白云山，田鑫，劉志敏

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱燃機(jī))發(fā)電機(jī)組以其效率高、污染小的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。但空氣中存在的大量粉塵、油污等顆粒，嚴(yán)重影響燃機(jī)安全運(yùn)行，這些顆粒污染物被燃機(jī)吸入后，會(huì)磨損壓氣機(jī)葉片并縮短其使用壽命，部分黏附在壓氣機(jī)葉片上的顆粒會(huì)導(dǎo)致葉片結(jié)垢和表面型線改變，降低機(jī)組出力和發(fā)電效率[5-7]。按照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二類地區(qū)總懸浮顆粒物(TSP)年平均質(zhì)量濃度為200 μg/m3計(jì)算，每年經(jīng)過(guò)Siemens V94.3A型燃機(jī)(運(yùn)行時(shí)間按4 500 h計(jì))進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的TSP約2 000 kg，因此，進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)是燃機(jī)必不可少的輔助系統(tǒng)之一，對(duì)保障機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要。由于當(dāng)前燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)多由國(guó)外原廠設(shè)備制造商(OEM)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)國(guó)內(nèi)外使用環(huán)境的差異缺乏足夠重視，國(guó)內(nèi)廠家和用戶參與度較低，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)問(wèn)題頻發(fā)，嚴(yán)重影響燃機(jī)的正常運(yùn)行[8-10]。從全壽命周期成本角度分析，由進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)導(dǎo)致的燃機(jī)性能退化成本往往高于系統(tǒng)的初始采購(gòu)成本，因此，對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義[11]。

目前，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12]對(duì)末級(jí)過(guò)濾精度分別為EN779 F9和EN1882 H11的2套過(guò)濾系統(tǒng)從進(jìn)氣壓損、壓氣機(jī)結(jié)垢等方面進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，指出相比于F9級(jí)過(guò)濾器，H11級(jí)過(guò)濾器的壓差增長(zhǎng)更快，對(duì)機(jī)組出力和熱耗影響更大，但由其導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)垢速率明顯降低，總的經(jīng)濟(jì)效益仍然相對(duì)較高。文獻(xiàn)[13-14]指出，過(guò)濾器的選型應(yīng)綜合考慮各種型號(hào)過(guò)濾器特征、過(guò)濾器的使用環(huán)境及進(jìn)氣系統(tǒng)布置方式，從全壽命周期成本的角度對(duì)不同過(guò)濾系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[15]對(duì)如何定量分析壓氣機(jī)結(jié)垢對(duì)燃機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究，并提出了用敏感性指數(shù)(ISF)衡量不同類型燃機(jī)對(duì)壓氣機(jī)結(jié)垢的敏感性。文獻(xiàn)[16]研究了某燃機(jī)單級(jí)濾網(wǎng)的最佳更換周期，從初始成本、停機(jī)成本和運(yùn)行附加成本等方面計(jì)算了濾網(wǎng)整個(gè)生命周期內(nèi)的綜合成本，并分析了燃料價(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)等因素對(duì)濾網(wǎng)最佳更換周期的影響。

由于空氣質(zhì)量較差，國(guó)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)多采用粗濾加精濾的配置方式，以增強(qiáng)系統(tǒng)抵御霧霾、沙塵的能力。過(guò)濾系統(tǒng)的更換通常以壓差達(dá)到某一臨界值為標(biāo)準(zhǔn)，但我國(guó)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組數(shù)量較多，地域上較為分散，運(yùn)行特點(diǎn)和環(huán)境條件不同，統(tǒng)一采用某一特定臨界值作為更換濾網(wǎng)的依據(jù)雖然簡(jiǎn)單易行，但缺乏合理性。作為燃機(jī)的進(jìn)氣屏障，進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)性能優(yōu)劣對(duì)機(jī)組影響很大，其更換周期的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題不容忽視。因此，本文以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為原則，對(duì)兩級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的粗濾和精濾的更換周期進(jìn)行深入研究，并對(duì)影響兩級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)更換周期的主要參數(shù)進(jìn)行探討，以期為優(yōu)化燃機(jī)進(jìn)氣濾網(wǎng)的更換周期提供參考。

1 進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)更換成本分析

進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的更換成本是指在系統(tǒng)的使用時(shí)間內(nèi)，采購(gòu)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、處理等費(fèi)用的總和，如系統(tǒng)使用壽命較長(zhǎng)，還應(yīng)考慮資金的時(shí)間價(jià)值，以凈現(xiàn)值來(lái)比較系統(tǒng)的成本。

1.1 采購(gòu)成本

采購(gòu)成本Cinit指進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的初始購(gòu)買費(fèi)用，受過(guò)濾器型號(hào)、過(guò)濾精度和生產(chǎn)廠家等因素的影響較大，多級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)的各級(jí)過(guò)濾器采購(gòu)成本可以向供應(yīng)商咨詢。

1.2 停機(jī)成本

停機(jī)成本Cdown是指由于進(jìn)氣系統(tǒng)工作異常或過(guò)濾性能差導(dǎo)致燃機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行而造成的損失。通常情況下，過(guò)濾器更換時(shí)需停機(jī)，對(duì)于冬季供熱機(jī)組，應(yīng)盡量避免供熱期間更換進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)，以免造成經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響，對(duì)于晝啟夜停的調(diào)峰機(jī)組，過(guò)濾器的更換可在夜間進(jìn)行。

1.3 燃機(jī)性能退化成本

(1)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)燃機(jī)性能影響很大，主要表現(xiàn)在壓氣機(jī)結(jié)垢和進(jìn)氣壓損兩方面，二者對(duì)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)成本的影響可以通過(guò)式(1)，(2)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

式中：Cfoul為因壓氣機(jī)結(jié)垢而增加的成本；CΔp為因進(jìn)氣壓損而增加的成本；CkWh為上網(wǎng)電價(jià)；Qstd為機(jī)組日常運(yùn)行時(shí)的氣耗；Cscm為每立方米天然氣價(jià)格；P為機(jī)組的發(fā)電功率；Ploss1為因壓氣機(jī)結(jié)垢而損失的發(fā)電功率；Ploss2為因進(jìn)氣壓損而損失的燃機(jī)發(fā)電功率；ηq1為因壓氣機(jī)積垢導(dǎo)致的氣耗增加率；ηq2為因進(jìn)氣壓損導(dǎo)致的氣耗增加率；t為機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。

除此之外，影響進(jìn)氣系統(tǒng)更換成本的因素還包括運(yùn)行維護(hù)、拆除和處理等成本Cother。

1.4 多級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)更換周期優(yōu)化模型

根據(jù)以上分析，在使用周期內(nèi)，多級(jí)濾網(wǎng)更換總成本Ctotal計(jì)算如下

Ctotal=Cinit+Cdown+Cfoul+CΔp+Cother。

(3)

以進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)更換費(fèi)用最小化為原則，得出優(yōu)化模型

FindTfinal，Tpre

s.t.Tfinal>Tpre

Tfinal

Tpre

其中：Tfinal，Tpre分別為進(jìn)氣系統(tǒng)精濾和粗濾更換周期；W(P，Tfinal)為濾網(wǎng)更換周期內(nèi)機(jī)組實(shí)際發(fā)電量；f(Tfinal，Tpre)為單位發(fā)電量的濾網(wǎng)更換成本；Tlim1和Tlim2分別為精濾和粗濾的最大更換周期，防止濾材達(dá)到強(qiáng)度極限而失效。

2 實(shí)例計(jì)算

2.1 某M701F4型燃機(jī)多級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)更換周期計(jì)算

某燃?xì)怆姀S共有2套燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，燃機(jī)為三菱的M701F4，蒸汽輪機(jī)為TC2F-35.4，機(jī)組額定功率為470 MW，單軸布置。燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)為唐納森的GDX 600712X自清式過(guò)濾系統(tǒng)，過(guò)濾器級(jí)數(shù)為2級(jí)，即粗濾和精濾。粗濾為板式過(guò)濾器，過(guò)濾精度為EN779 G4，共165個(gè)濾芯，每個(gè)濾芯采購(gòu)成本為300元；精濾為自清式過(guò)濾器，過(guò)濾精度為EN779 F8，共900對(duì)濾芯，每對(duì)濾芯采購(gòu)成本為1 500元。按廠家要求，過(guò)濾器的壓差報(bào)警值為0.90 kPa，跳機(jī)值為2.25 kPa。

為研究該進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)粗濾和精濾的最佳更換周期，對(duì)進(jìn)氣壓損隨運(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行了記錄，如圖1所示。從圖中可以看出：粗濾和精濾壓差與運(yùn)行時(shí)間基本呈線性關(guān)系(其函數(shù)關(guān)系擬合見式(4)，(5))；進(jìn)氣系統(tǒng)的粗濾更換時(shí)間間隔約為2 000 h，但每次更換粗濾時(shí)，精濾的壓差均不同，從燃機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性考慮，取某一固定值作為粗濾的更換周期缺乏足夠的合理性。

Δppre=0.16+3.91×10-5t，

(4)

Δpfinal=0.29+8.71×10-5t，

(5)

式中：Δppre為粗濾壓差；Δpfinal為精濾壓差；t為運(yùn)行時(shí)間。粗濾的初始?jí)翰顬?.16 kPa，精濾的初始?jí)翰顬?.29 kPa。

圖1 濾芯壓差隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.1 Filter differential pressure change with operating time

隨著進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)壓差的增加，機(jī)組出力和效率均會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，根據(jù)廠家提供的修正曲線(如圖2所示)，可以對(duì)進(jìn)氣壓損導(dǎo)致的燃機(jī)性能損失進(jìn)行計(jì)算。由于該機(jī)組為調(diào)峰機(jī)組，停機(jī)期間經(jīng)常進(jìn)行離線水洗，并未出現(xiàn)明顯的壓氣機(jī)結(jié)垢現(xiàn)象，因此，本例忽略壓氣機(jī)結(jié)垢的影響。

圖2 進(jìn)氣壓損對(duì)出力及氣耗的影響Fig.2 Influence of inlet pressure loss on output and gas loss

綜上所述，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況及上文提出的優(yōu)化模型，可以計(jì)算出該燃機(jī)發(fā)電機(jī)組兩級(jí)濾網(wǎng)的最佳更換周期。為簡(jiǎn)化起見，首先取精濾的更換周期為某一固定值，對(duì)粗濾的最佳更換周期隨精濾壓差的變化情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。該計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)如下特點(diǎn)。

(1)粗濾最佳更換周期與精濾壓差呈線性關(guān)系。

(2)隨著精濾壓差的增加，粗濾的最佳更換周期逐漸減小。

(3)隨精濾壓差的增加粗濾的最佳更換周期變化較小，基本維持在820.0～880.0 h，與2 000.0 h的實(shí)際更換時(shí)間間隔相差較大。

(4)精濾壓差處于同一數(shù)值時(shí)，隨著精濾更換周期的增加，粗濾的最佳更換周期隨之增加。

圖3 粗濾更換周期隨精濾壓差的變化Fig.3 Change of update interval of coarse filter with pressure difference of fine filter

為了對(duì)該機(jī)組的兩級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的更換周期進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本與精濾更換周期的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。對(duì)于該燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，精濾的最佳更換周期約為6 000.0 h，因每次更換粗濾時(shí)精濾的壓差不同，因此，對(duì)應(yīng)的粗濾最佳更換周期為841.0～864.0 h，為方便起見，可以取中間值852.5 h，此時(shí)單位發(fā)電量的濾網(wǎng)更換成本為2.928 9×10-4元。該機(jī)組當(dāng)前粗濾更換周期約為2 000.0 h，精濾更換周期約為7 000.0 h，對(duì)應(yīng)的單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本為2.961 8×10-4元，優(yōu)化后單位發(fā)電量的濾網(wǎng)更換成本為原來(lái)的98.8%，經(jīng)濟(jì)性有所提高。

圖4 單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本隨精濾更換周期的變化Fig.4 Filter replacement cost per power generation unit change with fine filter replacement cycle

2.2 多級(jí)濾網(wǎng)更換周期的影響因素

作為多級(jí)濾網(wǎng)更換周期的影響因素，燃?xì)鈨r(jià)格和濾網(wǎng)初始成本隨地域、時(shí)間的變化而變化，因此，同一機(jī)組進(jìn)氣濾網(wǎng)的最佳更換周期并非固定不變。

2.2.1 天然氣價(jià)格的影響

天然氣價(jià)格對(duì)單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本的影響如圖5所示。天然氣價(jià)格發(fā)生變化時(shí)，粗濾和精濾的最佳更換周期、單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本隨天然氣價(jià)格變化明顯。天然氣價(jià)格增加20%，單位發(fā)電量的濾網(wǎng)更換成本增加13%左右。該機(jī)組以基本負(fù)荷運(yùn)行為主，因此天然氣價(jià)格對(duì)單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本影響較大。

圖5 天然氣價(jià)格對(duì)單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本的影響Fig.5 Effect of gas price on replacement cost per unit of power generation

2.2.2 濾網(wǎng)初始成本的影響

目前市場(chǎng)上生產(chǎn)燃機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的廠家較多，AAF，Comfil，唐納森等廠家生產(chǎn)的過(guò)濾系統(tǒng)價(jià)格不盡一致。此外，受市場(chǎng)供需關(guān)系、產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)等因素的影響，過(guò)濾系統(tǒng)的價(jià)格也在不斷變化。圖6為不同的濾網(wǎng)初始成本下，精濾更換周期與單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，濾網(wǎng)初始成本發(fā)生變化時(shí)，該進(jìn)氣系統(tǒng)的精濾最佳更換周期基本維持不變，與天然氣價(jià)格影響相比，濾網(wǎng)初始成本對(duì)單位發(fā)電量的濾網(wǎng)更換成本影響較小。

圖6 濾網(wǎng)初始成本對(duì)單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本的影響Fig.6 Effect of filter initial cost on replacement cost per unit of power generation

3 結(jié)論

(1)本文以單位發(fā)電量的濾網(wǎng)更換成本最小化為目標(biāo)，綜合考慮了多級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)相關(guān)的采購(gòu)成本、停機(jī)成本和性能退化成本，提出了一種計(jì)算多級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)最佳更換周期的數(shù)學(xué)模型。

(2)對(duì)某M701F4機(jī)組的多級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的最佳更換周期進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：粗濾的最佳更換周期隨精濾壓差的增加而減??；精濾壓差處于同一數(shù)值時(shí)，隨著精濾更換周期的增加，粗濾的最佳更換周期隨之增加。優(yōu)化后，粗濾和精濾的最佳更換周期分別為852.5 h和6 000.0 h，與優(yōu)化前相比，單位發(fā)電量的濾網(wǎng)更換成本減少了1.2%。

(3)分析了天然氣價(jià)格和濾網(wǎng)初始成本對(duì)多級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)最佳更換周期及單位發(fā)電量濾網(wǎng)更換成本的影響，由于該機(jī)組以基本負(fù)荷運(yùn)行為主，天然氣價(jià)格對(duì)二者的影響較大，濾網(wǎng)初始成本對(duì)二者的影響較小。因此，對(duì)于不同地區(qū)、不同運(yùn)行方式的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，應(yīng)根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的更換周期進(jìn)行優(yōu)化。