燃气轮机空气过滤系统预过滤器改造效果评估

高涌，田鑫，吴寅琛

（1.江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213025；2.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030）

0 引言

燃气轮机进气系统的主要作用在于过滤掉进入压气机空气中的灰尘、飞絮、液体颗粒等［1-3］。由于空气中的污染物成分十分复杂，单级反吹过滤器在当前条件下已经很难满足大部分的燃气轮机工作环境，尤其是湿度大、工业污染物较多的环境。因此，在空气最终通过精滤前，往往增加一级或多级预过滤器来分担精滤过滤压力［4-5］，多级过滤器逐步被燃气发电企业采纳。

多级过滤器对于燃气轮机的保护作用主要体现在以下几个方面：（1）由于预过滤器的保护作用，精滤的寿命得以较大程度地延长，降低了精滤更换费用；（2）由于过滤效果的叠加作用，整体过滤效果会优于最后一级精滤的过滤效果，由此带来机组热耗率退化下降，提高机组经济性；（3）预过滤器材料通常较为蓬松，具有一定的吸湿性，因此对于潮湿天气的适应性通常较强，提高了机组对极端潮湿天气的适应性。鉴于以上几方面，众多燃气发电企业对于进气系统粗滤的配置进行了相关探索。

文献［6］就苏里格9E燃气轮机发电厂预过滤改造的研究表明，在不增加过滤器级数，仅对精滤表面包裹一层防护套后，精滤的使用寿命由7.2个月增加到12.0个月，年节约成本44.2万元。文献［7］对北京京桥热电SGT5-4000F燃气轮机发电机组的双级过滤器进行了分析，针对当时北京雾霾较多的环境特点，将原M4级板框式预过滤器更换为M4级袋式过滤器。不考虑其他收益的情况下，每年仅发电收益就达到144.0万元。文献［8］就某电厂PG9351FA燃气轮机单级脉冲自清式动态过滤系统，在进气道框架及通流面积受到限制的情况下，在筒式过滤器前增加一级M5级玻纤袋式过滤器，实现整个压气机进气道简单分级过滤，从而提高过滤系统整体过滤效率，延长滤芯使用寿命，提高机组出力，预计年增发电量2 500 MW·h，收益增加约120.0万元。

以上案例表明，对燃气轮机过滤系统进行预过滤器等级提升或改造增加预过滤器，对于提升机组的经济性具有显著效果。本文对江苏华电戚墅堰发电有限公司（以下简称戚墅堰公司）1套M701F4燃气轮机预过滤器的改造进行分析，考虑其气价-电价条件，机组运行模式以及水洗策略等因素，论证了预过滤器改造的经济性。

1 过滤系统改造情况

戚墅堰公司位于江苏省常州市，地处长江以南中部地区，北部和南部分别为长江和太湖两大水域，属于北亚热带海洋性气候，年均降水量1071.5mm，通常每年6月中旬到7月中旬降雨较为集中。同时，该公司周边分布有钢铁公司、化工企业、车辆制造企业等重型工业企业。由于该地区空气粉尘颗粒和湿度均较大，燃气轮机初始配置的M4等级过滤器无论从容尘量还是对空气湿度的敏感性方面均不利于该公司长期运行。

戚墅堰公司M701F4燃气-蒸汽联合循环机组为单轴调峰机组，额定输出功率475MW，采用“昼启夜停”工作模式，在“迎峰度夏”阶段根据调度需要连续运行。由于总电量限制及电网“两个细则”考核需要，机组年均负荷393MW。该公司自2015年投产以来，在改造前，精滤使用寿命仅为2 300 AOH（actual operating hours，实际运行小时数）。该公司精滤采用EN779-2012［9］F9级自清洁式过滤器，预过滤器采用EN779-2012 G4级折叠式过滤器。该公司于2018年对机组所使用的过滤系统粗滤进行了升级改造，升级改造前后预过滤器配置见表1。

通常预过滤器在达到最终压差后，可通过清洗重复使用。从表1改造数据可以看出，尽管改造后预过滤器过滤精度有所提高，但由于过滤面积的增大，在同等流速的情况下，过滤器表面的流速变小，因此过滤器初始压差反而由80Pa降低为55Pa。同样，容尘量的提升，也降低了预过滤器的更换频率，单次使用寿命从1000 h提高到2500 h。

2 改造后对机组的影响

2.1 过滤器综合过滤效率提升

相关研究表明，过滤器每隔2～4挡设置一级过滤器，可以有效延长二级过滤器的使用寿命，对于多级串联过滤器，其最终过滤效率可表达［10］为

式中：Etotal为过滤器最终总过滤效率；n为过滤器级数；Ei为每一级过滤器过滤效率。

表1 进气系统预过滤器改造配置Tab.1 M odification content of pre-filter in intake system

对几种过滤等级的过滤效率进行了划分，其中G4等级人工尘平均计重效率Am≥95%，对0.4μm粒子的平均效率Em不做要求。M6等级要求60%≤Em＜80%，F9等级要求Em≥95%。为了便于整体效率的比较，通过插值及外推，G4，M6，F9的Em若分别为30.0%，70.0%和97.5%，则改造前后综合过滤效率分别为98.2%和99.2%。

在预过滤器为G4级的情况下，燃气轮机运行500 h后，压气机第1级存在明显污垢，在升级为M6后，压气机清洁程度得到明显改善。压气机效率变化趋势如图1所示。改造前后，每1 000 h的运行时间压气机效率分别下降3.4百分点和2.5百分点，由于该机组运行方式以调峰为主，能够及时进行水洗，因此压气机效率降低对机组安全性影响较小。但由于压气机效率的降低，导致机组热耗率升高，则是主要影响因素。图1显示，预过滤器在改造前，压气机效率随运行时间退化更为迅速，而且在超过500 h后，效率退化存在一个较为明显的加速过程。当前设备厂家对机组的水洗间隔建议为300～800 h视情水洗，在运行人员不能对压气机效率进行实时监控的情况下，增大了机组由于压气机叶片气流分离而引起的机组轴系振动增大，乃至喘振。

图1 压气机效率变化趋势Fig.1 Trends of gas turbine compressor efficiency

2.2 机组热耗率增长率降低

燃气-蒸汽联合循环机组由于压气机结垢而引起热耗率上升，主要是因为压气机效率降低引起压气机通流能力下降以及扰动损失增加导致的压气机排气温度升高。该影响在降低燃气轮机出力和效率的同时，由于排气温度的提升，一定程度上提高了下位电站的出力和效率。

整体来看，燃气轮机压气机结垢对联合循环机组出力影响较大，对热耗率影响较小。鉴于公司全年为定额电量，因此损失的联合循环出力可以忽略不计，影响电厂效益的因素主要是联合循环热耗率。图2数据显示，每次机组水洗结束后机组热耗率为6.580 MJ／（kW·h），累计运行500 h后，改造前后机组热耗分别为6.667MJ／（kW·h）和6.658MJ／（kW·h）。以机组年平均出力420MW，年利用4300 h，燃料低位热值（Low Heat Value，LHV）为33.57MJ／m3，燃料价格为2.731元／m3，同样的机组水洗频率估算，每年单套机组由于机组热耗率升高而引起的燃料费用差值约66.1万元。

图2 机组热耗率变化趋势Fig.2 Trends of gas turbine combined cycle heat rate

2.3 精滤使用寿命延长

改造后，由于预过滤器承担了更多的过滤作用，精滤的过滤压力得到一定程度的缓解，具体体现在以下2个方面：（1）改造后预过滤器不仅能够容纳更多的灰尘，同时随着过滤精度的提高，进入精滤的大颗粒灰尘量大量减少；（2）M6级过滤器相对G4级过滤器，对于水汽、油雾有更好的过滤效果，能够有效减少水汽和油雾进入精滤，对于防止灰尘在精滤上形成板结具有明显作用。图3显示，对于同样的精滤装置，仅通过对预过滤器进行改造，精滤的有效使用寿命便由改造前的不足2 500 h提高到接近6000 h。改造前，电厂每年年中需要对精滤进行1次更换，而改造后，1套精滤装置可以满足全年的运行要求。该项每年节省成本60万～80万元。

2.4 精滤抗湿性能提升

精滤作为燃气轮机进气系统中最核心的组件，是整个进气系统中造价最昂贵的组件之一。预过滤器对精滤的保护，一方面来自对大颗粒灰尘的滤除，另一方面来自对空气中水分的包容。水分是造成过滤器压差短时间急剧加大的重要原因，在滤芯恢复干燥的情况下，压差逐步恢复到正常水平。改造后，由于预过滤器承担了更多的过滤作用，精滤的过滤压力得到一定程度的缓解。这种缓解主要来自2方面：（1）预过滤器较改造前能够容纳更多的灰尘，最终进入精滤的灰尘量，尤其大颗粒灰尘量大幅减少；（2）由于预过滤器对水汽的容纳程度更高，因此水分进入精滤的速率将会有所降低。而实际的测试数据也显示，在有较高过滤等级的预过滤器的情况下，精滤最终能够达到的稳定压差会有所降低。

图3 精滤使用寿命对比Fig.3 Comparison of service life of fine filters

从图4可以看出，进行预过滤器改造后，对于同样的阴雨天气，改造前精滤压差在100min左右到达最高值约460 Pa，超过了精滤的压差报警值450Pa。而改造后，精滤压差在140min左右达到最高值约430Pa，且不会继续上升。从滤芯潮湿后恢复性能上看，由于预过滤器容纳了较多的水分，因此在外界雨雾消除后，预过滤器容纳的水分会不断进入精滤，因此精滤的压差恢复过程较长。但整体上看，由于预过滤器的容水特性较好，因此保障精滤压差不至于过高，有效提升机组的可靠性，在长江三角洲地区多雨潮湿的区域，这一特性能够保障机组稳定度过“迎峰度假”期以及达到稳定供热的目的。

图4 过滤器抗湿性能Fig.4 Com parison ofmoisture resistance of filters

3 预过滤器改造后的经济效益

对于进气系统不同配置的综合成本，可采用过滤器全寿命周期成本（LCC）分析方法，对设备的购置成本，包括初始采购成本、运维成本（运行维护成本、能耗成本、停机损失成本、性能老化损失成本）和废弃成本进行综合测算与比较，考虑价格变化因素后分别折算成净现值（NPV），各净现值相加得到进气系统的总净现值NPVtotal，该值最低者为最优方案［11-17］。

式中：C为年运维成本；i为折现率；e为价格增长率；N为运营的年数；Cb为购置成本；Cd为废弃成本；NPVn为第n年运维成本的净现值。

本文仅从静态投资角度分析，改造前后每年的各项主要成本及经济效益见表2，表中乘号后为次数。

表2 预过滤器改造前后效益分析Tab.2 Benefit analysis of pre-filter reconstruction unit 万元

总体来讲，预过滤器经过改造后，每套联合循环机组年节约各项成本及费用总计58.3万元。

4 结束语

本文对1台M701F4燃气轮机进气过滤系统预过滤器进行了技术改造，增加预过滤器面积，提高预过滤器过滤等级从G4到M6级，同时采用容水性更强的材料。效果显示，改造后燃气轮机压气机效率每1000 h运行时间内降低减缓1.0～1.5百分点，联合循环热耗率每500 h的运行时间降低9 kJ／（kW·h），精滤使用寿命从2 400～2 500 h提高到接近6000 h，同时精滤在极端雨雾天气条件下的最高压差下降30～50Pa。经济效益方面，预过滤器的升级改造，每年节约燃料费用约66.1万元，运行维护费用约58.3万元。总体上，通过提升预过滤器过滤等级，不仅提高了运行可靠性，还给发电企业带来了可观经济效益。