驻极体空气过滤器用于燃气轮机末滤的效率特性

邱玮坤, 杨晓光

(1.江苏国信淮安第二燃气发电有限责任公司, 江苏 淮安 223001； 2.九江七所精密机电科技有限公司, 江西 九江 332007)

引言

燃气轮机发电机组进气系统通过配置空气过滤器过滤掉空气中的灰尘等颗粒物，使洁净空气从进气系统进入燃气轮机，保证燃气轮机机组安全、经济的运行[1]。由于工作温度的提高和耐受能力的下降，现代燃气轮机对颗粒物越来越敏感，进而促进了配套空气过滤器技术的进步，文献[2-4]分析了空气过滤器对燃气轮机性能和经济性的影响，对本领域技术发展起到了良好的促进作用。

近年来，通过人工充电与极化电荷[5]使滤材增加静电机理、提升过滤效率的驻极体材料因良好的高效低阻特性应用日趋广泛，并逐步应用在燃气轮机进气过滤器中。然而， 应引起注意的是，尽管拥有低阻、杀菌等优点，但驻极体过滤器的过滤效率和可靠性很大程度上依赖于滤料上静电荷的稳定性，文献[6-8]对驻极体过滤器电荷稳定性进行了研究，但是目前对驻极体空气过滤器配套在燃气轮机上的应用研究还属空白。

目前主流F级重型燃汽轮机较多采用按照EN 779—2012[9]标准分级的空气过滤器，大多配置2级或3级过滤，末级过滤器效率等级F9(初始效率70%，平均效率95%)。以某2X475MW燃气轮机进气系统为例，进气系统配置2级过滤，前级过滤器效率等级为M6，末级过滤器效率等级为F9，每级过滤器间设有压差检测及报警系统，布置形式如图1所示。

图1 配套2级空气过滤器的燃气轮机进气系统

某批次燃气轮机出现效率曲线快速下降，压气机叶片水洗频次增加的异常情况，符合进气清洁度不足的典型特征。该异常的出现，不仅影响了燃气轮机使用的经济性，而且可能造成叶片的永久性损伤，因此有必要针对上述问题开展研究，探讨燃气轮机配套驻极体空气过滤器在长期使用中的失效规律，为驻极体过滤器选型及使用提供参考。

1 问题分析及试验设计

燃气轮机效率曲线下降后通过压气机叶片水洗可恢复，可认为有污染物尘埃透过末级过滤器随空气进入了下游，并附着在压气机叶片上，出现该问题的原因有3种：

(2) 制作工艺不当，导致过滤器滤褶褶尖断裂；

(3) 滤材自身过滤特性发生变化，导致过滤效率不足。

通过透光法仔细检查每一只滤芯的安装情况后，排除了第1种可能性，因此，着重针对第2，3种可能性开展研究。由于燃气轮机进气过滤器缺乏专用的测试方法和标准，国内外主机和进气设备制造商默认参考一般通风过滤器相关测试标准[9]。因此，本研究基于EN 779—2012标准设计试验如下：

(1) 褶尖检漏试验，随机抽取长期使用后的过滤器，剪下滤饼，在褶尖上随机抽取5个点，检查是否存在局部纤维折断现象，若存在整体折断或完全无折断迹象，则停止试验，若存在局部纤维折断现象，则扩大检测范围，另外抽取5只过滤器检查；

(2) 初始效率、阻力试验，依照EN 779—2012标准计数法对新过滤器进行初始效率、阻力试验；

(3) 消静电后效率、阻力试验，采用异丙醇熏蒸法，消除静电后再次检测初始效率，并与初始效率、阻力试验的结果进行对比，确认静电对驻极体材料效率性能的影响；

(4) 长期储存后效率、阻力试验，依照EN 779—2012标准，对储存时间超过5000 h的滤芯进行初始效率试验，并与初始效率、阻力试验的结果进行对比，分析驻极体过滤器储电稳定性；

(5) 连续在线使用后效率、阻力试验，对于在线使用的过滤器，每隔约1000～2000 h随机抽取1只进行效率和阻力试验，共计抽取5次(若前4次结果稳定，则第5次间隔增大到5000 h)，与初始效率、阻力试验的结果进行对比，确认驻极体过滤器在长期使用中的实际表现。

《会稽志》王右军宅记：“旧经云：‘羲之别业有养鹅池、洗砚池、题扇桥存焉。’……既谓之别业，则疑宅不在是，或云嵊县金庭观，乃右军旧宅，尝舍读书楼为观，在县东南七十二里孝嘉乡。”[2]1951

2 研究对象及试验装置

2.1 试验对象

本研究采用随机抽取某批次在用驻极体空气过滤器进行测试，该过滤器采用锥直筒组合的安装方式，滤材打褶后围成圆筒增加了过滤面积，滤材的展开面积约40 m2,如图2所示。

图2 安装在燃气轮机进气系统中的驻极体空气过滤器

2.2 试验装置及参数

根据需要，选用EN3600试验台、ISO16890 XDG01型异丙醇消静电柜和Phenom ProX型电镜等设备进行测试。其中EN3600试验台主要由送风机箱、喷嘴组、DESH发生器、上游粒子计数器、下游粒子计数器、待测过滤器安装段、压差检测装置、下游粒子计数器和排风机箱等构造组成，如图3所示。

图3 EN3600试验台

试验参数如下： 试验风量为2500 m3/h；试验尘为ASHRAE粉尘；试验气溶胶为DESH气溶胶；消静电剂为异丙醇；粒子计数采样时间30 s。

3 试验结果及讨论

3.1 褶尖检漏试验

随机抽取样品，利用Phenom ProX电镜完成褶尖检漏试验后，发现各检测点过滤器滤纸纤维完好，无任何滤材断裂或纤维折断的痕迹，滤纸纤维上均匀附着大气尘，说明滤材打褶工艺良好，可排除制作工艺不当导致过滤器褶尖承压后断裂的可能性。图4为从驻极体过滤器上剪下的滤材，图5为2000倍放大后的滤材褶尖。

图4 从驻极体过滤器上剪下的滤材

图5 2000倍放大后的滤材褶尖

3.2 初始、消静电后以及长期储存后的效率、阻力试验

利用EN3600试验台分别对全新过滤器的消静电和长期储存后(实际储存5040 h，储存环境干燥、避光)进行初始效率试验，试验数据如表1所示。

表1 初始、消静电后以及长期储存后的效率、阻力

通过数据可以发现：消静电前，该滤芯效率为76.2%，达到F9效率等级；消静电后，过滤效率大幅下降；长期储存后，过滤效率也有大幅下降；阻力变化可以忽略不计。

对空气过滤器而言，其捕捉粉尘的过程机理是拦截、惯性、扩散、筛和静电效应等一系列机械物理效应的综合作用；同时随着容尘过程，滤筒吸附的灰尘成为过滤材料的一部分，起到了提升过滤效率的作用[10]。消静电试验结果说明，带静电的过滤器初始高效率依赖其自身较强的静电效应捕集机理，异丙醇熏蒸后，滤材静电效应大幅消除，驻极体过滤器效率随之大幅下降。

进一步长期存储后的过滤器试验表明，即使不采用异丙醇熏蒸，通过长期的存储或使用，静电效应也是逐步下降的，表明驻极体过滤器的静电电荷随时间逐步逸失，过滤器滤除空气中污染物的能力大幅下降，实际应用中这是极其不利的一种特性。

3.3 连续在线使用后效率、阻力试验

为进一步验证驻极体过滤器长期使用后的效率表现，对于在线使用的过滤器，每隔约1000～2000 h的使用时间随机抽取1只进行效率和阻力试验，共计抽取5次，因前4次结果较稳定，则第5次间隔增大到约5000 h，使用时间分别为965， 2152， 2700， 5070， 10000 h，再结合之前的2次初始试验，测试次数N共计7次，绘制效率η曲线见图6，阻力f曲线见图7。

图6 长期效率曲线

图7 长期阻力曲线

从效率曲线看，在长期使用过程中的过滤器效率一直维持较低的水平，距离F9效率等级95%的平均效率要求差距较大；同时，使用3000 h后，过滤效率与容尘过程出现背离(容尘过程中效率会同步提升)，说明过滤器的静电效应一直处于下降过程。

从阻力曲线看，阻力虽然有缓慢提升，但总体处于较低水平，结合图5，说明经多级过滤的前级过滤后，附着在末级过滤器上的均为微小尘粒，质量和体积的累积极其缓慢，无法起到增强过滤性能的作用，这也是影响效率一直维持较低水平的重要因素之一。

4 结论

(1) 长期储存和使用后，驻极体过滤器的静电效应严重下降，过滤器的过滤特性逐步丧失，因此，燃气轮机的末级过滤器及其他类似场合的过滤器应谨慎选用驻极体空气过滤器，尤其是经过长期储存的驻极体空气过滤器；

(2) 异丙醇消静电试验可以消除过滤器的静电效应，是识别驻极体过滤器的有效手段；

(3) 驻极体过滤器使用场合应进一步规范，具体配置场合对能否充分发挥驻极体过滤器作用有着相当重要的作用，研究成果可为相关从业人员的设计、选型和科研提供参考。