穆利洪，黃紀新，龍雙喜，王 毅

(1.廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516082；2.中南大學 航空航天學院，湖南 長沙 410083)

進氣濾網(wǎng)壓差對M701F聯(lián)合循環(huán)機組性能影響研究

穆利洪1，黃紀新1，龍雙喜1，王 毅2

(1.廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516082；2.中南大學 航空航天學院，湖南 長沙 410083)

通過理論推導和大量分析對比計算，初步得出壓氣機進氣濾網(wǎng)壓差變化對M710F燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組性能的影響規(guī)律，在此基礎上提出了進氣濾網(wǎng)的運行優(yōu)化策略并估算了由此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

M701F聯(lián)合循環(huán)機組；進氣濾網(wǎng)；性能

0 引言

惠州天然氣發(fā)電有限公司一期工程使用了3臺日本三菱重工生產(chǎn)的M701F燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，為滿足燃機運行需要，從最低負荷至最高負荷壓氣機進口空氣流量的變化范圍約為500 kg/s～700 kg/s。由于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行時的空氣流量很大，而空氣中含有各種污物、灰塵和煙霧等懸浮物質，若不能有效除去這些物質，壓氣機葉片表面將迅速積垢。壓氣機葉片積垢后將改變葉片的氣動性能，使壓氣機的壓比、效率和流量下降，最終導致機組出力、效率及升負荷速率等運行性能降低。為此，在M701F燃機的壓氣機進口處裝有一粗一精兩級空氣過濾器。隨著運行時間的延長，壓氣機進氣濾壓差將逐漸增大，當達到限定值時需要及時更換。

一直以來，關于壓氣機進氣濾網(wǎng)壓差對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組性能影響的研究極少，幾乎沒有比較準確的參考準則，目前只能簡單地根據(jù)壓差或定期的原則對濾網(wǎng)進行更換，其經(jīng)濟性也尚不明確。在目前發(fā)電形勢嚴峻、機組節(jié)能降耗措施日漸匱乏、電廠盈利壓力越來越大的情況下，很有必要對進氣濾網(wǎng)的運行方式進行深入研究，定性定量分析其對機組性能的影響，尋找并實施優(yōu)化方法，從而取得降本增效的成果。

本文以M701F燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為研究對象，借助數(shù)值模擬手段，對壓氣機進氣濾網(wǎng)壓差變化對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組性能影響進行深入研究，并尋求機組優(yōu)化運行策略，以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 聯(lián)合循環(huán)仿真及濾網(wǎng)壓差影響分析

聯(lián)合循環(huán)性能仿真采用了Thermoflow電廠熱平衡計算軟件包GTPRO模塊，詳細建立了三菱M701F燃氣輪機模型以及鍋爐及蒸汽透平模型，形成完整的燃氣輪機-蒸汽聯(lián)合循環(huán)模型，如圖1所示。表1給出了燃氣輪機的主要運行參數(shù)。

仿真結果表明，修正的燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)取得與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)比較一致的結果，其中燃機輸出功率約為231 000 kW，汽機輸出功率約為131 000 kW，聯(lián)合循環(huán)效率為55.36%。

圖1 燃氣輪機-蒸汽聯(lián)合循環(huán)模型

參數(shù)數(shù)值環(huán)境壓力(kPa)100.971環(huán)境溫度(K)300.2空氣濕度(%)63.5進氣濾網(wǎng)壓差(kPa)0.3壓氣機出口溫度(K)715.8渦輪出口溫度(K)877.5燃機功率(kW)230930

接下來將討論濾網(wǎng)壓差對燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)性能的影響。根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，濾網(wǎng)壓差的大致范圍為300 Pa～1 100 Pa，為此，取濾網(wǎng)壓差的研究范圍為200 Pa～1 200 Pa，以便于將實際運行工況封閉。

1.1 滿負荷工況

在滿負荷工況下，燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)輸出功率系數(shù)Cp隨濾網(wǎng)壓差Δp的變化曲線如圖2所示。功率系數(shù)Cp定義為：

其中：P300為濾網(wǎng)壓差為300 Pa時聯(lián)合循環(huán)的滿負荷輸出功率；P為實際輸出功率。由圖2中可以清楚地看到，隨著濾網(wǎng)壓差的增加，燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)滿負荷輸出功率降低，并且當濾網(wǎng)壓差小于900 Pa時，燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)滿負荷輸出功率與濾網(wǎng)壓差幾乎成線性關系；當濾網(wǎng)壓差為1 200 Pa時，燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)滿負荷輸出功率將幾乎下降1%。以上分析與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)幾乎完全吻合，表2給出了其他參數(shù)相同時濾網(wǎng)壓差不同的兩個滿負荷工況的輸出功率。

圖3為燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱效率系數(shù)Ce隨濾網(wǎng)壓差變化的關系曲線。熱效率系數(shù)Ce定義為：

其中：E300為濾網(wǎng)壓差為300 Pa時聯(lián)合循環(huán)的滿負荷熱效率；E為實際循環(huán)熱效率。

圖2 循環(huán)輸出功率系數(shù)Cp隨濾網(wǎng)壓差Δp的變化情況

參數(shù)工況1工況2兩工況輸出功率比值進氣濾網(wǎng)壓差(Pa)3001000滿負荷功率(kW)364.31361.750.993

由圖3中可以清楚地看到，濾網(wǎng)壓差增加，將導致燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)滿負荷熱效率降低，然而這種影響非常小，甚至當濾網(wǎng)壓差為1 200 Pa時，聯(lián)合循環(huán)熱效率僅下降0.04%。因此，滿負荷工況下，濾網(wǎng)壓差對燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組熱效率的影響可忽略不計。

1.2 部分負荷工況

當燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組處于部分負荷工況工作時，必須摸清聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的控制規(guī)律，才能進行比較準確地仿真。一般而言，絕大部分燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的部分負荷工況控制規(guī)律為：逐漸減小IGV開度，同時控制燃料流量，以保持渦輪出口溫度等同設計狀態(tài)。然而，從實際運行數(shù)據(jù)來看，渦輪出口溫度存在一定的偏差，這將會影響燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)性能，因此，對燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)部分負荷工況的分析還必須考慮出口溫度差異的修正。

首先，研究出口溫度保持不變情況下濾網(wǎng)壓差對部分負荷工況性能的影響。設定燃氣輪機渦輪滿負荷工況的渦輪出口溫度不超過609 ℃，那么，壓氣機進氣濾網(wǎng)壓差對燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組輸出功率和熱效率的影響如圖4所示。

圖4比較清楚地表明：隨著機組負荷由滿負荷水平逐漸降低，其熱效率經(jīng)歷先增加后減小的過程；當機組負荷處于94%滿負荷水平時，機組效率接近峰值水平，而后其熱效率將迅速降低，當機組負荷處于67%滿負荷水平時，其效率系數(shù)將降低5%；濾網(wǎng)壓差增加將降低機組最大負荷能力，并且濾網(wǎng)壓差的主要影響區(qū)間位于90%～100%負荷區(qū)，在該區(qū)域，濾網(wǎng)壓差越大，機組效率損失也越大，其最大損失約0.27%；當機組負荷低于90%滿負荷水平時，濾網(wǎng)壓差對機組效率的影響就非常小了。

圖3 循環(huán)熱效率系數(shù)Ce隨濾網(wǎng)壓差Δp的變化情況 圖4 濾網(wǎng)壓差Δp對循環(huán)輸出功率系數(shù)Cp及熱效率系數(shù)Ce的影響

1.3 燃氣輪機渦輪出口溫度對機組效率的修正

這里必須強調一點，前述濾網(wǎng)壓差對機組性能影響分析，完全基于相同的渦輪出口溫度，而實際運行數(shù)據(jù)可能會有差異，導致渦輪出口溫度不同，從而影響燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的熱效率，為此，需要對渦輪出口溫度的影響進行修正。

圖5給出了燃氣輪機蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組66%～100%滿負荷之間5種負荷水平工況下，不同渦輪出口溫度對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率的修正曲線，其中橫坐標表示實際運行渦輪出口溫度相對于基準渦輪出口溫度(不大于609 ℃)的變化值ΔT，縱坐標為溫度對循環(huán)效率的修正系數(shù)CT。

圖5 渦輪出口溫度變化ΔT對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率修正系數(shù)CT的影響

1.4 濾網(wǎng)壓差對機組性能影響

基于前述的修正方法，結合機組現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，獲得壓氣機濾網(wǎng)壓差對機組性能的影響規(guī)律，如圖6所示。

圖6 M701F機組進氣濾壓損—機組效率變化曲線

圖6清楚地表明，進氣濾壓差增大時，機組在滿負荷時的效率基本不變，而部分負荷效率略有提高，幅度約在0.5%以下。

2 濾網(wǎng)運行優(yōu)化策略及經(jīng)濟性分析

根據(jù)前述濾網(wǎng)壓差對機組性能的影響，結合電廠實際運行工況，擬提出兩種濾網(wǎng)運行優(yōu)化策略，并結合2013年機組運行情況，進行對應經(jīng)濟性評估。

2.1 盡量充分利用進氣濾的壽命

結合前述分析結果可知，充分利用進氣濾的壽命，不僅可以大幅降低進氣濾更換的成本，同時也會使機組運行過程中的進氣濾壓差均值有所提高。根據(jù)電廠2013年各負荷發(fā)電情況及進氣濾壓損與機組效率變化關系曲線，假設全年進氣濾壓差均值分別提高0.1 kPa和0.2 kPa，則獲得的經(jīng)濟效益見表3。

表3 2013年機組進氣濾壓差均值提高0.1 kPa和0.2 kPa的增效估算

2.2 采用高效過濾器

機組進氣濾在A檢后均更換為高效粗濾和高效精濾，其運行情況具有進氣濾壓差增大、過濾效果提高、濾網(wǎng)更換周期縮短3個特點。

相較于普通過濾器，高效過濾器可帶來機組效率提高、機組效率隨運行時間的下降程度減緩、水洗次數(shù)減少及葉片壽命延長等一系列好處，雖然也會導致進氣濾更換成本增加，但根據(jù)高效過濾器經(jīng)濟性評估結果(見表4)，若電廠所有機組均使用高效過濾器，則將產(chǎn)生高達數(shù)百萬的增效。

表4 高效過濾器經(jīng)濟性評估

3 結論

本文以M701F燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為研究對象，利用數(shù)值模擬手段，探討了壓氣機進氣濾網(wǎng)壓差變化對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組性能影響及機組優(yōu)化策略，獲得以下結論：

(1) 在同一負荷水平下，濾網(wǎng)壓差對聯(lián)合循環(huán)效率的影響大致呈現(xiàn)二次曲線的規(guī)律，隨著壓差的增加，循環(huán)效率先增加后減小。

(2) 在不同負荷水平下，當部分負荷高于86%時，聯(lián)合循環(huán)效率也高于滿負荷水平；當部分負荷低于86%時，聯(lián)合循環(huán)效率則低于滿負荷水平。

(3) 建議采用高效過濾器，可明顯延緩機組壓氣機葉片結垢現(xiàn)象、減少葉片水洗次數(shù)、延長葉片壽命、改善壓氣機效率惡化、提高發(fā)電機組效率；雖然高效過濾器成本會略有增加，然而使用高效過濾器可帶來較大收益。

Influence of Pressure Drop of Compressor Air Inlet Filter on Performance of M701F Combined Cycle Gas Turbine

MU Li-hong1, HUANG Ji-xin1, LONG Shuang-xi1, WANG Yi2

(1. Guangdong Huizhou Natural Gas Power Generation Co., Ltd., Huizhou 516082, China; 2. College of Aeronautics and Astronautics, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on theoretical derivation and calculation analysis, the influence of compressor air inlet filter on the performance of M701F combined cycle gas turbine was obtained, an operation optimization strategy of air inlet screen was proposed, and the economic benefit from the improvement was preliminarily estimated.

M701 combined cycle gas turbine; air inlet filter; performance

1672- 6413(2015)06- 0031- 03

2015- 01- 14；

2015- 08- 15

穆利洪(1972-)，男，貴州習水人，高級工程師，本科，主要從事大型燃氣輪機發(fā)電機組運行監(jiān)督及技術分析工作。

TK474.8

A