进气滤网压差对M701F联合循环机组性能影响研究

穆利洪，黄纪新，龙双喜，王 毅

(1.广东惠州天然气发电有限公司，广东 惠州 516082；2.中南大学 航空航天学院，湖南 长沙 410083)

进气滤网压差对M701F联合循环机组性能影响研究

穆利洪1，黄纪新1，龙双喜1，王 毅2

(1.广东惠州天然气发电有限公司，广东 惠州 516082；2.中南大学 航空航天学院，湖南 长沙 410083)

通过理论推导和大量分析对比计算，初步得出压气机进气滤网压差变化对M710F燃气—蒸汽联合循环发电机组性能的影响规律，在此基础上提出了进气滤网的运行优化策略并估算了由此产生的经济效益。

M701F联合循环机组；进气滤网；性能

0 引言

惠州天然气发电有限公司一期工程使用了3台日本三菱重工生产的M701F燃气-蒸汽联合循环发电机组，为满足燃机运行需要，从最低负荷至最高负荷压气机进口空气流量的变化范围约为500 kg/s～700 kg/s。由于联合循环发电机组运行时的空气流量很大，而空气中含有各种污物、灰尘和烟雾等悬浮物质，若不能有效除去这些物质，压气机叶片表面将迅速积垢。压气机叶片积垢后将改变叶片的气动性能，使压气机的压比、效率和流量下降，最终导致机组出力、效率及升负荷速率等运行性能降低。为此，在M701F燃机的压气机进口处装有一粗一精两级空气过滤器。随着运行时间的延长，压气机进气滤压差将逐渐增大，当达到限定值时需要及时更换。

一直以来，关于压气机进气滤网压差对联合循环发电机组性能影响的研究极少，几乎没有比较准确的参考准则，目前只能简单地根据压差或定期的原则对滤网进行更换，其经济性也尚不明确。在目前发电形势严峻、机组节能降耗措施日渐匮乏、电厂盈利压力越来越大的情况下，很有必要对进气滤网的运行方式进行深入研究，定性定量分析其对机组性能的影响，寻找并实施优化方法，从而取得降本增效的成果。

本文以M701F燃气-蒸汽联合循环发电机组为研究对象，借助数值模拟手段，对压气机进气滤网压差变化对联合循环发电机组性能影响进行深入研究，并寻求机组优化运行策略，以实现节能降耗。

1 联合循环仿真及滤网压差影响分析

联合循环性能仿真采用了Thermoflow电厂热平衡计算软件包GTPRO模块，详细建立了三菱M701F燃气轮机模型以及锅炉及蒸汽透平模型，形成完整的燃气轮机-蒸汽联合循环模型，如图1所示。表1给出了燃气轮机的主要运行参数。

仿真结果表明，修正的燃气轮机蒸汽联合循环取得与现场运行数据比较一致的结果，其中燃机输出功率约为231 000 kW，汽机输出功率约为131 000 kW，联合循环效率为55.36%。

图1 燃气轮机-蒸汽联合循环模型

参数数值环境压力(kPa)100.971环境温度(K)300.2空气湿度(%)63.5进气滤网压差(kPa)0.3压气机出口温度(K)715.8涡轮出口温度(K)877.5燃机功率(kW)230930

接下来将讨论滤网压差对燃气轮机蒸汽联合循环性能的影响。根据现场运行数据，滤网压差的大致范围为300 Pa～1 100 Pa，为此，取滤网压差的研究范围为200 Pa～1 200 Pa，以便于将实际运行工况封闭。

1.1 满负荷工况

在满负荷工况下，燃气轮机蒸汽联合循环输出功率系数Cp随滤网压差Δp的变化曲线如图2所示。功率系数Cp定义为：

其中：P300为滤网压差为300 Pa时联合循环的满负荷输出功率；P为实际输出功率。由图2中可以清楚地看到，随着滤网压差的增加，燃气轮机蒸汽联合循环满负荷输出功率降低，并且当滤网压差小于900 Pa时，燃气轮机蒸汽联合循环满负荷输出功率与滤网压差几乎成线性关系；当滤网压差为1 200 Pa时，燃气轮机蒸汽联合循环满负荷输出功率将几乎下降1%。以上分析与现场运行数据几乎完全吻合，表2给出了其他参数相同时滤网压差不同的两个满负荷工况的输出功率。

图3为燃气轮机蒸汽联合循环热效率系数Ce随滤网压差变化的关系曲线。热效率系数Ce定义为：

其中：E300为滤网压差为300 Pa时联合循环的满负荷热效率；E为实际循环热效率。

图2 循环输出功率系数Cp随滤网压差Δp的变化情况

参数工况1工况2两工况输出功率比值进气滤网压差(Pa)3001000满负荷功率(kW)364.31361.750.993

由图3中可以清楚地看到，滤网压差增加，将导致燃气轮机蒸汽联合循环满负荷热效率降低，然而这种影响非常小，甚至当滤网压差为1 200 Pa时，联合循环热效率仅下降0.04%。因此，满负荷工况下，滤网压差对燃气轮机蒸汽联合循环发电机组热效率的影响可忽略不计。

1.2 部分负荷工况

当燃气轮机蒸汽联合循环发电机组处于部分负荷工况工作时，必须摸清联合循环发电机组的控制规律，才能进行比较准确地仿真。一般而言，绝大部分燃气轮机蒸汽联合循环发电机组的部分负荷工况控制规律为：逐渐减小IGV开度，同时控制燃料流量，以保持涡轮出口温度等同设计状态。然而，从实际运行数据来看，涡轮出口温度存在一定的偏差，这将会影响燃气轮机蒸汽联合循环性能，因此，对燃气轮机蒸汽联合循环部分负荷工况的分析还必须考虑出口温度差异的修正。

首先，研究出口温度保持不变情况下滤网压差对部分负荷工况性能的影响。设定燃气轮机涡轮满负荷工况的涡轮出口温度不超过609 ℃，那么，压气机进气滤网压差对燃气轮机蒸汽联合循环发电机组输出功率和热效率的影响如图4所示。

图4比较清楚地表明：随着机组负荷由满负荷水平逐渐降低，其热效率经历先增加后减小的过程；当机组负荷处于94%满负荷水平时，机组效率接近峰值水平，而后其热效率将迅速降低，当机组负荷处于67%满负荷水平时，其效率系数将降低5%；滤网压差增加将降低机组最大负荷能力，并且滤网压差的主要影响区间位于90%～100%负荷区，在该区域，滤网压差越大，机组效率损失也越大，其最大损失约0.27%；当机组负荷低于90%满负荷水平时，滤网压差对机组效率的影响就非常小了。

图3 循环热效率系数Ce随滤网压差Δp的变化情况 图4 滤网压差Δp对循环输出功率系数Cp及热效率系数Ce的影响

1.3 燃气轮机涡轮出口温度对机组效率的修正

这里必须强调一点，前述滤网压差对机组性能影响分析，完全基于相同的涡轮出口温度，而实际运行数据可能会有差异，导致涡轮出口温度不同，从而影响燃气轮机蒸汽联合循环发电机组的热效率，为此，需要对涡轮出口温度的影响进行修正。

图5给出了燃气轮机蒸汽联合循环发电机组66%～100%满负荷之间5种负荷水平工况下，不同涡轮出口温度对联合循环发电效率的修正曲线，其中横坐标表示实际运行涡轮出口温度相对于基准涡轮出口温度(不大于609 ℃)的变化值ΔT，纵坐标为温度对循环效率的修正系数CT。

图5 涡轮出口温度变化ΔT对联合循环发电效率修正系数CT的影响

1.4 滤网压差对机组性能影响

基于前述的修正方法，结合机组现场运行数据，获得压气机滤网压差对机组性能的影响规律，如图6所示。

图6 M701F机组进气滤压损—机组效率变化曲线

图6清楚地表明，进气滤压差增大时，机组在满负荷时的效率基本不变，而部分负荷效率略有提高，幅度约在0.5%以下。

2 滤网运行优化策略及经济性分析

根据前述滤网压差对机组性能的影响，结合电厂实际运行工况，拟提出两种滤网运行优化策略，并结合2013年机组运行情况，进行对应经济性评估。

2.1 尽量充分利用进气滤的寿命

结合前述分析结果可知，充分利用进气滤的寿命，不仅可以大幅降低进气滤更换的成本，同时也会使机组运行过程中的进气滤压差均值有所提高。根据电厂2013年各负荷发电情况及进气滤压损与机组效率变化关系曲线，假设全年进气滤压差均值分别提高0.1 kPa和0.2 kPa，则获得的经济效益见表3。

表3 2013年机组进气滤压差均值提高0.1 kPa和0.2 kPa的增效估算

2.2 采用高效过滤器

机组进气滤在A检后均更换为高效粗滤和高效精滤，其运行情况具有进气滤压差增大、过滤效果提高、滤网更换周期缩短3个特点。

相较于普通过滤器，高效过滤器可带来机组效率提高、机组效率随运行时间的下降程度减缓、水洗次数减少及叶片寿命延长等一系列好处，虽然也会导致进气滤更换成本增加，但根据高效过滤器经济性评估结果(见表4)，若电厂所有机组均使用高效过滤器，则将产生高达数百万的增效。

表4 高效过滤器经济性评估

3 结论

本文以M701F燃气-蒸汽联合循环发电机组为研究对象，利用数值模拟手段，探讨了压气机进气滤网压差变化对联合循环发电机组性能影响及机组优化策略，获得以下结论：

(1) 在同一负荷水平下，滤网压差对联合循环效率的影响大致呈现二次曲线的规律，随着压差的增加，循环效率先增加后减小。

(2) 在不同负荷水平下，当部分负荷高于86%时，联合循环效率也高于满负荷水平；当部分负荷低于86%时，联合循环效率则低于满负荷水平。

(3) 建议采用高效过滤器，可明显延缓机组压气机叶片结垢现象、减少叶片水洗次数、延长叶片寿命、改善压气机效率恶化、提高发电机组效率；虽然高效过滤器成本会略有增加，然而使用高效过滤器可带来较大收益。

Influence of Pressure Drop of Compressor Air Inlet Filter on Performance of M701F Combined Cycle Gas Turbine

MU Li-hong1, HUANG Ji-xin1, LONG Shuang-xi1, WANG Yi2

(1. Guangdong Huizhou Natural Gas Power Generation Co., Ltd., Huizhou 516082, China; 2. College of Aeronautics and Astronautics, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on theoretical derivation and calculation analysis, the influence of compressor air inlet filter on the performance of M701F combined cycle gas turbine was obtained, an operation optimization strategy of air inlet screen was proposed, and the economic benefit from the improvement was preliminarily estimated.

M701 combined cycle gas turbine; air inlet filter; performance

1672- 6413(2015)06- 0031- 03

2015- 01- 14；

2015- 08- 15

穆利洪(1972-)，男，贵州习水人，高级工程师，本科，主要从事大型燃气轮机发电机组运行监督及技术分析工作。

TK474.8

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