SGT-700燃机进气系统运维分析

2024-05-10汪重阳赵占伟杜威魏继光

河南科技 2024年5期

汪重阳赵占伟杜威魏继光

摘要：【目的】为提高燃气轮机的工作性能和可靠性，保证燃机进口空气的质量和纯度，因此，需要对燃机进气系统加以研究。【方法】以西门子SGT-700燃气轮机为例，对燃机进气系统进行简要介绍，并对可能发生的一些故障进行剖析，提出燃机进气系统的操作和检修方法。【结果】分析结果表明，采用脉冲反吹方法对燃机进气系统进行吹扫，可以提高整体的过滤效率，确保高效过滤器的使用寿命，并有效防止进气系统结冰。【结论】燃机进气系统需要寻求与之相匹配的运行与控制方法，以确保燃气轮机在使用过程中的高效、安全、稳定运行，并降低运行成本，提高设备运行效率。

关键词：燃气轮机；进气系统；操作检修方法

中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）05-0024-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.005

Analysis on Operation and Maintenance of SGT-700 Gas Turbine

Intake System

WANG Chongyang1 ZHAO Zhanwei1 DU Wei1 WEI Jiguang2

（1. China Resources Power Zhengzhou Airport Smart Energy Co.， Ltd.， Zhengzhou 451162，China;

2.Henan China Resources Power Shouyangshan Co.， Ltd.， Luoyang 471000，China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the performance and reliability of gas turbines， it is necessary to ensure the quality and purity of the inlet air of the gas turbine. Therefore， it is necessary to study the intake system of the gas turbine. [Methods] Taking Siemens SGT-700 gas turbine as an example， a brief introduction is given to the intake system of the gas turbine， and some possible faults are analyzed. The operation and maintenance methods of the intake system of the gas turbine are proposed. [Findings] The example analysis results show that using the pulse back blowing method to purge the intake system of the gas turbine can improve the overall filtration efficiency， ensure the service life of the high efficiency filter， and effectively prevent the icing of the intake system. [Conclusions] The gas turbine intake system needs to seek matching operation and control methods to ensure the efficient， safe， and stable operation of the gas turbine during use， reduce operating costs， and effectively improve equipment operating efficiency.

Keywords： gas turbine; air intake system; operation and maintenance methods

0 引言

鄭州市某区域型燃气分布式能源电站安装两套配置SGT-700燃机的燃气-蒸汽联合循环机组，在机组性能保证工况下，100%负荷时燃气轮机发电机组的出力 P=31.452 MW，每小时耗气量F=9 299 m3/h。由于项目厂址紧邻京港澳高速公路、华夏大道等快速路，且京广铁路从厂区西侧通过，导致厂区附近的空气中充满了各种悬浮物，如果这些杂质不能很好地过滤，那么随着燃机的不断运行，气体中含有的杂质将黏附在压气机叶片表面，生成大量的污垢层［1-3］。

在压气机中，沉积物的积垢，会对压气机的气动特性造成影响，从而影响压气机的压比、效率和流量，进一步对机组的输出功率、效率、升负荷率产生影响［4-6］。为减少压气机叶片积垢，提高联合循环机组效率，需要在燃机的压气机进口上安装进气滤网。随着燃机运行时间的增加，燃机进气口过滤单元会出现更大的压力差，一旦运行到极限必须及时更换进气过滤器。

基于此，本研究以西门子工业型SGT-700燃气轮机为例，详细分析了该燃气轮机的进气系统，并在现有系统结构的基础上，对燃气轮机的运行和维护进行探讨，以便为同类型分布式能源电站的节能减排工作提供新的思路。

1 SGT-700燃气轮机进气系统简介

1.1 进气系统的配置

SGT-700工业型燃机在进气系统中配备了空气过滤系统，旨在对空气进入压气机进气口前进行净化。根据该项目所在地历年空气质量指数，结合西门子SGT-700燃机压气机透平对进气洁净度的要求，本项目燃机进气系统配置两级过滤。第一级采用F7级脉冲反吹自清洁式中效滤芯，第二级采用E10级静态高效滤芯。F7中效滤芯主要负责滤除空气中较大粒径的悬浮物（0.4 ?m），E10高效率滤芯主要负责滤除（0.12～0.25 ?m）的悬浮物。中效滤芯搭配高效滤芯不仅可以提高整体的过滤效率并且能够确保高效过滤器的使用寿命。反吹系统的使用可以进一步延长中效滤芯和高效滤芯的使用寿命，从而降低进气系统的使用维护成本。

燃气轮机进气系统两级滤芯都配备有压差传感器来测量滤芯前后压差，进而得到滤芯处的积垢堵塞情况。如图 1 所示，在进气系统压差传感器PID图中，1号和 2 号压差传感器分别用来测得大气压力与第 1 级和第 2级滤芯后的压差，3 号压差传感器测得第 1 级滤芯后（第 2 级滤芯前）至第 2 级滤芯后的压差。压差信号源传至控制系统后，在压差信号达到设定值时相应的人机交互界面（HMI）会给出报警提示，并启动脉冲反吹系统对第 1 级滤芯进行吹扫。

进气脉冲反吹系统如图2所示。气源来自压缩空气，压缩空氣经过总管的控制阀后被分配到各个歧管，经歧管的控制阀后最终分配到各个滤芯后的喷嘴。在脉冲反吹自清洁进行时，高压气流从滤芯后方向前喷出，将滤芯表面的积灰吹除，同时除灰风门打开，将吹除的灰垢排出进气系统。控制阀的开闭受控制系统控制，与滤芯前后压差传感器联锁。

1.2 进气系统降噪

机组的降噪设计是一个整体的系统工程，同时也是机组 EHS 设计中的重要一环。燃气轮机核心部分由箱体罩壳包覆，其运行中产生的噪声通过箱体罩壳与外界隔离。为了防止机组噪声通过压气机进气口向外传出，并降低进气风道内的气流噪声，可在进气过滤系统和燃气轮机箱体罩壳之间的连接风道上还设置有消声器，如图 3 所示。

进气消声器作为进气风道的一部分，内部安装有降噪隔板，降噪隔板内部为吸音棉，外部采用金属板包覆。同时消声器壳体内表面还有隔噪层，防止噪声传至外部，具体如图 4 所示。

进气系统的截面积选择也是噪音控制中的重要一项。SGT-700 进气系统的截面积选择使得流经的气流流速较低，进而在流过过滤器时能获得更好的过滤效果，同时也降低了气流噪声。进气系统的降噪处理配合机组罩壳的隔音作用，以及对各个辅机系统噪音的严格要求，使得机组在正常运行时满足 ≤85 dBA 的噪音控制要求。

1.3 进气系统防冰

进气系统结冰会造成进气阻塞，影响燃气轮机正常运行，因此进气系统设计中都会对防结冰进行着重考虑。水汽凝结成冰有三个必要条件：一是气温足够低，低于湿空气中水汽分压对应的冰点；二是空气湿度足够大，分压足够高；三是存在水汽凝结的附着物［7］。只有以上三个必要条件同时满足时，空气中的水汽才有在进气滤芯表面凝结成冰的可能性。进气系统防止结冰通常采用以下两种方案。

一是采用热源对进入进气系统的空气进行加热（IBH），使空气高于水汽冰点。这一方案主要用在采用全静态滤芯的进气系统，加热热源根据不同的燃气轮机设计采用压气机抽气或外部热源的方法。采用压气机抽气方案是从压气机抽出一定量具有一定压力和温度的空气通入进气过滤器前部与进入的新鲜空气混合以提升温度。这一方案增加了抽出用于加热空气的流阻损失，增大了燃气轮机的内部功耗，造成了一定程度的性能影响。如果燃气轮机无抽气功能，采用外部热源作为防冰加热的方法，机组的损失将会更大。此时，加热热源一般来自余热锅炉末段的热水模块，对联合循环性能和蒸汽产量存在一定影响，同时进气温度的升高也会造成燃气轮机出力的下降。另外系统中需要增加热水循环管路、增压泵和布置于进气系统中的热水盘管，增加了机组的运行维护成本。

二是采用脉冲反吹自清洁式进气系统。脉冲反吹自清洁式进气系统可在不增加额外部件和成本的同时消除进气系统结冰的风险。在空气湿度足够大，温度足够低时，如果水汽在滤芯表面出现凝结，随着水滴的增大，滤芯的压损逐渐提高，在达到设定值时，脉冲反吹系统自动启动对滤芯表面的水滴进行吹除，起到防止滤芯表面结冰的功能。相较前一种方案，这一方案在不影响运行效率、不降低机组出力的同时达到了防止结冰的目的，同时对燃气轮机进气温度没有影响，不需要联合循环提供额外热源，对机组性能的影响达到最小，西门子SGT-700燃气轮机即采用该方案。

2 燃机进气系统运行故障分析

2.1 进气口及压气机叶片污染

在燃机进口滤网压差持续增大的同时，将造成滤网后的全部进气通道污染，进而使压气机进气口、进口导叶（IGV）和压气机各叶片上的污垢逐渐增多。同时，这些污垢还将不同程度地加剧对燃机透平叶片的机械和化学腐蚀，从而影响工作安全。

2.2 进气过滤系统故障

在压气机中，由于压气机进气通道和叶片的污染，从而造成压气机空气动力学特性的改变，使整个压气机的通流面积减小，进而导致压气机各级之间压缩效率下降，造成机组能耗的增加［8］。针对SGT-700工业型燃气轮机而言，若压气机进口压力过大，会造成压气机“喘振”，严重威胁燃气轮组的正常运行。同时，大气中存在的多种有机、无机微粒等，由于高温作用会在燃机过流区发生结垢、侵蚀，造成透平叶片的冷却孔洞阻塞，降低了冷却效率，极易导致金属超温。

3 燃机进气系统维护措施

3.1 针对性选择进气滤芯及品牌

我国燃气分布式能源电站分布广泛，其所处的地域环境也各不相同。对于不同电站，在不同的气象条件下，应进行有针对性的设计，并根据实际情况选择合适的空气过滤系统与进气过滤器，同时针对过滤材料进行相应的选择。

其中，燃气轮机进气系统规模庞大，在燃机运行中，进气过滤问题很多，但过滤器的选择直接关系到机组的运行稳定性。相较于南方调峰机组来说，北方的采暖供热机组，为保证机组的长期安全、高效（在供热期间不能停机），过滤器选择更为复杂。因此，满足过滤等级越高、容尘容量越大、过滤初段压差低、上升曲线较平缓的精细过滤器，应优先选用。

粗效过滤器可以在线更换，但是在更换时，如果将过滤器拆装，会造成精细过滤器的二次污染，因此在选择粗过滤器的时候，在确保过滤精度的情况下，应选择具备更大的容尘容量和更长使用寿命的粗效过滤器。

3.2 改善进气过滤器周围环境

在进气过滤器中，空气中含有的大量杂质，會对燃机运行产生很大的影响，因此要保证周围的环境质量。针对郑州当地柳絮、杨絮、风沙比较多，存在夏天多雨、冬日多雪和日常雾霾天气，以及环境湿度相对较高等天气因素，需要及时清理进气滤室周围环境，才能有效延长进气过滤器的使用寿命。

如有必要，可在进气道四周设置可移动的脚手架，在春、夏季节增设密眼网，以阻挡较大颗粒的杂质，冬季应及时清除积存的冰块。西门子 SGT-700工业型燃气轮机进气系统综合考虑了进气过滤效果、降噪和防结冰要求，采用脉冲反吹自清洁式进气方案，该方案成熟可靠，已广泛应用于位于全世界各地各种地理环境的SGT-700机组上，得到了实际运行的长期验证。

3.3 加强日常运行监视

对于燃机进气系统的操作，应加大巡视力度，当过滤器的差压超过一定范围时，必须停机更换过滤器，因过滤器是有一定的周期性，同时必须对压差进行详尽的记录。通过定期检查进气过滤器的压差，对比、观察和计算其变化来判断过滤器是否超压，以便事先购买滤清器元件。

4 结语

本研究通过对SGT-700工业型燃机进气系统配置及运行维护进行分析，为日常系统维护及故障处理提供了一定思路。今后，燃气分布式能源电站还需要寻求与之相匹配的运行与控制方法，以降低运行成本，提高设备运行效率，增加经济效益。

参考文献：

［1］杜亚鸿. 燃机进气系统的运行与维护［J］. 百科论坛电子杂志，2019（21）：336.

［2］吴恩琦.燃气分布式能源发电对电网企业的影响分析模型研究［D］.保定：华北电力大学，2013.

［3］李再平.9E燃机进气系统升级优化研究与改造探析［J］.中国设备工程，2022（7）：21-22.

［4］杨汉伟.M701F3燃气机组压气机进气高效过滤器应用研究［D］.广州：华南理工大学，2015.

［5］卢新根.轴流压气机内部流动失稳及其被动控制策略研究［D］.西安：西北工业大学，2007.

［6］姜逸轩，曹传军.涡扇发动机整机试验高压压气机流量计算方法研究［J］.推进技术，2023，44（10）：200-209.

［7］王树国，孙剑，侯力，等.9E型燃气轮机进气过滤系统改造［J］.华电技术，2015，37（2）：30-33，77.