燃氣輪機進氣過濾系統維修周期經濟性分析

金云峰，劉超*，鄧高峰，關運龍，郝建剛，黃海舟，蔣東翔

（1. 清華大學能源與動力工程系，北京市 海淀區 100084；2. 建筑安全與環境國家重點實驗室，北京市 朝陽區 100013；3. 華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

為保證進入重型燃氣輪機內的空氣品質，進氣過濾系統通常被安裝在燃氣輪機壓氣機進口處，通過粗濾和精濾兩級過濾，實現對空氣中沙塵、鹽霧、細小顆粒物等雜質的過濾和去除[1]。但是，進氣過濾系統并不能完全吸附空氣中的污染物，特別是隨著進氣過濾系統使用時間的累積，過濾效率發生退化，可能導致少量雜質進入燃氣輪機流道內，引起葉片磨蝕、腐蝕、積垢、堵塞等多種類型的氣路故障，導致燃氣輪機輸出功率與熱效率下降[2-6]。研究表明，即使少量的雜質進入燃氣輪機流道內，經過累積也會造成燃機出力下降與熱耗率的提升。

進氣品質引起的燃氣輪機退化和故障問題中，發生頻率最高、對性能影響最明顯的是壓氣機積垢。有研究表明壓氣機積垢造成的性能損失占總損失的70%～85%[7]。因此壓氣機積垢造成的性能損失，也被當作是過濾系統效率下降帶來的經濟性下降和效益損失，是進氣過濾系統維修經濟效益中的重要考慮因素。

另外，進氣過濾系統清除進氣雜質的同時，進氣系統引入了額外的空氣阻力，導致壓氣機進口壓力下降。由布雷頓循環的熱力循環圖可知，進氣壓力下降會導致輸出功率的降低。研究表明，燃氣輪機進氣壓力下降1 kPa，可導致輸出功率降低1.42%[8]。壓氣機進口壓力下降引起的燃氣輪機經濟性下降和效益損失，是過濾系統優化維修周期的考量因素之一。

為避免上述因素引起的損失，及時清洗及更換過濾系統部件可以有效保證燃氣輪機進氣質量、提高燃氣輪機進口壓力，對于燃氣輪機運行的可靠性和經濟性(熱效率)有利。但不得不考慮的是，清洗和更換過濾系統部件會導致設備運維成本的增加(包括過濾系統部件更換成本、停機成本等)。因此，清洗和更換過濾系統部件的周期取決于上述幾個方面的因素，各個因素之間相互影響、相互制約。為此，如何優化燃氣輪機進氣過濾系統的維護周期、提高進氣過濾系統的運行經濟性、降低運行維護成本、提高燃氣輪機可靠性和經濟性，受到了越來越多的重視[1,9-10]。

本文提出一種燃氣輪機進氣過濾系統維修經濟效益分析模型，將總維修成本分解為初始成本、停機成本與性能下降成本3 部分；基于模型提出過濾器更換與壓氣機水洗維修周期的優化方式；最后，探究進氣過濾系統異常退化條件下維修策略的調整方式。研究結果對于制定進氣過濾系統維修策略、提高燃氣輪機運行經濟效益具有實用價值。

1 進氣過濾系統經濟效益分析模型

1.1 進氣過濾系統構成

燃氣輪機進氣過濾系統一般包含：防風雨罩、過濾網、除水裝置、預過濾器與高效過濾器等，其安裝結構如圖1 所示。本文所考慮的燃氣輪機模型主要針對F級燃氣輪機，其過濾器通常采用粗濾和精濾兩級過濾。由于過濾器布置受到當地氣候環境、污染程度等因素直接影響，不同地域和環境條件的燃氣輪機進氣過濾系統的配置不同，過濾器的壽命也有較大差別。為了便于對比分析，本文主要考慮同一地域燃氣輪機維修策略優化前后的變化規律。在將來考慮不同地域的燃氣輪機進氣過濾系統維修策略時，通過對維修周期、維修成本等參數進行調整，即可獲得相應的優化分析模型。

圖1 燃氣輪機進氣過濾系統部件構成Fig.1 Components of gas turbine inlet filtration system

1.2 總體成本構成

燃氣輪機及進氣過濾系統年維修成本定義為Ctotal，其中包括了進氣過濾系統維修所帶來的直接成本(初始成本Cinit和停機維修成本Cdown)、進氣過濾系統造成的燃氣輪機性能下降帶來的間接成本Cdeg。因此，Ctotal計算公式為

式(1)的構成基于以下簡化假設：

1）忽略資金的時間價值。過濾器的維修周期在數千小時至上萬小時，在嚴格的成本會計下需要考慮資金時間價值的影響；

2）除停機時間外，機組恒功率運行，且不考慮環境因素變工況的影響；

3）進氣污染僅導致壓氣機積垢，未考慮其他氣路故障(如透平熱腐蝕等)對燃氣輪機性能下降的影響；

4）壓氣機不進行在線水洗，且離線清洗可完全恢復燃氣輪機性能；

5）不考慮嚴重故障(如葉片斷裂)可能造成的成本。

1.3 初始成本

初始成本主要包括新更換過濾器的購買、運輸、安裝等成本，計算公式為

式中：ccf與chf分別為單組粗濾與精濾的初始成本；ncf與nhf分別為年更換粗濾與精濾的數量，由更換周期決定。

式中：tgen為燃氣輪機年運行時間；tcf與thf為粗濾與精濾的更換周期。

1.4 停機成本

在燃氣輪機進行更換過濾器、離線水洗壓氣機等維修時，需停機進行相關操作。維修所需的原材料、燃料等消耗以及停機導致的輸出功率損失構成了停機維修成本。計算公式為

現實中單次停機可能同時進行多個維護操作，且對晝啟夜停的調峰機組而言無需額外停機，在夜間即可完成維護。因此ndown有一定的優化空間，但在模型中進行了簡單加和處理。

cdown的計算公式為

式中：Ngen為機組額定輸出功率；tdown為單次停機時長；Wstart為啟動過程折合耗電量；ce與cfuel分別為單位上網電價與度電氣耗成本。

1.5 性能下降成本

由于壓氣機積垢導致燃機性能下降，如燃機出力減少、燃氣耗率增加，因此帶來性能下降成本。由于模型中假設燃氣輪機恒功率輸出，因此只考慮燃氣消耗量相較于額定工況增加部分的成本。其計算公式為

式中：Qdeg為由于性能下降導致的單位電量氣耗率增加，其為運行時間t的函數，即Qdeg=Qdeg(t)。進一步地，可以將Qdeg(t)分解為3類退化因子的加和，表達式為

式中：Qfoul、QDPcf、QDPhf分別為壓氣機積垢、粗濾壓差退化與精濾壓差退化導致的燃氣耗率增加。3 類退化因子均可以通過退化曲線求解定積分的方式，計算其所造成的性能下降成本。

在實際工程應用中，因壓氣機積垢、壓差退化等因素導致的燃氣耗率增加隨時間變化的曲線應結合燃氣輪機歷史運行數據確定。本文中為簡化模型，假設每類退化因子在對應的2 次維護操作期間，均隨運行時間線性增長。因此，可確定公式(10)的具體表達形式為

式中：kfoul、kDPcf、kDPhf為退化因子增長率；tfoul為t時刻距離上一次壓氣機水洗操作后的運行時間；tDPcf與tDPhf分別為t時刻距離上一次更換粗濾或精濾后的運行時間。

2 進氣過濾系統維修周期優化

2.1 參數選取

由維修成本的構成可知，維修成本主要受粗濾維修周期、精濾維修周期、水洗周期3 方面影響。當粗濾維修周期、精濾維修周期、水洗周期延長時，維修成本降低，但性能下降帶來的成本會顯著提高。當上述3個維修周期縮短時，維修帶來的初始成本與停機成本增大，性能下降帶來的成本會顯著降低。于是，整體維修成本優化需綜合判斷粗濾維修周期、精濾維修周期、水洗周期。

為此，本文選取3類維修周期作為決策變量，燃氣輪機及進氣過濾系統維修成本為目標函數，最大限度地降低維修成本。為便于對比分析，其余參數取為定值或遵循固定的函數變化規律[11-12]，如表1所示。

表1 維修成本計算參數選取Tab.1 Selection of maintenance cost calculation parameters

初始維修周期選取為tcf=2 200 h，thf=8 000 h，twash=2 000 h。經計算可知，優化前的年維修總成本為4 176萬元。以此作為參照值，采用Python語言基于2.1節的成本計算方式，獲得不同條件下的維修成本，并從壓氣機水洗周期優化、過濾器更換周期優化、維修成本優化前后變化3個方面進行分析。

2.2 壓氣機水洗周期優化

保持過濾器維修周期不變，改變壓氣機水洗周期，可以獲得維修成本隨壓氣機水洗周期的變化關系，如圖2所示。

圖2 壓氣機水洗周期與維修成本優化Fig.2 Compressor washing cycle and maintenance cost optimization

從圖2 中可以看到，隨著水洗周期的增加，維修成本先降低后增加，并存在最小極值點T*wash。由維修成本的構成可知，當水洗周期過短時，燃氣輪機頻繁停機造成的停機成本與水洗成本會迅速增加，導致維修成本的快速上升。而當水洗周期過長時，壓氣機長期運行在積垢狀態下，燃氣輪機的熱效率較額定值明顯下降，造成性能下降成本的升高。因此，在最優水洗周期下，即Twash=Tw*ash=467 h 時，各個子成本之間達到最佳平衡，從而實現維修成本的優化。可以看到，相比于原始2 500 h 的水洗時間間隔，隨著水洗頻率的增加，年維修成本存在約44%的優化空間。同時也應該注意到，最佳水洗周期的確定還與其他影響因素有關，如壓氣機性能對積垢的敏感程度、當地的污染水平、過濾器的精度等。

2.3 過濾器更換周期優化

與水洗周期優化類似，通過先后調整精濾與粗濾的更換周期，同樣可以實現維修成本的降低。其變化關系如圖3所示。

圖3 過濾器更換周期與維修成本優化Fig.3 Filter replacement cycle and maintenance cost optimization

從圖3 可以看出，過濾器更換周期優化與水洗周期優化規律基本一致，均存在著最優的極值點。但精濾與粗濾之間變化規律略有不同：精濾極值點右側的曲線升高速率較為平緩，而粗濾右半部分的升高更為迅速。這表明延長精濾的更換周期對維修成本的影響并不十分顯著，這是由于粗濾容納了大部分的雜質，使得粗濾壓差較精濾壓差增長快約3.5倍，二者的時間尺度有明顯差異。考慮到精濾初始成本遠高于粗濾初始成本，這也是目前重型燃氣輪機機組往往采用二級乃至三級過濾的原因。

2.4 維修成本優化前后比較

通過調整三類維修周期，完成了維修成本的優化，優化前后的對比如表2所示。

表2 優化前后維修成本對比Tab.2 Comparison of maintenance cost before and after optimization

從表2 可以看出，在優化前，性能下降成本占據了絕大部分的維修成本。而在縮短各個維修周期之后，盡管導致了初始成本和停機維修成本的上升，但性能下降成本顯著減小。因此綜合來看，通過調整過濾器更換與壓氣機水洗的維護周期，整體維修成本存在較大的優化空間。

3 進氣過濾系統異常退化對最優維修周期的影響

前文討論了通過選取維修周期實現整體維修成本的最小化，但是在燃氣輪機機組實際工作過程中，往往因惡劣環境條件或異物撞擊等，導致進氣過濾系統出現異常退化，體現為過濾效率的大幅降低等。在這類情形下，維修策略也必須進行相應調整。

當過濾效率存在異常退化時，會造成壓氣機積垢速率的提升，相應地會使壓氣機等熵效率更快地下降到閾值下限，即剩余使用壽命下降。過濾效率異常退化下的最優壓氣機水洗周期如圖4所示，其中，當DETAF=0時，代表過濾器處于正常狀態，壓氣機積垢速率與表1 中數值保持一致。當DETAF=1時，過濾器發生密封泄漏，導致壓氣機積垢速率為正常值的2.5倍。DETAF在0～1時，假設壓氣機積垢速率為線性變化。

圖4 過濾效率異常退化下的最優壓氣機水洗周期Fig.4 Optimal compressor washing cycle under abnormal filtration efficiency degradation

圖4中，藍色實線與標準狀態下的維修成本曲線變化相同，而橘黃色與紅色的點狀線則代表不同程度的過濾效率異常退化。可以看到，隨著異常程度的升高(即過濾器的局部泄漏面積增大)，曲線整體向左上方移動。將各狀態點下的最優壓氣機水洗周期連接，如圖4中的黑色虛線所示，表現為斜向左上方的一條曲線。這表明維修成本整體逐漸升高，對應的最佳壓氣機水洗周期縮短。

在過濾效率異常退化條件下，壓氣機水洗周期策略的調整方式與直觀認識相一致，即當過濾效率低于正常值時，應當更為頻繁地清洗壓氣機，且維修成本較正常過濾器更高。另外，從曲線圖的左側可以發現，當水洗周期減小時，不同DETAF對應的維修成本基本一致。這表明盡管過濾效率有所惡化，但通過頻繁水洗壓氣機葉片，使壓氣機保持健康工作狀態，燃氣輪機運行期間即不會受到退化因素的影響，故性能下降成本趨于一致。但相應地，該類維修方式會造成初始成本與停機維修成本的顯著上升。

4 結論

燃氣輪機進氣過濾系統和燃氣輪機本體是相互聯系的整體，部件之間相互耦合，在分析進氣系統維修周期時，同樣需要考慮燃氣輪機本身退化規律的影響。為此，在已有監測系統的參數范圍內，構建進氣系統與燃氣輪機的聯合模型，分析不同部件退化過程，并進行實時識別和判斷，從而用于進氣系統維修周期的優化中。

1）通過選取粗濾維修周期、精濾維修周期、壓氣機水洗周期3類因素作為決策變量，以燃氣輪機進氣過濾系統維修成本為目標函數，實現了整體維修成本的最小優化。研究中發現，通過合理調整維修周期，因性能下降導致的成本顯著減小，能夠覆蓋初始成本和停機維修成本的上升，從而優化總維修成本。

2）通過研究過濾效率異常退化情形下維修周期的調整策略，發現當存在過濾器密封泄漏等異常工作狀態時，適當地加快部件的維修頻率，可以減少該類異常條件造成的額外經濟損失。

需要說明的是，針對燃氣輪機進氣過濾系統維修決策的分析引入了較多假設，其目的是使決策變量與目標函數之間的關系變化更直觀清晰。下一步工作中將針對實際情況，結合燃氣輪機實際運行的歷史數據和檢修記錄，考慮變工況影響等因素，使分析結果更貼近實際。