9E型燃气轮机进气过滤系统改造

2015-06-05王树国孙剑侯力曾荣鹏

综合智慧能源 2015年2期

王树国，孙剑，侯力，曾荣鹏

9E型燃气轮机进气过滤系统改造

王树国1，孙剑2，侯力3，曾荣鹏3

（1.内蒙古苏里格燃气发电有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017300；2.烟台宝源净化有限公司，山东烟台 264003；3.北京龙威发电技术有限公司，北京 100044）

介绍了内蒙古苏里格燃气发电有限责任公司9E型燃气轮机进气过滤系统运行中出现的问题，提出了改造方案，通过运行参数和改造效果的对比，分析了燃气轮机进气压力损失对机组性能的影响。改造后，延长了滤芯及压气机叶片的使用寿命，降低了维护成本，机组性能得到了明显改善。

燃气轮机；进气过滤系统；预过滤外套；运行参数；经济性

0 引言

进气系统作为燃气轮机关键的辅助系统之一，其过滤后的空气品质是否合格，对保证燃气轮机性能及运行可靠性至关重要。本文通过分析内蒙古苏里格燃气发电有限责任公司（以下简称苏里格发电公司）PG-9171E型燃气轮机进气过滤系统的改造案例，深入探讨了进气过滤系统在运行中常见的滤芯选择、维护与使用等问题。

1 进气过滤系统运行中常见问题

1.1 影响进气过滤系统的因素

从理论上来说，一个良好的进气过滤系统，应能在各种温度、湿度和污染的环境中改善进入机组的空气质量。燃气轮机制造多以美国和欧洲诸国的环境标准和运行条件为依据，其要求与国内实际使用条件存在不小的差异，主要表现在地理环境、投资、运行小时数、年平均负荷、检修频率等方面，这些因素都会影响过滤系统的过滤效率和使用寿命。

1.2 进气过滤系统故障的危害

进气过滤系统若出现故障会造成以下危害：首先是对压气机进气通道及叶片造成污染，通常会导致通流面积减少、降低级间压缩效率及机组能耗升高，严重时会引起压气机“喘振”，危及燃气轮机的运行安全；其次是空气中各种有机物与无机物的颗粒杂质在燃气轮机通流部位因高温作用产生结垢和腐蚀，严重时会堵塞透平叶片冷却孔，削弱冷却效果，极易造成金属超温。

2 进气过滤系统改造案例

苏里格发电公司位于毛乌素沙漠腹地，气候干冷且多风沙。2套PG9171E燃气轮机以调峰供热为主，年发电量1400GW·h。

2.1 PG9171E燃气轮机进气系统概况

苏里格发电公司的燃气轮机进气系统采用美国唐纳森公司单级立式GDX脉冲自清式过滤器，过滤元件为刚性滤筒，圆筒式过滤器采用高效木桨纤维滤纸，其耐破度较好。GDX脉冲自清式过滤系统结构如图1所示。

图1 GDX脉冲自清式过滤系统结构

GDX脉冲自清式过滤器为单级过滤，460个滤芯组（每组2个滤芯，分为圆锥体和原柱体，共920个滤芯）按20×23排列，水平安装在垂直隔板上，隔板将脏空气与清洁空气隔开。滤芯以经过防潮处理的特殊专用纸为介质，加工成百褶形状，空气流速为2.5m3／min。

过滤下来的颗粒物附着在滤芯外表面，加大了进气阻力。当阻力达到报警值时，脉冲压缩空气反吹系统自动启动，脉冲空气（压力0.69MPa左右，脉冲时间0.1 s）从清洁管喷出，形成一次瞬间反向流动冲击，将附着物吹掉，在重力作用下自上而下进入底部灰斗。当滤芯阻力回落达到某一设定值时，反吹自动停止。

2.2 进气系统出现的问题与原因分析

2.2.1 出现的问题

（1）机组在恶劣天气（雨、雪、雾、霾）及春季杨、柳絮多发时间段运行，易触发保护，引起自动降负荷甚至跳机。

（2）同压比下，燃气轮机出力、效率和经济性能下降。

（3）较大的颗粒物会通过滤芯进入通流部件，造成部件冲击受损。损伤结果如图2、图3所示。

图2 压气机叶片被异物损伤

图3 轮机动叶被异物损伤

（4）供货商推荐进气滤芯使用寿命为6 000～8000 h，实际使用时间已远远超过该推荐值。

2.2.2 原因分析

（1）苏里格发电公司所在地风沙大，春季杨、柳絮较多，容易造成滤芯污染。滤芯污染物主要为沙尘颗粒，反吹装置无法完全清除滤芯内部的污染物。

（2）在同等压比下，由于供应燃烧的空气量减少，使得控制系统自动调节的燃料供应也相应减少。

（3）随着污染物的不断增加，滤芯内部的滤纸吸水、透气性变差，使得滤纸强度变差，易被反吹的压缩空气打破，形成漏点。

（4）滤芯更换费用高（进口110万元／套，国产60万～70万元／套），企业为了降低维护成本，存在超期使用的问题。

2.3 过滤系统改造方案

对运行和检修状况进行了分析论证，分析结果表明，环境与气候是造成过滤系统堵塞的外因，滤芯超期使用是造成过滤系统堵塞的内因，内外因素导致滤芯严重污染。应采取相应措施清除滤芯污染物（或更换新滤芯），以降低滤芯的污染程度。

2.3.1 改造方案

方案1。在机组停运期间，取出滤芯，用压缩空气由滤芯内侧向外侧反向吹扫，清除污染物后回装。

方案2。在新滤芯外表面添加一层预过滤外套（俗称“袜子”），把大颗粒及杨、柳絮等杂物阻挡在滤芯外表面，保持滤芯相对清洁。通过更换预过滤外套，降低了滤芯污染程度和进气阻力升高速率。

2.3.2 方案对比

机组停运后，按方案1提出的措施，派出9个工人耗时15 d对滤芯进行了清理。机组保护性启动时，滤芯初始压差由清理前的627Pa下降到568Pa，效果不明显。

针对方案1实施效果不明显的问题，决定实施方案2，更换进气滤芯并配套预过滤外套。烟台宝源净化有限公司负责现场测绘滤芯外形尺寸，计算了外套尺寸并绘图。外套材质选用人工合成纤维材料，其良好的弹性与蓬松的纤维结构使得滤芯进气阻力相对变小、容尘量增大。预过滤外套将滤芯侧面完全包裹（长度不超过底部密封圈即可），外套结合处采用宽度50mm的尼龙粘连，便于调整与更换。滤芯预过滤外套安装前、后对比如图4所示，安装效果如图5所示。

图4 滤芯预过滤外套安装前、后对比

滤芯预过滤外套材质具有一定的硬度，便于现场安装操作，全部安装工作由3名工人在3 h内完成。

图5 现场安装效果

2.4 改造前、后数据对比

安装预过滤外套后，机组性能得到了明显改善。该机组使用全新滤芯，初始压差为181 Pa，增加预过滤外套后，压差仅增加到206Pa，表明外套材质透气性良好。

新滤芯效率和阻力随进风量的变化而变化，新换滤芯效率测试曲线如图6所示，新滤芯的阻力测试曲线图7所示。

图6 新换滤芯效率测试曲线

图7 新滤芯的阻力测试曲线

2.4.1 运行参数的对比

有关文献表明，PG9171E进气压力损失与燃气轮机发电机组出力和热耗呈线性关系。分析苏里格发电公司近年部分运行参数（见表1）可以发现如下问题。

（1）随着燃气轮机运行时间增加，进气压差逐年递增，说明滤芯受污染程度较为严重。

（2）在出力基本相同情况下，随着环境温度的升高，进气压差会增大。

（3）由于进气压差变大，燃料消耗量就会增加，这是由于压气机耗功增大，致使机组出力下降。

表1 苏里格发电公司近年运行参数对比

一般来说，空气过滤器、消声器、进气通道的布置和环境温度的变化会影响燃气轮机进气压力损失。有关资料表明，PG-9171E型燃气轮机压气机进口压降每增加1 kPa，燃气轮机出力下降1.42%，热耗率增加0.45%，排气温度上升1.1℃。如果过滤效果差，会在燃气轮机通流部分产生磨损、积垢和腐蚀等问题，使其不能安全正常工作，并加速燃气轮机性能老化。

技术改造后，若遇到恶劣天气，当进气压差增加过快时，可以人工拆除预过滤外套使压差回落。2.4.2 经济性能对比

由于安装后运行时间未达到新滤芯更换周期，无法全面衡量安装预过滤外套后压差增加情况以及外套更换周期，所以，参照某自备燃气轮机电厂相关数据进行对比折算，计算结果见表2。

折算原则：以自备燃气轮机电厂改造前、后对应部件更换周期比率作为苏里格发电公司改造前、后的折算系数，并对折算结果做适当缩减后，作为苏里格发电公司改造后更换周期。

折算的前提与计算方法。

（1）苏里格发电公司所用滤芯设计使用寿命8000 h，按全年运行8000h测算，则改造前滤芯更换周期为12个月。

（2）苏里格发电公司改造后的滤芯更换周期，参照自备燃气轮机电厂改造前后滤筒更换周期倍率折算：苏里格发电公司改造后的滤芯更换周期＝苏里格改造前滤芯更换周期×［自备电厂改造后滤筒更换周期／自备电厂改造前滤筒更换周期］＝12× 1.8＝21.6（月），对结果取整，苏里格发电公司改造后的滤芯更换周期为22个月。

（3）苏里格发电公司改造后外套更换周期，参照自备燃气轮机电厂外套更换周期与其改前滤筒更换的比率计算：苏里格发电公司改造后外套更换周期＝苏里格发电公司改造前滤芯更换周期×［自备电厂改造后外套更换周期／自备电厂改造前滤筒更换周期］＝12×0.6＝7.2（月），苏里格发电公司改造后的外套更换周期取7个月。