PG6111FA型燃气轮机进气系统运行优化措施研究

2021-12-14陆子龙

热力透平 2021年4期

陆子龙，李青

(江苏国信高邮热电有限责任公司，扬州 225600)

江苏国信高邮热电有限责任公司(以下简称国信高邮)2×100 MW燃气轮机热电联产工程配置的燃气轮机为美国通用(GE)公司的PG6111FA机型。燃气轮机进气系统由南京汽轮机厂设计，由上海华强新能源技术有限公司生产。

进气系统主要作用是将空气中大量的杂质、灰尘、颗粒等悬浮物去除，同时去除空气中大部分的水分，防止这些物质进入到压气机，影响机组运行。

进气系统的运行维护是否到位直接决定了燃气-蒸汽联合循环机组的安全稳定运行。若运行维护不到位，可造成以下后果：叶片和气流通道积灰，导致运行效率降低，喘振曲线漂移；进口可调导叶(Inlet Guiding Vane，IGV)及燃气轮机叶片的磨损；腐蚀性粉尘造成的叶片的永久性破坏。因此，燃气轮机进气系统维护是否到位直接决定了机组的经济性及安全性[1]。本文从进气系统概况、滤芯选型及优化措施等方面介绍国信高邮公司对于燃气轮机进气系统安全性提升所做的工作，为同类型机组的进气系统的优化运行提供一定的参考。

1 PG6111FA机型进气系统概况

国信高邮机组进气系统采用单面进风，按照空气流动方向，各个基本部件的顺序为：防雨罩、防鸟网、折板除雾、布袋式粗过滤、脉冲过滤、净气室、膨胀节、水平管道、消音弯头、过渡管道、膨胀节、垂直管道、膨胀节、进气端。另外，自动清灰灰斗装于反吹模块底部。详细结构如图1所示。

图1 进气系统布置图

空气从防雨罩进入，用不锈钢钢丝网制作的防鸟网置于进气系统最前端，防止飞鸟的进入，在防鸟网后设置有折板除雾器。空气在折板除雾器中流动发生转向时，较大的尘埃颗粒和雾粒因惯性作用撞击在折板上，这样可以有效地去除15 μm以上的颗粒杂质。后面的框式初过滤模块对空气进行初级过滤，达到M5等级，并同时起到除湿效果。之后，空气进入脉冲过滤器，在脉冲过滤器的两侧设置有压差测量装置，脉冲过滤器在积累了一定的灰尘，压差达到设定值后，可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)自动打开相关电磁脉冲阀，压缩空气气流经专用喷管整流喷出，从滤筒内部向外反吹，将集聚在滤筒外表面的灰尘吹落，从而完成自洁过程。至此，空气的净化阶段完成，洁净的空气流入净气室。在净气室之后，洁净空气流经消声弯头、过渡管道、膨胀节、进气端，最后进入燃气轮机的压气机入口。

影响进气系统空气清洁度的主要设备为布袋式过滤器和动态脉冲过滤器，这两套设备运行的状态直接决定了进入燃气轮机空气的质量。其中，EN779:2012《一般通风用空气过滤器过滤性能检测》规范是行业内定义过滤器过滤等级最常用的标准，它对过滤器过滤效率详细的定义范围如图2所示。

图2 过滤器效率规格比较

1.1 布袋式过滤器

国信高邮机组布袋式过滤器采用铝合金外框的玻璃纤维过滤器，尺寸为518 mm×504 mm×650 mm(长×高×深)。作为精滤的前置过滤，具有阻燃、阻力低、容尘量大等特点，能有效过滤1μm及以上粒径的微粒。滤料选用进口玻璃纤维，能截留部分水汽，达到理想的预过滤效果。过滤等级达到M5标准(按照EN779：2012标准)。布袋式滤芯外形如图3所示。

图3 布袋式滤芯外形图

由图3可见，滤袋内部呈“V”型结构，能保证气流均匀稳定地通过，不会产生紊流现象，在机组运行过程中，滤袋与滤袋不会相互贴合。V型通道能够保证滤袋与滤袋之间的接触最少，保证气流的均匀性，使滤料利用最大化，同时确保了整个寿命周期最小的运行阻力。

1.2 脉冲过滤器

国信高邮机组动态脉冲过滤器选用反吹式脉冲过滤器，过滤等级达到F9标准(按照EN779：2012标准)。对于进气系统，去除粒径大于 5 μm微粒可以避免燃气轮机叶片受侵蚀，去除粒径小于 2 μm微粒可以避免叶片结垢。1～2 μm的颗粒物对叶片的影响尤其大。细小粉尘颗粒(粒径小于2 μm)、盐类物质以及空气中具有黏性的碳氢化合物烃类物质进入燃气轮机内部后附着在压气机和透平叶片表面，改变了叶片形状，降低了叶片表面的转动平滑度，会导致机组效率下降。特别是对于连续运行的机组，压气机结垢是常见的问题之一。

目前现场检修时叶片状态显示积垢现象较为严重，成分多为油烃类物质及氯离子。与此同时，当压气机和高温段金属部件表面存在盐、烃类等物质时，其与来自燃料的硫元素会加速发生电化学反应，在高温条件下，燃气轮机内部金属部件会发生腐蚀，且此类损伤不可修复。日积月累，燃气轮机的运维费用会大幅增加，极端情况下，甚至会发生叶片断裂等生产事故。

2 进气系统运行影响因素

进气系统是燃气轮机的第一道保障，其运行工况直接决定了燃气轮机的安全性和经济性，主要影响因素有设计选型、设备选型、运行维护等方面，下面从这3个方面介绍进气系统对PG6111FA型燃气轮机的影响。

2.1 进气系统的设计

进气系统的设计主要考虑以下几个方面：进气差压和流量，便于计算压气机性能；提高进气过滤等级，以保护压气机，防止有异物进入，等[2]。

在进气差压和流量方面，关键是精滤的数量设计，国信高邮公司将PG6111FA型燃气轮机进气系统精滤设为272组，每组精滤流量为2 247 m3/h，折合每个滤筒流量为1 123.522 47 m3/h，通过增加精滤数量减小运行初始阻力。

在进气滤芯精度方面，根据EN779：2012标准，影响空气过滤等级的主要因素是对颗粒及水分的过滤等级。国信高邮公司粗滤选择EN779：2012的M5标准，精滤选用F9标准，最终使空气中0.4 μm的灰尘去除率达到了98.4%，1.00～2.00 μm灰尘去除率达到99.5%。

2.2 进口脉冲过滤器选型对比

国信高邮机组自投产至今分别使用过A、B两款动态脉冲过滤器，从现场滤芯批量供货中抽取全新的样品交由权威第三方实验室，按照EN779：2012标准进行完整的效率分级测试，详细数据如表1所示。

表1 动态脉冲过滤器对比表

由表1可见，产品B的效率高于产品A，且在初始阻力及使用时间方面，产品B均优于产品A。以上可以从以下几个方面分析得出：

1)折纸技术。产品B采用非连续喷胶折纸技术，滤褶间距更大，折形为长“V”形结构，气流通过时更加均匀，这可以有效降低阻力，同时保障气流均匀流通。在相同的风量下，其阻力低于市面常见滤筒的初始阻力。极佳的滤折开度也能保证反吹时灰尘更易被吹出。脉冲过滤器对比如图4所示。由图4可见，产品A使用连续喷胶折纸技术，滤褶固定过于紧密，大部分滤材不能过滤空气，这导致在相同尺寸下滤芯的实际过滤面积偏小，无法形成良好的气流环境。

(a) 非连续喷胶技术

(b) 连续喷胶技术

2)滤材选择。A款产品滤材为3层合成玻纤无纺滤材，B款产品为全合成纤维材料滤材。全合成纤维滤材在一般的过滤环境下可全面替代无纺布及玻璃纤维，覆盖粗、中、高效(G3-H13)全系列过滤产品，是过滤材料的主要发展方向。和其他同级别的滤材相比，具有阻力小、质量轻、容量大、环保等优点。

2.3 进气系统停机维护的影响

在机组停运状态下，需对燃气轮机进气系统进行维护。检查及维护如果不到位，可能会造成燃气轮机效率下降，甚至影响进气安全。进气系统的检查和维护主要有以下几个方面：

1)透光检查。停机后，需要对进气系统各层精滤和进气室连接处等进行透光检查。由于长期重力影响，国信高邮机组出现过精滤顶层密封条不严的情况，需重新调整；精滤层后的进气室密封条由于长期老化，透光不合格，需要进行重新处理，以防止异物进入压气机中。

2)异物检查。异物是影响燃气轮机安全稳定运行的直接因素，若有螺丝等异物脱落，会造成压气机、透平叶片损坏，造成重大财产损失。曾有电厂进气通道内水洗喷头在运行中脱落，造成压气机及透平叶片全部报废的重大事故。国信高邮公司也曾发现精滤托架螺丝脱落的情况，幸好被支撑架遮挡，未造成直接损失。

3)系统清理。对进气系统进行清理，是确保开机后压气机效率达到预期值的重要手段之一。第一，每次停机检查粗滤、精滤，会发现积油，判断其原因为油箱排烟风机的油气被反吸至进气道，需对精滤表面及地面进行清理；第二，停机后会进行反吹，但反吹后析出的灰尘会附着在精滤表面，特别是下层滤芯表面，导致滤芯表面灰尘不断积聚，滤芯堵塞压差增大，因此每次停机后应当用吸尘器将精滤表面的灰尘彻底清理，确保精滤清洁度；第三，由于油气的影响，灰尘会随油气积聚在IGV表面，停机后应对IGV进行水洗，同时人工清理IGV表面，尽量确保叶片的清洁度。

3 进气系统运行优化措施

燃气轮机进气系统是一套相对成熟的设计。但国信高邮机组进气系统在4年的运行过程中，也出现了不同类型的问题。公司从运行维护及设计角度进行了部分优化工作，以确保系统的相对安全稳定性。

3.1 柳絮、雾霾天气优化措施

受环境因素的影响，江苏地区在每年春季会进入柳絮季节，冬季进入雾霾季节。大量柳絮、雾霾吸入布袋式滤芯，会导致粗滤压差迅速上升。在机组投产初期，出现过粗滤阻力在雾霾季节升至1 100 Pa、在柳絮季节升至830 Pa的极端情况，影响了机组的安全经济运行。

应对极端天气，主要从预判及过程处理两方面制定措施，确保机组顺利度过极端天气[3]。第一，在每年4月底、11月底进行进气系统粗滤的更换，确保布袋式滤芯的最大容尘量，同时对布袋式滤芯进行扩容，将袋长从550 mm增加至650 mm，将袋数从5个增加至7个，从而增加粗滤的过滤面积，提高过滤器的使用寿命。第二，制定燃气轮机进气道粗滤在线更换方案，当极端天气下粗滤阻力迅速上升至250 Pa时，将燃气轮机负荷降低至40 MW，对布袋式滤芯进行在线更换。

3.2 提高进气系统测点稳定性改造

燃气轮机进气系统设计2级过滤器，用于过滤空气中的杂质，以防止压气机叶片脏污。当初级过滤器及精滤出现堵塞情况时，压气机运行功耗将增加，压气机进气流量不足，严重影响燃气轮机运行稳定性。为此设计了3个测点用于监视进气滤网总压差，分别为96CS-3压差变送器，63CS-2A、63CS-2B压差开关，详细测点布置如图5所示。其中，2个压差开关布置在室外就地控制箱内。

图5 燃气轮机进气滤网压差测点位置示意

燃气轮机进气滤网压差开关63CS-2A、63CS-2B为进气滤网总压差测量开关，此压差开关因设备选型原因，已出现锈蚀情况，开关取压点为压气机进口及大气，压力开关存放在进气滤网就地控制箱内，仪表取压点至进气滤网就地控制箱取样管约40 m，中间活接头多，加上部分管线室外布置，已有锈蚀情况，仪表管随时都有漏气风险，影响进气滤网压差开关准确测量。进气压差保护设置为63CS-2A、63CS-2B、96CS-3三取二跳闸，若压差开关63CS-2A、63CS-2B误动，则会触发MARK 6E停机保护动作，存在极大的安全隐患。逻辑设计如图6所示。l63tf2ahh为63CS-2A高高，63tf2bhh为63CS-2高高。

图6 进气差压跳闸保护设计

综合上述改造原因，将63CS-2A、63CS-2B进行换型，并将换型后的压差开关进行移位，达到缩短取样管路目的。新设计的压差开关保护箱放置于室内燃气轮机房西侧0 m地面，从燃气轮机控制小室转接间放置2根计算机控制电缆至压差开关保护箱处，用于2个压差开关接线。压差开关控制系统端接线接入开关量卡件1E4A，选取TB1常闭触点21、22作为63CS-2A节点接线，选取1L1A 27 28作为63CS-2B接线，控制系统接线图如图7所示。

图7 控制系统接线图

3.3 延长进气系统滤芯寿命

燃气轮机进气系统采用粗滤加精滤的配置方式，延长滤芯使用寿命的关键在于减小粗滤、精滤的运行阻力，这从安全性和经济性方面提升了机组的运行能力。

对于粗滤，为确保机组顺利度过柳絮、雾霾季节，每年4月底、11月底进行进气系统粗滤的更换。在剩余时间段，利用调停机会，每间隔2个月利用停机时间对布袋式过滤器内部杂质进行清理，确保最大容尘量，以减小粗滤的进气阻力，从而提升压气机效率。

对于精滤，PG6111FA型燃气轮机每套配置272组脉冲式过滤器，成本在45万元左右。因此提高精滤的使用寿命对经济性有较大影响。

3.3.1 进气系统反吹优化

脉冲反吹系统以一套外置空压机为气源，用反向脉冲空气去除表面吸附的灰尘，压力设置为0.75 MPa。该装置运行通过PLC控制，一个自动反吹周期为30 min。现场根据压差设定轮流反吹过滤器模块，以减少过滤器阻力。

正常设计中，反吹造成瞬时反向气流，脉冲气流导致的滤筒反向阻力是正常正向阻力的1.2～1.5倍。反吹空气可将滤筒上部的灰尘吹松脱，但反吹过后灰尘仍然回到原位或往下层滤芯坠落。横向滤筒的反吹效果示意如图8所示。

图8 横向滤筒的反吹效果示意图

由于滤芯卧式安装，上部滤芯反吹的灰尘会往下层落或停留在精滤表面，为防止灰尘的二次污染，每次反吹后会用吸尘器将每层精滤表面灰尘再进行清理。相比于原反吹系统，优化方案能确保脉冲反吹系统脱落的灰尘最大程度地被清理干净，以减小运行时脉冲过滤器的阻力。

3.3.2 滤芯选型抗湿性要求

国信高邮公司周边环境常年湿度较大，全年平均湿度在70%左右。在初夏梅雨季节和秋冬大雾天气，环境湿度大于95%，且持续时间较长，滤芯及滤芯表面灰尘受潮后会积聚在滤芯内，导致精滤压差急剧上升，压气机效率大幅下降。根据EN779：2012 F9，对抗湿型滤芯要求为喷雾量10 kg/h，喷雾时间120 min，喷雾后效率不低于初始效率(0.4 μm)。这要求滤材具有较强的抗湿性。

由材料学可知，当水与固体的接触角大于90°的时候，这种材料具有良好的疏水性。在滤材的选型上，滤材采用独有的三层结构，中间为经过特殊处理的玻璃纤维，上下2层为100%合成纤维。这样不但可以保证滤芯的强度及过滤效率，而且有良好的抗湿性。滤材吸水性图如图9所示，由图9可见，水在该滤材上呈现出完整的球状，经过滤材时便于疏水。