海洋石油平台燃气透平进气系统优化改造

姚仲坤，安 超，刘振青

（中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司 天津 300459）

0 引 言

近年来，随着海上油田的不断开发和新平台的陆续投入使用，用电量持续增大。渤海地区中心平台 2 台 GE PGT25＋SAC 航改型高效透平高负荷、长时间运转。该透平机组进气滤器初始设计为 2 级非标准定制滤器，一级除尘、二级除盐和除水，而渤海地区夏季温度平均23.9 ℃，相对湿度100%，大气压力1.010 8 bar，海洋特殊的工作环境导致二级滤器不能很好地降低进气的水分和盐度，进而导致透平机组效率无法达到设定效果，更换滤器、维修维保频次增加。

本文以提高透平机组滤器使用效率为研究对象，查阅燃气轮机滤器相关标准［1］，结合各类滤器除盐、除水相关技术特点，通过对比标准化透平机组进气滤器，提出从本质上提高透平机组可靠性、稳定性，以及减少机组大修成本、延长机组使用寿命的策略。

1 PGT25＋SAC 燃气透平滤器技术要求与运行状态分析

该设施2台透平型号GE PGT25＋SAC，是由GE飞机发动机集团制造的LM 2500＋燃气发生器与GE石油天然气集团制造的高速动力透平匹配组成，如图1所示。该透平机组对于空气质量要求很高，相关技术参数见表1。

表1 透平参数Tab.1 Turbine parameters

图1 燃气轮机的进气系统改造之前的结构Fig.1 Structure of gas turbine intake system before transformation

燃气轮机的进气系统改造之前的结构主要包括防雨罩、滤器前折流板、一级进气滤器（M6）、二级进气滤器（F9）、滤器后折流板、消音器、排水箱和进气除冰系统。

原装聚结式玻璃纤维盒式滤器过滤等级为：第一级粗过滤，过滤效率达 EN779 G3/G4；第二级精过滤则需达到 EN779 F7/F8。但是在高盐和高含水海洋环境中无法满足机组进气清洁度要求，从而缩短透平使用寿命，致使机组内部腐蚀，大修成本增加,见表2。

表2 进气质量要求Tab.2 Quality requirement of air intake

结合2015—2018年该平台维修人员更换滤器次数、更换滤器数目和洗车次数分析发现，2015年以来更换滤器次数和更换数目总体呈上升趋势，直接导致洗车频次增加，影响透平在线时率。从透平原进气系统的使用情况出发，结合发动机的运行状态，分析原装滤器存在以下几点问题：

①进气系统除水效果较差，发动机进气含水量高，透平发动机叶片剥蚀严重［2］；

②过滤器总体过滤精度较低，叶片脏得快，影响透平发动机的效率，从而需要频繁地进行离线洗车；

③非标准尺寸需要定制且过滤器费用高，过滤器采购周期较长；

④更换滤器过于频繁，更换过滤器的步骤较为复杂，所需维修的工时较长。

2 滤器升级换型方案选择

2.1 总体方案

针对燃气轮机进气系统的常规设计方法，结合科德宝过滤技术集团公司的产品，提出了2种解决方案进行分析、比较、选择，见表3［3］。

表3 方案1、2对比Tab.3 Comparison of schemes 1 and 2

通过以上对比分析，最终确定采用方案2作为本次改造的实施方案。

2.2 滤器升级换型方案

为了将两级过滤改为三级过滤，通过查找国内有资质的燃气轮机进气滤器制造厂家，发现科德宝（苏州）分公司生产此类标准滤器，分别是HydroMAXX系列、HydroPack 系列、Maxipleat Cassette 系列、eMaxx系列滤器。

通过查找透平进气系统过滤器产品说明，并结合透平发动机进气系统全面检查，对透平进气质量综合分析：原进气系统一级过滤器为过滤精度等级 M6的袋式过滤器，二级过滤器为过滤精度等级F9 的盒式过滤器，其终止过滤精度只达到中等过滤精度。利用当前工业上成熟的燃气轮机空气过滤器产品，采用技术革新手段可以实现去除透平发动机进气水分的目标，并可实现透平发动机进气过滤器精度提高到E11的目标。

根据主体的三级过滤方案，并结合标准的空气过滤器尺寸对三级过滤器重新选型。进气标框重新设计，以满足过滤器的安装和透平发动机进气系统的使用。

2.3 滤器的重新选型

科德宝过滤技术公司的过滤器产品共有2 种用于除水的凝聚型过滤器可用作一级滤器，一种是HydroMaxx 袋式过滤器，一种是HydroPack 盒式过滤器。通过对比2种过滤器的关键参数，HydroMaxx袋式过滤器的初始压降更小，容尘量更大，针对 PM10颗粒物的过滤效率更高，见图2、3，表4。

图2 HydroMaxx袋式滤器Fig.2 Hydromaxx bag filter

图3 HydroMaxx盒式滤器Fig.3 Hydromaxx cassette filter

表4 2种凝聚型过滤器关键参数对比Tab.4 Comparison of two condensing filters

综合以上参数比较，选择 HydroMaxx 过滤器作为一级过滤器。

二级滤器可选择该公司 MX95 中等过滤精度的盒式过滤器。MX95 的初始压降适中，容尘量适中，过滤级别适中，且针对PM1颗粒物的效率可以达到65%。考虑还有三级高效率过滤器，二级过滤器的过滤精度并不需要过高，MX95 过滤器完全可以满足要求，见表5。

表5 Maxipleat Cassette系列过滤器关键参数对比Tab.5 Comparison of Maxipleat Cassette series filters

第三级滤器则选用该公司 eMaxx-E11 亚高效过滤精度的盒式过滤器。此产品初始压降适中，容尘量适中，过滤级别适中，过滤器拦截颗粒尺寸达到0.5μm，MPPS效率可以达到95%，针对PM1颗粒物的效率大于96%，见表6。且 eMaxx 盒式过滤器采用经拒水处理的高强度超细玻纤滤料，过滤器整体不含任何金属部件，采用不含卤素的塑料外框及防护网，耐腐蚀。eMaxx 盒式过滤器拥有优化的 3D 褶纸结构，保证过滤面积得以完全利用，捕集的灰尘在滤纸内均匀分布。该过滤器的厚度达到420 mm，容尘量大，使用寿命长。结构稳定的褶纸与防变形的塑料框注塑一体成型，保证了超高的抗破裂强度和安全性，防止了灰尘颗粒泄漏。可通过连接头和预留在前置面板的孔位增加一级过滤器，而产品外观无需做任何改变。

表6 eMaxx系列过滤器关键参数对比Tab.6 Comparison of EMaxx series filters

综合考虑进气系统总体过滤器压降情况，结合3家过滤器的关键参数，最终确定滤器选型，选择HydroMaxx袋式过滤器为一级滤器，MX95为二级滤器，eMaxx-E11作为三级过滤器。

3 标准框架设计

根据现场实际情况和滤器选型结果，一级和二级滤器扣合安装，三级滤器独立安装，结合原有框架外形尺寸大小、内部空间和滤器安装方式，总结出2种设计方案，见表7。方案1：根据原有框架，保留风雨防护罩、一级滤器前部百叶窗的结构设计，三级滤器分别安装，需要分别设计内部独立固定框架。方案2：根据原有框架设计理念，保留风雨防护罩、一级滤器前部百叶窗的结构设计，一级和二级滤器扣合在一起安装，三级滤器单独安装，故需将内部框架设计两部分单独框架安装滤器。

表7 方案对比Tab.7 Scheme comparison

经过现场调查测量尺寸，如果按照第1种方案设计框架，内部将无空间更换滤器且维保困难，因而选择第2种方案，见图4。

图4 滤器框架设计方案Fig.4 Filter frame design scheme

4 结 论

杂质和水迹、盐渍残留，可以证明经过改良后的空气滤器水分和盐分得到有效过滤；对比升级前滤器后端检查到水迹盐渍，情况得到了很大改善。对滤器本体进行检查，发现滤器状态良好，滤芯无水迹、盐渍残留，而升级之前滤器滤芯中会残留部分水、盐，可以证明升级后滤器对水分、盐分过滤效果好，对过滤的水分排放效果明显优于原滤器。

在升级完成2 个月后，通过内窥镜对压气机定子、转子叶片状态进行检查，发现进气滤器升级以后，附着在压气机叶片表面的杂质明显减少，叶片尤其是15、16 级叶片的腐蚀速率明显降低；同时，洗车时压气机排放出的洗车水较滤器升级之前浑浊程度降低，洗车排放水清亮干净，需要的水量降低，可以佐证压气机内部脏污程度得到很大改善。

滤器升级后，优化了滤器搭配，结合使用情况及厂家要求，一般每1.5年半更换一次，比原滤器更换周期延长6 个月；同时，使用标准滤器后，整套滤器更换成本比原来非标准定制滤器节省65 520 元；结合更换周期和单次更换成本，考虑滤器价格和人工费用，预计平均每年共节省费用10.5 万元。