駐極體空氣過濾器用于燃氣輪機末濾的效率特性

邱瑋坤, 楊曉光

(1.江蘇國信淮安第二燃氣發(fā)電有限責任公司, 江蘇 淮安 223001； 2.九江七所精密機電科技有限公司, 江西 九江 332007)

引言

燃氣輪機發(fā)電機組進氣系統(tǒng)通過配置空氣過濾器過濾掉空氣中的灰塵等顆粒物，使?jié)崈艨諝鈴倪M氣系統(tǒng)進入燃氣輪機，保證燃氣輪機機組安全、經濟的運行[1]。由于工作溫度的提高和耐受能力的下降，現(xiàn)代燃氣輪機對顆粒物越來越敏感，進而促進了配套空氣過濾器技術的進步，文獻[2-4]分析了空氣過濾器對燃氣輪機性能和經濟性的影響，對本領域技術發(fā)展起到了良好的促進作用。

近年來，通過人工充電與極化電荷[5]使濾材增加靜電機理、提升過濾效率的駐極體材料因良好的高效低阻特性應用日趨廣泛，并逐步應用在燃氣輪機進氣過濾器中。然而， 應引起注意的是，盡管擁有低阻、殺菌等優(yōu)點，但駐極體過濾器的過濾效率和可靠性很大程度上依賴于濾料上靜電荷的穩(wěn)定性，文獻[6-8]對駐極體過濾器電荷穩(wěn)定性進行了研究，但是目前對駐極體空氣過濾器配套在燃氣輪機上的應用研究還屬空白。

目前主流F級重型燃汽輪機較多采用按照EN 779—2012[9]標準分級的空氣過濾器，大多配置2級或3級過濾，末級過濾器效率等級F9(初始效率70%，平均效率95%)。以某2X475MW燃氣輪機進氣系統(tǒng)為例，進氣系統(tǒng)配置2級過濾，前級過濾器效率等級為M6，末級過濾器效率等級為F9，每級過濾器間設有壓差檢測及報警系統(tǒng)，布置形式如圖1所示。

圖1 配套2級空氣過濾器的燃氣輪機進氣系統(tǒng)

某批次燃氣輪機出現(xiàn)效率曲線快速下降，壓氣機葉片水洗頻次增加的異常情況，符合進氣清潔度不足的典型特征。該異常的出現(xiàn)，不僅影響了燃氣輪機使用的經濟性，而且可能造成葉片的永久性損傷，因此有必要針對上述問題開展研究，探討燃氣輪機配套駐極體空氣過濾器在長期使用中的失效規(guī)律，為駐極體過濾器選型及使用提供參考。

1 問題分析及試驗設計

燃氣輪機效率曲線下降后通過壓氣機葉片水洗可恢復，可認為有污染物塵埃透過末級過濾器隨空氣進入了下游，并附著在壓氣機葉片上，出現(xiàn)該問題的原因有3種：

(2) 制作工藝不當，導致過濾器濾褶褶尖斷裂；

(3) 濾材自身過濾特性發(fā)生變化，導致過濾效率不足。

通過透光法仔細檢查每一只濾芯的安裝情況后，排除了第1種可能性，因此，著重針對第2，3種可能性開展研究。由于燃氣輪機進氣過濾器缺乏專用的測試方法和標準，國內外主機和進氣設備制造商默認參考一般通風過濾器相關測試標準[9]。因此，本研究基于EN 779—2012標準設計試驗如下：

(1) 褶尖檢漏試驗，隨機抽取長期使用后的過濾器，剪下濾餅，在褶尖上隨機抽取5個點，檢查是否存在局部纖維折斷現(xiàn)象，若存在整體折斷或完全無折斷跡象，則停止試驗，若存在局部纖維折斷現(xiàn)象，則擴大檢測范圍，另外抽取5只過濾器檢查；

(2) 初始效率、阻力試驗，依照EN 779—2012標準計數(shù)法對新過濾器進行初始效率、阻力試驗；

(3) 消靜電后效率、阻力試驗，采用異丙醇熏蒸法，消除靜電后再次檢測初始效率，并與初始效率、阻力試驗的結果進行對比，確認靜電對駐極體材料效率性能的影響；

(4) 長期儲存后效率、阻力試驗，依照EN 779—2012標準，對儲存時間超過5000 h的濾芯進行初始效率試驗，并與初始效率、阻力試驗的結果進行對比，分析駐極體過濾器儲電穩(wěn)定性；

(5) 連續(xù)在線使用后效率、阻力試驗，對于在線使用的過濾器，每隔約1000～2000 h隨機抽取1只進行效率和阻力試驗，共計抽取5次(若前4次結果穩(wěn)定，則第5次間隔增大到5000 h)，與初始效率、阻力試驗的結果進行對比，確認駐極體過濾器在長期使用中的實際表現(xiàn)。

《會稽志》王右軍宅記：“舊經云：‘羲之別業(yè)有養(yǎng)鵝池、洗硯池、題扇橋存焉?！戎^之別業(yè)，則疑宅不在是，或云嵊縣金庭觀，乃右軍舊宅，嘗舍讀書樓為觀，在縣東南七十二里孝嘉鄉(xiāng)。”[2]1951

2 研究對象及試驗裝置

2.1 試驗對象

本研究采用隨機抽取某批次在用駐極體空氣過濾器進行測試，該過濾器采用錐直筒組合的安裝方式，濾材打褶后圍成圓筒增加了過濾面積，濾材的展開面積約40 m2,如圖2所示。

圖2 安裝在燃氣輪機進氣系統(tǒng)中的駐極體空氣過濾器

2.2 試驗裝置及參數(shù)

根據需要，選用EN3600試驗臺、ISO16890 XDG01型異丙醇消靜電柜和Phenom ProX型電鏡等設備進行測試。其中EN3600試驗臺主要由送風機箱、噴嘴組、DESH發(fā)生器、上游粒子計數(shù)器、下游粒子計數(shù)器、待測過濾器安裝段、壓差檢測裝置、下游粒子計數(shù)器和排風機箱等構造組成，如圖3所示。

圖3 EN3600試驗臺

試驗參數(shù)如下： 試驗風量為2500 m3/h；試驗塵為ASHRAE粉塵；試驗氣溶膠為DESH氣溶膠；消靜電劑為異丙醇；粒子計數(shù)采樣時間30 s。

3 試驗結果及討論

3.1 褶尖檢漏試驗

隨機抽取樣品，利用Phenom ProX電鏡完成褶尖檢漏試驗后，發(fā)現(xiàn)各檢測點過濾器濾紙纖維完好，無任何濾材斷裂或纖維折斷的痕跡，濾紙纖維上均勻附著大氣塵，說明濾材打褶工藝良好，可排除制作工藝不當導致過濾器褶尖承壓后斷裂的可能性。圖4為從駐極體過濾器上剪下的濾材，圖5為2000倍放大后的濾材褶尖。

圖4 從駐極體過濾器上剪下的濾材

圖5 2000倍放大后的濾材褶尖

3.2 初始、消靜電后以及長期儲存后的效率、阻力試驗

利用EN3600試驗臺分別對全新過濾器的消靜電和長期儲存后(實際儲存5040 h，儲存環(huán)境干燥、避光)進行初始效率試驗，試驗數(shù)據如表1所示。

表1 初始、消靜電后以及長期儲存后的效率、阻力

通過數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)：消靜電前，該濾芯效率為76.2%，達到F9效率等級；消靜電后，過濾效率大幅下降；長期儲存后，過濾效率也有大幅下降；阻力變化可以忽略不計。

對空氣過濾器而言，其捕捉粉塵的過程機理是攔截、慣性、擴散、篩和靜電效應等一系列機械物理效應的綜合作用；同時隨著容塵過程，濾筒吸附的灰塵成為過濾材料的一部分，起到了提升過濾效率的作用[10]。消靜電試驗結果說明，帶靜電的過濾器初始高效率依賴其自身較強的靜電效應捕集機理，異丙醇熏蒸后，濾材靜電效應大幅消除，駐極體過濾器效率隨之大幅下降。

進一步長期存儲后的過濾器試驗表明，即使不采用異丙醇熏蒸，通過長期的存儲或使用，靜電效應也是逐步下降的，表明駐極體過濾器的靜電電荷隨時間逐步逸失，過濾器濾除空氣中污染物的能力大幅下降，實際應用中這是極其不利的一種特性。

3.3 連續(xù)在線使用后效率、阻力試驗

為進一步驗證駐極體過濾器長期使用后的效率表現(xiàn)，對于在線使用的過濾器，每隔約1000～2000 h的使用時間隨機抽取1只進行效率和阻力試驗，共計抽取5次，因前4次結果較穩(wěn)定，則第5次間隔增大到約5000 h，使用時間分別為965， 2152， 2700， 5070， 10000 h，再結合之前的2次初始試驗，測試次數(shù)N共計7次，繪制效率η曲線見圖6，阻力f曲線見圖7。

圖6 長期效率曲線

圖7 長期阻力曲線

從效率曲線看，在長期使用過程中的過濾器效率一直維持較低的水平，距離F9效率等級95%的平均效率要求差距較大；同時，使用3000 h后，過濾效率與容塵過程出現(xiàn)背離(容塵過程中效率會同步提升)，說明過濾器的靜電效應一直處于下降過程。

從阻力曲線看，阻力雖然有緩慢提升，但總體處于較低水平，結合圖5，說明經多級過濾的前級過濾后，附著在末級過濾器上的均為微小塵粒，質量和體積的累積極其緩慢，無法起到增強過濾性能的作用，這也是影響效率一直維持較低水平的重要因素之一。

4 結論

(1) 長期儲存和使用后，駐極體過濾器的靜電效應嚴重下降，過濾器的過濾特性逐步喪失，因此，燃氣輪機的末級過濾器及其他類似場合的過濾器應謹慎選用駐極體空氣過濾器，尤其是經過長期儲存的駐極體空氣過濾器；

(2) 異丙醇消靜電試驗可以消除過濾器的靜電效應，是識別駐極體過濾器的有效手段；

(3) 駐極體過濾器使用場合應進一步規(guī)范，具體配置場合對能否充分發(fā)揮駐極體過濾器作用有著相當重要的作用，研究成果可為相關從業(yè)人員的設計、選型和科研提供參考。