重型燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)使用情況綜述

文_徐婷婷 白云山 郝建剛 華電電力科學研究院有限公司

空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)是燃氣輪機必不可少的輔助系統(tǒng)之一，作為外界空氣進入燃機的唯一一道防線，空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)通過過濾、除濕等措施為燃氣輪機提供滿足要求的清潔空氣。因此，提高燃氣輪機進氣潔凈度水平，優(yōu)化空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)配置、提高其運行和維護水平具有重要意義。同時，由于環(huán)境對燃機進氣系統(tǒng)的過濾器影響較為明顯，因此本次調(diào)研選取的燃氣輪機發(fā)電機組所在地包括干燥寒冷的京津地區(qū)、溫暖濕潤的江浙滬地區(qū)和炎熱多雨的珠三角地區(qū)，同時兼顧了油氣污染物較多的工業(yè)環(huán)境地區(qū)和沙塵、昆蟲較多的鄉(xiāng)村地區(qū)環(huán)境。

1 燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)基本配置情況

目前國內(nèi)已投運的燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)主要有靜態(tài)式、自清式，以及靜態(tài)式和自清式混合使用等型式。本次調(diào)研的燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)以自清式為主，共有28臺，占比93%，但大多數(shù)處于江浙滬區(qū)域，在這些區(qū)域選擇自清式過濾器的合理性還有待進一步研究。除基本型式，過濾面積、過濾精度和濾芯數(shù)量等參數(shù)對過濾系統(tǒng)的實際過濾效果至關(guān)重要。

1.1 過濾面積

過濾面積是指過濾材料的面積，而不是過濾器的面積，過濾材料的面積經(jīng)常是過濾器迎風面積的數(shù)十倍。如果通過過濾材料的氣流速度相同，過濾材料的面積越大，通過的風量也越大。因此，從使用效果來講，過濾面積越大越好，但在過濾器初期設(shè)計中，部分采購方更注重初始投資成本，沒有綜合考慮過濾器的實際使用效果和后期維護成本，導致過濾系統(tǒng)投運后問題頻發(fā)。經(jīng)驗表明，對于同種結(jié)構(gòu)、同一濾材的過濾器，當終阻力確定時，過濾面積增加50%，過濾器的使用壽命可延長70%～80%，當過濾面積增加1倍時，過濾器的使用壽命會是原來的3倍左右。

天津某電廠的GE 9E型燃氣輪機采用的是唐納森自清式過濾系統(tǒng)，過濾級數(shù)為一級，共460組精濾濾筒。由于在初期的選型設(shè)計中，沒有充分考慮到當?shù)丨h(huán)境條件對過濾系統(tǒng)的影響，導致該燃氣輪機發(fā)電機組投運后，過濾系統(tǒng)問題頻發(fā)，尤其是在冬季氣溫降到0℃以下時，加之霧霾天氣的作用，過濾器在短時間內(nèi)壓差迅速達到報警值，并伴隨濾筒表面的結(jié)冰現(xiàn)象。經(jīng)過改造，增加了184組濾筒，并在精濾濾筒前增加一級M6的粗濾，情況才得以改善。

1.2 過濾效率

空氣過濾器的“過濾效率”是指通過該過濾器被捕捉的粉塵量與原空氣含塵量之比。目前，國內(nèi)燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)過濾效率的分級普遍采用歐洲EN779標準，該標準規(guī)定了用于測定過濾器過濾效率的儀器、測試步驟和分級準則，并規(guī)定在達到試驗終阻力前各容塵階段對0.4μm粒子過濾效率的加權(quán)平均值即為過濾效率。

廣東某電廠的燃氣輪機為M701F，該燃氣輪機過濾系統(tǒng)為兩級過濾，無反吹，第一級粗濾的過濾等級為G4，第二級精濾的過濾等級為F8。在實際運行中，燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)效率偏低，對粒徑小于0.4μm的顆粒過濾效果不理想，壓氣機結(jié)垢現(xiàn)象非常明顯，嚴重影響機組的發(fā)電效率，并且經(jīng)常導致機組提前進入溫控保護，限制最大出力。經(jīng)過改造，更換了第一級粗濾的濾材，將其過濾等級由G4提升至F6級，同時將第二級精濾的過濾等級由F8改為E11級，使其對0.4μm顆粒的初始過濾效率達到96%以上，比原過濾器提升了59%。改進后該空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)的過濾效率明顯提升，壓氣機水洗間隔變長。運行一年后，對壓氣機內(nèi)部流道和葉片進行檢查，幾乎未見黑色污垢沉淀物。雖然改造后由于過濾效率的提升，過濾器阻力有不同程度的升高，但總體來看，此次技術(shù)改造提高了整套聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電效率。

2 燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)輔助配置情況

通常情況下，過濾系統(tǒng)的幾種基本配置能夠有效去除空氣中的固體顆粒，但遇到較為惡劣的環(huán)境，如霧霾、嚴寒和雨雪等天氣狀況時，還需要根據(jù)燃氣輪機發(fā)電機組自身的結(jié)構(gòu)特點、運行方式和當?shù)氐臍夂驐l件增加額外的配置，如除冰系統(tǒng)、進氣加熱、進氣冷卻系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)等，以保障燃氣輪機發(fā)電機組的正常運行。

2.1 除冰系統(tǒng)

在我國很多地區(qū)，燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)在冬天常常發(fā)生結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象。該現(xiàn)象一旦發(fā)生，不僅使燃氣輪機很難繼續(xù)運行，而且極易發(fā)生“吞冰”危險，進而打傷壓氣機葉片，導致昂貴的維修費用。空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)結(jié)冰現(xiàn)象涉及的因素較多，在設(shè)計和配套時很容易被人們所忽略。

為了避免空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，設(shè)計配套合適的加熱系統(tǒng)是最為根本的辦法。只要在冬天易發(fā)生大霧或霜凍的地區(qū)，燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)都應(yīng)考慮配備加熱防冰裝置。目前，加熱裝置的型式主要有三種：第一種是電加熱或蒸汽暖管加熱，這種方式較為簡單，通常應(yīng)用在空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)改造中；第二種是在冬季將燃氣輪機箱體通風出口的熱空氣引向空氣過濾器入口，以提高燃氣輪機進氣溫度，箱體通風空氣出口的熱量足以加熱燃氣輪機進氣；第三種是將壓氣機的一部分高溫高壓空氣適時地引入到空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)入口處，這種方法要犧牲一定的燃氣輪機功率和熱效率。

經(jīng)統(tǒng)計，本次所調(diào)研的未裝有防冰系統(tǒng)的機組共26臺，占比86%，這對燃氣輪機的安全運行造成了很大的威脅。GE的燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)大多數(shù)都配備了IBH加熱系統(tǒng)，IBH加熱系統(tǒng)對防止消音器和進口導葉處結(jié)冰結(jié)霜較為有效，但因其布置在精濾后，處在濾芯的下游，因此不能有效地解決濾芯的結(jié)冰問題。

2.2 除濕系統(tǒng)

沿海地區(qū)空氣濕度大，空氣中的水分對濾芯的抗?jié)裥阅芤蠛芨撸ǔＰ枰獮榭諝赓|(zhì)量保障系統(tǒng)配備一級除濕系統(tǒng)。常見的除濕器有兩種型式，即百葉窗型物理除濕器和凝聚式除濕器。百葉窗型物理除濕器是一種撞擊式氣水分離器，依靠其特有的流線設(shè)計使氣流沿除濕器規(guī)定的通道流動，當流道方向改變時，在慣性力作用下氣流中的水滴撞擊到除濕器的鉤狀面上，并在此聚集形成水膜，在重力作用下沿鉤狀槽流出，從而達到除濕的目地。凝聚式除濕器主要通過編織緊密的合成樹脂玻璃纖維絲來吸收潮濕空氣中水分。一般情況下，百葉窗型除濕器對大水滴的隔離能力較強，但遇到空氣中含有的較小水滴時，除濕效率會降低。凝聚式除濕器對小水滴過濾效果較好，但在惡劣的天氣狀況下，壓差上升很快，更換周期較短。在較為潮濕的地區(qū)，為了達到更好的除濕效果，可以選擇兩種除濕方式結(jié)合使用。

目前國內(nèi)空氣潔凈度相對較低，來自工業(yè)排放和汽車尾氣的污染物，會在過濾器表面甚至壓氣機葉片表面形成一層黑色黏性物質(zhì)。對于自清式過濾器，如果沒有預(yù)過濾，僅僅靠壓縮空氣的反吹作用，很難將其吹落，導致過濾器壓差短時間內(nèi)升高，最終只能更換過濾器，費用昂貴。

經(jīng)統(tǒng)計，本次所調(diào)研的空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)未裝有除濕裝置的機組共13臺，占比43%。在未裝有除濕裝置的自清式過濾器中，只配置一級濾筒的燃氣輪機共11臺，占比84%，從配置上來看，這些燃氣輪機發(fā)電機組存在較為嚴重的安全隱患。

2.3 進氣冷卻系統(tǒng)

燃氣輪機入口空氣冷卻技術(shù)可在高溫氣候環(huán)境下，通過降低入口空氣溫度，提高單位時間吸入的空氣質(zhì)量流量，增加燃氣輪機出力，提高效率，達到提高經(jīng)濟性的目的。對于重型燃氣輪機而言，夏季將35℃的空氣冷卻至15℃，理論上在簡單循環(huán)中至少可增加燃氣輪機出力11%左右。入口空氣冷卻技術(shù)經(jīng)過二十年的發(fā)展，在國內(nèi)外的不同氣候條件、不同機型上已有多種不同的冷卻技術(shù)被應(yīng)用，經(jīng)過長期運行經(jīng)驗，各種不同技術(shù)表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性和優(yōu)缺點，目前主要的技術(shù)手段有直接接觸和間接接觸兩大型式。

2.4 防鳥和柳絮裝置

結(jié)構(gòu)較為簡單，布置在防雨裝置之后，過濾系統(tǒng)之前。在沿海地區(qū)，因空氣中鹽分含量較高，因此防鳥和柳絮裝置中的金屬部分的防腐性能應(yīng)該重點考慮，如使用不銹鋼或熱鍍鋅工藝。本次調(diào)研的空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)中未配備防鳥和柳絮裝置的共有9臺，占比30%。

3 燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)存在的主要問題

3.1 過濾系統(tǒng)以自清式居多

本次調(diào)研的過濾系統(tǒng)自清式占比93%，且大部分為單級設(shè)計。自清式過濾系統(tǒng)主要適用于空氣干燥地區(qū)，當過濾器兩端壓差過大時，利用反吹裝置吹掉過濾器表面的灰塵。江浙滬大部分屬于沿海地區(qū)，空氣濕度較大，加上由工業(yè)和汽車尾氣排放的油霧、硫化物等黏性較高、腐蝕性較強物質(zhì)的作用，導致濾芯表面極易結(jié)垢，反吹空氣難以將其吹落，反吹效果不明顯。

3.2 各級過濾器的過濾效率選擇不合理

通常情況下，過濾器的末級決定空氣的潔凈程度，上游過濾器的作用是保護下級過濾器。若相鄰兩級過濾器的效率規(guī)格相差過大，則前一級起不到保護后一級的作用，若相差過小，則后一級負擔太小，不能充分利用其過濾性能。通常合理的配置是每隔2～4檔設(shè)置一級過濾器，按歐洲現(xiàn)行的過濾器效率分級標準，如末級使用F9過濾器，則前一級可選用F6級。江浙滬地區(qū)的燃機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)以G4-F8或G4-F9配置方式為主，兩級之間過濾效率相差較大，對過濾器的過濾效果和使用壽命造成不利影響。

3.3 各個燃氣輪機空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)的配置相差較大

即使在同一地區(qū)，各空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)在濾芯數(shù)量、過濾精度、過濾系統(tǒng)級數(shù)、進氣加熱系統(tǒng)和防柳絮裝置等方面的配置不盡相同，表明在空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)的初期選型過程中缺乏合理的規(guī)劃。因空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)在機組投運后改造的空間較小，而新建電廠往往對特殊要求考慮不周，從而造成對其后期運行維護成本的上升，甚至會影響機組的正常運行。因此，綜合考慮過濾系統(tǒng)的特殊配置要求，形成規(guī)范化的選型方案，對于選擇合適的過濾系統(tǒng)，減少后期的維護費用具有重要意義。

3.4 空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)易水堵

江浙滬地區(qū)因濕度較大，并且有近一半機組未配備除濕系統(tǒng)，空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)容易出現(xiàn)水堵現(xiàn)象，降低過濾系統(tǒng)的過濾效果，進而影響機組的正常運行。

3.5 空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)易結(jié)冰

京津冀地區(qū)冬天氣溫較低，霧霾嚴重，有些未配備除冰系統(tǒng)的空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。其中，天津某機組在2016年空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)曾結(jié)冰數(shù)次，江蘇某機組也出現(xiàn)過輕微結(jié)冰現(xiàn)象。本次調(diào)研中，共有86%的燃氣輪機的空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)未配備除冰系統(tǒng)，存在一定程度的安全隱患。

3.6 維護成本高、濾芯壓差增長趨勢異常、產(chǎn)品良莠不齊

本次調(diào)研的空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)大部分精濾濾芯的更換周期在2000～4000h，時間間隔偏短，增大了機組的運行維護成本；個別空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)的濾芯壓差增長趨勢異常，主要表現(xiàn)為先增長，反吹后穩(wěn)定不再增長，可能是由于濾材過濾效果變差所致，但目前缺乏有效的檢測手段去證實；目前，國內(nèi)外過濾器制造廠家眾多，產(chǎn)品良莠不齊，加之市場競爭激烈和用戶缺乏有效的檢測手段，容易產(chǎn)生低價競標和以次充好的問題。

表1為某公司對三家不同廠商的濾筒的過濾效率進行測試的結(jié)果，三種過濾器均標稱F9級，與實測結(jié)果相差甚遠，最大相差四個等級。因此，針對預(yù)采購和在役的過濾器，建立有效的檢測機制尤為重要。

表1 某標稱F9級過濾器過濾效率測試結(jié)果

4 結(jié)語

雖然空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)非常重要，但從實際使用情況來看，其選型和運維存在諸多問題，如過濾面積普遍偏小、過濾器配置不合理、過濾效率偏低、濾芯更換時間間隔偏短、遇極端天氣情況容易出現(xiàn)水堵及冰堵、壓差增長過快等問題。這些問題的發(fā)生降低了燃氣輪機效率，提高了發(fā)電成本和過濾系統(tǒng)的維護成本，甚至可能會導致跳機。

目前，國內(nèi)外過濾器制造廠家眾多，產(chǎn)品良莠不齊，同時也缺乏有效的手段對過濾器真實效率做出準確的判斷。因此，需要對典型環(huán)境污染物做充分的分析，以及對空氣質(zhì)量保障系統(tǒng)與燃機經(jīng)濟性和安全性的關(guān)聯(lián)性進行定量的研究。