1.3 按濾料更換方式分類

1）可清洗空氣過濾器，見圖2。

圖2 可清洗空氣過濾器

2）可更換空氣過濾器，見圖3。

圖3 可更換空氣過濾器

3）一次性使用的空氣過濾器，見圖4。

圖4 一次性使用空氣過濾器

1.4 按規格分類

過濾器按照規格進行分類：小于1 000 m3/h 的規格代號為0，1 000 m3/h 規格代號為1.0，每升高100 m3/h 代號提高 0.1，升高小于 100 m3/h 的規格代號保持不變。

1.5 部分燃機過濾器

華東區域部分燃機電廠一、二級過濾器的材料、形式、等級和壽命見表4和表5。

表4 一級過濾器（粗濾）

表5 二級過濾器（精濾）

2 空濾器運行維護方法

2.1 壓氣機進氣濾存在的問題

2.1.1 壓氣機入口濾網污染

燃氣輪機進氣系統濾網的臟污狀況一般與機組的運行時間有關，運行時間越久，其污染也會越嚴重，特別是在夏季雨量較多和春秋農忙季節，燃機進口濾網壓差會比平時增加較快，不僅對機組出力造成影響，甚至會影響燃機的安全。進氣濾網污染嚴重導致堵塞，會降低進入壓氣機的氧氣量，最終降低機組熱效率，增大熱耗率，減少燃機機組的發電功率。

2.1.2 進氣喇叭口及葉片污染

燃機進氣濾網壓差逐漸增大，在一定程度上也會使通過濾網后面的所有空氣流道造成污染，因此也會使燃機入口濾網壓差在不斷增加的過程中也會導致進氣喇叭口和各級葉片結垢越來越嚴重。當壓氣機葉片發生結垢，不僅使各級間的壓縮比減少，而且也會導致燃氣輪機的運行效率逐漸減小。同時還會造成葉片腐蝕，影響其安全性，增加維護費用。

2.1.3 濾網維護困難

進氣系統的粗濾一般安裝在過濾倉層，并且粗濾網屬于一次性使用，無法進行清洗，如果在機組運行時發現進氣濾網壓差過大的狀況，運行維護人員因為差壓的存在而不能到達過濾倉層更換粗濾，若差壓達到臨界值則需停機進行解決。但是對于北方有供熱的機組，燃機機組被迫停機，一方面會帶來較大的經濟損失，另一方面也會存在民生問題。粗濾網一般400-600h 需要進行更換，進口濾網不僅價格較高而且供貨時間久，將增加運行維護費用。

2.2 維護措施

1）進氣濾網反吹掃

為了保證燃機進口空氣的清潔，一般情況下會在燃機進氣處安裝粗濾和精濾網，如果濾網由于空氣不潔凈或者冬天結冰等原因會導致燃機進氣壓損偏高，進而降低進氣壓力，使燃機的發電功率和效率減小。相關研究表明，對PG9351FA型燃機而言，當進氣壓損每減少1 kPa，發電功率約減少1.42%，熱耗率約提高0.45%，排氣溫度約提高1.1 ℃。因此，保證進氣系統的潔凈對燃機具有重要的意義。

維持運行燃機的進氣壓力，一般利用一套脈沖空氣自動反吹掃裝置，在線清理燃機進氣濾網上的污垢，以保證濾網的潔凈。燃機進氣過程：空氣首先由進氣防護罩到達過濾單元部分，經過濾網進行過濾后依次先后通過消音器、進氣加熱組件導流彎管以及過熱段，最終達到壓氣機。若濾網壓差超過臨界值時，即啟動差壓高開關，使脈沖空氣自動反吹掃系統工作，按照設定流程對濾網進行清潔。當壓差下降到臨界值時，壓差低開關動作，反吹掃過程停止。

事實表明，若燃機濾網進行反吹清洗之后，其進氣壓降會迅速恢復至正常狀態，燃機發電功率以及效率也可以達到正常狀態。因此，若想保證燃機的運行性能，脈沖反吹系統尤為重要。

2）定期更換濾網

當進氣濾網的粗濾和精濾使用一段時間后，由于堵塞嚴重而導致壓差過高，對燃機負荷產生影響，因此有時必須對濾網進行提前更換。一般情況下，當機組停機時，電廠工作人員均需對各個濾網進行檢查，以便在下次燃機啟動前，及時處理好濾網破損的問題，保證機組的安全運行。正常情況下，濾網更換一定時間后，可以全面分析機組的安全性和穩定性，以確定是否需更換濾網。

3）選擇合適濾芯和品牌

我國燃機發電廠地理位置分布廣泛，所處條件不同，比如在東部沿海地區，環境溫度變化幅度不大，大氣相對濕度大，空氣含沉量整體較低；西部地區環境溫度變化較大，日間和夜晚變化明顯，相對濕度小，風沙情況較多；北方地區，冬季寒冷存在降雪和結冰現象，夏季空氣相對濕度較大，顆粒物種類多；而南方地區，降水較大，空氣濕度較大，空氣含沉量較少，相對潔凈。因此，各個燃機發電廠應根據所處地理位置，氣候環境不同，以及所配的進氣過濾系統，綜合考慮，有針對性地合理選擇濾芯。

針對進口的濾芯品牌，不僅價格昂貴，而且供貨時間相對較久，運行使用壽命短。目前我國有多家企業也具備制作工藝，國產化也趨于成熟，同時性價比也很高。

4）加強日常監視工作

燃機電廠的進氣裝置一般應對運行情況增加監視，比如在南方地區由于空氣比較濕潤，大氣濕度很大，灰塵容易粘結成塊，所以利用反吹的方式產生的效果較小。若燃機的濾網壓差高出臨界值，需更換濾芯，但是一般情況下由于濾芯的供貨時間較長，因此運行人員應在實際工作中加強監視，定期進行檢查，以便提前做好濾芯的采購計劃。

5）調整濾芯布置方式

為了保證機組的安全運行，應在停機后給各層濾芯做透光檢查，如果存在漏光點應進行更換，以防有污染物污染壓氣機。壓氣機的濾芯有多層，根據分布位置不同，濾芯所產生的污染也不同，一般中下層的濾芯污染較重，中上層的濾芯相對來說較干凈，因此，綜合經濟安全考慮，可將上下層濾芯交替使用。

6）檢測空氣過濾器性能參數

過濾系統重要的部件為濾筒，空濾器的檢測標準有歐洲標準EN779，美國標準ASHRAES2.2以及中國標準GB/14295。但是，燃機電廠并沒有規定特定的檢測標準，所以無法準確全面的了解空濾器的性能指標。

2.3 常規的進氣過濾系統

1）常規三級過濾裝置

常規三級過濾裝置一般是立式V形兩面進氣方式（見圖5），其抗潮濕性能較差，當濕度較高時，易結成糊狀，進而導致進氣壓損升高明顯，造成濾芯破損。

2）脈沖空氣自清洗過濾裝置

該過濾裝置有懸吊燈籠式底部進氣和立式兩面進氣方式，見圖6 和圖7。前一種方式清灰效果好，但占地面積大。立式兩面進氣方式安裝位置較高，且容易造成下部濾芯二次污染[9]。

圖5 三級過濾裝置圖

圖6 懸掛燈籠式進氣系統圖

圖7 立式兩面進氣系統圖

3 智能優化運維技術研究

燃氣輪機隨著運行時間的延長，通流部分會結垢，不僅影響機組的安全運行，也會降低機組的出力和效率，縮短某些部件的使用壽命。目前，燃氣輪機空氣過濾器的監測有兩種方式，一種是依據過濾器前后壓差來判斷，當壓差達到設定值時，更換過濾器；另一種是定期清洗，在固定時間反吹過濾器。使用均勻時間或臨界壓力差來確定是否更換過濾器或進行反吹顯然是不合理的。 因此，鑒于燃氣輪機進氣系統的過濾系統容易堵塞和損壞問題，掌握濾網壓差變化規律，可以更好地指導機組安全、經濟的運行。針對由于風速、風向、溫度、濕度、降雨、降雪、沙塵、生物聚集等運行工況惡劣而造成的燃機進氣過濾器失效的問題，采用BP 神經網絡的方法，以某聯合循環發電廠燃氣輪機濾網的實際工作狀況出發，從更換決策模型和反吹優化策略兩個方面展開研究，對燃氣輪機濾網壓差進行分析。

神經網絡預測的模型見圖8。

圖8 神經網絡預測模型

4 結論

燃氣輪機濾網壓差作為燃氣輪機機組運行的重要參數，影響機組的輸出功率和效率，根據燃機電廠實際工作狀況，采用燃機進氣過濾系統智能優化運維技術，依據神經網絡進行研究，準確客觀評估進氣系統濾網等運行狀態，可為企業帶來更多的收益。