黃乃成，周樂平(.中國電建集團國際工程有限公司，北京 00036；.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 006)

燃氣輪機發(fā)電機組具有發(fā)電效率高、污染物排放低、建造周期短、占地面積小、耗水量少和運行調(diào)節(jié)靈活等特點。目前，燃氣輪機電站的發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的23.1%[1]，最先進的H(J)等級的機組單機容量大于500 MW，聯(lián)合循環(huán)效率大于63%[2]。燃氣輪機是精密的高速旋轉(zhuǎn)機械，燃燒及做功過程需消耗大量的空氣，若所吸入的空氣中攜帶過多的灰塵(粒徑在1～100 μm范圍內(nèi))或有大顆粒雜質(zhì)(粒徑大于等于1 mm)，就會影響燃氣輪機性能和安全運行。首先，灰塵會逐漸附著在壓氣機葉片上形成污垢，致使壓氣機的效率、流量、壓比等指標降低，極端情況下還會引發(fā)壓氣機失速喘振或振動故障[3-4]；其次，大的顆粒物會對壓氣機葉片和透平葉片產(chǎn)生擦傷和侵蝕，造成葉片壽命縮短或損壞，影響機組的性能和可靠性[5-6]。盡管進氣過濾系統(tǒng)占聯(lián)合循環(huán)電站總投資的比例并不高，但進氣系統(tǒng)導(dǎo)致的燃氣輪機故障時有發(fā)生，且進氣空間的限制致使后續(xù)維修改造極其困難，因而得到廣泛關(guān)注。目前有些文獻在燃氣輪機進氣系統(tǒng)引發(fā)的故障和進氣濾網(wǎng)更換周期優(yōu)化方面做了研究，但文章多數(shù)都是針對某一具體問題展開討論，對問題產(chǎn)生的機理和根源，即進氣過濾的原理和進氣系統(tǒng)的方案設(shè)計，以及在運行維護過程中如何避免或減少問題的產(chǎn)生尚未有系統(tǒng)性分析和總結(jié)?；诖?，本文解構(gòu)了國內(nèi)外燃氣輪機廠商主流機組的進氣過濾系統(tǒng)所采用的典型配置方案，分析闡述了進氣過濾的機理和關(guān)鍵技術(shù)，介紹了通用的過濾器選型和評價標準，最后通過案例分析總結(jié)了進氣過濾系統(tǒng)的工程設(shè)計和運行維護實踐經(jīng)驗，為燃氣輪機進氣系統(tǒng)配置和運行維護提供參考。

1 進氣過濾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

進氣系統(tǒng)整體上是一個大的封閉空間，一般由過濾段、消音段、進氣通道和進氣室組成，典型的進氣裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 進氣過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of air inlet filtration system

空氣由過濾段前端的進氣防雨罩吸入，之后經(jīng)防蟲網(wǎng)再進入到過濾段。在潮濕多雨地區(qū)，為防止空氣攜帶大量的水汽進入過濾器，通常會在防雨罩上同時設(shè)置水滴分離器和聚結(jié)過濾器。空氣通過一級或多級過濾器，過濾掉其中絕大多數(shù)的微粒，保護壓氣機葉片不被磨損、腐蝕和結(jié)垢。除濕和過濾可單獨布置，也可綜合布置。在寒冷地區(qū)，通常還須在過濾段前加裝空氣加熱裝置，以防止水汽結(jié)冰覆蓋住過濾器影響進氣流量。加熱裝置的熱量來自壓氣機中間抽氣，熱空氣通過噴嘴噴射到過濾器前的整個進氣空間。消聲段布置在過濾器與進氣彎道之間，消聲器按類別區(qū)分主要有阻性消聲器、抗性消聲器以及阻抗復(fù)合型消聲器[7]。阻性消聲器主要特點是對聽覺上較為刺耳的高頻噪音有突出的消聲作用，因而進氣系統(tǒng)通常采用阻性消聲器。消聲器之后的進氣通道包含進氣彎道、直管段、膨脹節(jié)和擋板門等部件，對過濾后的空氣進行導(dǎo)流和整流。膨脹節(jié)位于擋板門之前，進氣系統(tǒng)與壓氣機之間的振動是通過織物膨脹節(jié)吸收的。擋板門位于壓氣機錐形進氣室上游的直管段上，由電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，當燃氣輪機停機時，關(guān)閉擋板門以防止?jié)窨諝膺M入壓氣機，同時保證停機時干燥系統(tǒng)能對燃氣輪機通流部分的空氣進行有效的干燥。

2 進氣過濾的機理及型式

2.1 過濾的機理

考慮到燃氣輪機的地理位置、周邊的生產(chǎn)活動和氣候季節(jié)性變化等因素，進氣系統(tǒng)吸入的空氣可能含有的介質(zhì)包括固體顆粒、氣體和液體，如昆蟲、花粉(絮)、海鹽、水汽、灰塵、沙子、工廠排氣、含有石油和燃料蒸汽的廢氣、顆粒以及化學(xué)品和各種工業(yè)副產(chǎn)品等。

空氣中的微粒一直在作布朗運動，微粒與過濾纖維間還存在范德華力和表面靜電相互作用。根據(jù)空氣中微粒分散度、物理化學(xué)特性和帶電狀況，過濾器可歸納為5種基本過濾機制：慣性碰撞、攔截效應(yīng)、擴散、篩除和靜電效應(yīng)[8]。慣性碰撞是指氣流沿過濾纖維繞流時，大而重的微粒(粒徑大于 1 μm)因慣性直線運動脫離流線，直接撞擊并附著在過濾纖維上。攔截是指中等大小的微粒(粒徑在0.5～1.0 μm之間)在氣流中沿流線運動接觸到過濾纖維并被截留。擴散是指粒徑在0.5 μm以下的微粒做布朗運動而撞擊到過濾纖維并被捕獲的過程。篩除是指過濾纖維之間的空隙小于顆粒本身，導(dǎo)致微粒流經(jīng)時被捕獲和夾持。靜電效應(yīng)是指粒徑在0.01～1.00 μm范圍的帶電微粒在流經(jīng)靜電紡絲纖維時在靜電的作用下被吸附。過濾器所采用的過濾機理取決于介質(zhì)通過的速度、纖維大小、介質(zhì)的堆積密度、顆粒大小和靜電電荷，在單一過濾器中通常綜合運用了各種過濾機理。

2.2 過濾器的濾材和型式

濾紙是過濾器的核心，濾紙?zhí)匦灾苯雨P(guān)系到過濾系統(tǒng)的性能，過濾材質(zhì)已從全植物纖維濾紙、非植物纖維復(fù)合濾紙、全非植物纖維濾紙發(fā)展到了納米纖維復(fù)合濾紙[9]。為滿足性能、加工和使用壽命需要，濾紙除了要有一定的耐濕性、耐腐蝕性、耐熱性等，還要滿足耐破度、彎曲挺度、厚度、透氣度和孔徑等指標要求。濾芯內(nèi)部濾紙的褶皺方法對過濾器的結(jié)構(gòu)阻力有影響，也是一項關(guān)鍵技術(shù)[10]。例如針對纖維和易結(jié)塊顆粒，較寬的褶皺間距其脈沖清洗效率更高。國內(nèi)外過濾產(chǎn)品的差距主要體現(xiàn)在濾材和阻力特性這兩方面。近年來以靜電紡絲納米纖維膜覆由纖維素、聚酯和聚酰胺組成的粗纖維基材的過濾材料成為研究熱點。利用靜電紡絲法制得的納米纖維膜具有表面積大、纖維直徑小(0.2～0.3 μm)、孔隙率高、多孔互連結(jié)構(gòu)等特點，在微粒捕捉方面優(yōu)勢明顯，因而靜電紡絲過濾器具有良好的過濾性能[11]。

為了滿足不同運行環(huán)境、檢修維護間隔和空氣潔凈度的要求，生產(chǎn)商開發(fā)了多種不同類型的過濾器。粗過濾器通常放置在聚結(jié)過濾器之后，以清除空氣中較大的顆粒雜質(zhì)(粒徑在2～10 μm范圍內(nèi))，該類型過濾器一般由粗合成纖維濾紙嵌入在一次性的矩形框架結(jié)構(gòu)中，為了增大容塵量和減小過濾壓力損失，粗過濾器通常做成濾袋的形式以增大過濾面積。中、高效過濾器在多級組合式過濾系統(tǒng)中布置在粗過濾器之后，目的是為了清除粗過濾器無法過濾掉的亞微米級顆粒雜質(zhì)，這些細小雜質(zhì)可能會引起葉片腐蝕、結(jié)垢和冷卻通道堵塞。根據(jù)EN 1822-1:2009，高效過濾器可分為EPA、HEPA和ULPA 3個等級，最低過濾效率分別為85.0%、99.95%和99.999 5%[12]。

過濾器可以做成不同的型式：矩形板式、圓柱筒式和袋式。按照過濾器是否可重復(fù)利用的標準，可將其分為靜態(tài)過濾器和自清潔過濾器。對于靜態(tài)過濾器，當它積累到一定容塵量或過濾壓力損失后就需要對其進行更換，以便進氣系統(tǒng)重新恢復(fù)過濾能力。靜態(tài)過濾器一般使用矩形框褶皺或W型無隔板玻璃纖維濾紙，采用深層過濾方式，粉塵顆粒會滲透并累積到濾料基底深處，堵住氣流通路。自清潔過濾器通常做成圓筒狀，濾紙密集折疊繞筒環(huán)布一圈，濾筒內(nèi)外以金屬網(wǎng)將濾紙固定。為消除傳統(tǒng)濾紙中灰塵粒子被截留在濾材孔隙里難以反吹清除的問題，自清潔過濾器一般采用納米纖維復(fù)合濾紙，該濾紙將灰塵粒子捕集在濾材表面，減少粒子向濾材深處穿透，這種表面過濾的特性使得捕集的灰塵粒子在脈沖反吹的過程中更容易脫除。當過濾器的壓力損失達到某一閾值，利用從濾筒由內(nèi)向外反吹脈沖壓縮空氣，清除濾紙表面積累的容塵，使得過濾器重新恢復(fù)一定的壓力損失，濾芯可多次重復(fù)利用。

3 過濾器的性能評價及選型

3.1 過濾器的性能指標

過濾器的評價需考慮多方面因素，在工業(yè)應(yīng)用中主要考慮以下幾個性能指標：迎面風速、壓力損失、容塵量、過濾效率。

a) 迎面風速。過濾器的分級都是基于額定風量或試驗風量確定的，風量等于過濾器迎面風速乘以過濾器迎風面積。迎面風速高，大顆粒慣性過濾效應(yīng)增強；迎面風速低，微小顆粒擴散過濾效應(yīng)增強。過濾器壓力損失與迎面風速的平方成正比，因此迎面風速不宜過高，一般不超過3 m/s。

b) 壓力損失。空氣通過過濾器的雜亂纖維后會有一定的壓力損失，其與過濾效率成正相關(guān)性。當進氣壓力損失增大時，過濾器后的進氣壓力和密度均降低，空氣質(zhì)量流量減小,為維持燃氣輪機出力和排氣溫度平穩(wěn)，壓氣機的壓比就要增大，須消耗更多壓縮功，因而會降低燃氣輪機的效率。

c) 容塵量。在額定風量下，隨著過濾器不斷地捕集灰塵顆粒，慢慢地會達到“滿塵”狀態(tài)，這時它的壓力損失會達到一個設(shè)定值。根據(jù)過濾材質(zhì)的不同，過濾器的容塵有2種形式:一種是微粒逐漸地嵌入到濾紙纖維層中間去；另一種是微粒大部分積聚在濾紙纖維表面，只有很少一部分能夠穿透到纖維層中。容塵量越大，過濾器更換的頻次越低。

d) 過濾效率。過濾效率η是一個廣義的概念，微粒重量、體積或粒子數(shù)Xout與進入過濾器的原始量Xin和過濾效率η的關(guān)系為

(1)

過濾效率可以用幾種方式來表達：最大效率、最小效率和全生命周期平均效率。有些過濾器在初始使用階段對微小顆粒的過濾作用非常弱，但是隨著過濾纖維捕獲了一些顆粒，反而逐漸能捕集之前無法捕獲的微小顆粒了，這樣它的平均效率是要高于初始效率的。過濾效率也隨顆粒大小而變化，通常對小顆粒的過濾效率較低，對大顆粒的過濾效率較高;因此，在討論過濾效率時須與規(guī)定的粒度范圍和流速相關(guān)聯(lián)。目前國內(nèi)外比較通行的通風用空氣過濾器標準的分級和對比關(guān)系參見文獻[13]。

通常在選擇過濾器產(chǎn)品時，除以上指標外，還需考慮過濾器的耐用性、維修更換的便捷性和較低的操作限制，以便實現(xiàn)靈活的運行調(diào)整和較低的運行維護支出。

3.2 過濾器性能對燃氣輪機運行的影響

過濾器對燃氣輪機運行的影響可概括為3個方面：熱效率、出力和運行安全。

過濾器能夠保護通流部分，如果空氣潔凈度不夠會導(dǎo)致壓氣機葉片磨損和結(jié)垢，使壓氣機的氣動性能偏離流體設(shè)計工況，引起通流效率和喘振裕度的下降。結(jié)垢的嚴重程度及結(jié)垢部位與顆粒物大小有直接關(guān)系，沉積速率與顆粒物初始濃度和表面粗糙度等成正比[14]。文獻[15]研究發(fā)現(xiàn)結(jié)垢對壓氣機壓比影響最大，效率次之，質(zhì)量流量最小。

粗過濾器的壓差在其前90%壽命周期增長平緩,之后開始快速增長；精過濾器的壓差在總壓差中占比較大，但在運行周期內(nèi)一般上升幅度很小。過濾器的壓差通過壓差變送器將信號傳送到控制系統(tǒng)，當壓差到達某一設(shè)定值時，機組需降負荷運行；壓差進一步增長到極端情況設(shè)定值后需立即停機處理。正常情況下過濾器的總壓力損失一般在300～1 000 Pa范圍內(nèi)，對于簡單循環(huán)，進氣壓力損失每增加250 Pa，出力將會降低0.4%，熱耗增加0.1%[2]；但在此范圍內(nèi)壓力損失對聯(lián)合循環(huán)機組熱耗和出力的影響并不明顯[16]。IGIE、ELSAWY和楊小軍等研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)機組配置高效的過濾系統(tǒng)比配置低效的過濾系統(tǒng)性能更好，盡管高效的過濾系統(tǒng)壓力損失更大[17-19]。

若因過濾器壓差過大導(dǎo)致非計劃停機，機組軸系和葉片壽命會因燃氣輪機啟停次數(shù)的增加而受影響。此外，灰塵在壓氣機上產(chǎn)生磨損或結(jié)垢，會改變壓氣機的氣動特性甚至引發(fā)振動故障，灰粒在熱通道上沉積還會引起葉片熱腐蝕。含金屬無機鹽的微粒在燃燒過程中與硫和氧發(fā)生反應(yīng)，這些無機鹽燃燒產(chǎn)物會沉積在燃燒室襯套、噴嘴、渦輪葉片和過渡件上，導(dǎo)致這些部件上具有保護作用的氧化膜的氧化速度數(shù)倍加快，并有可能堵塞透平葉片冷卻空氣孔而使葉片局部過熱被燒損[20-21]。

3.3 過濾器的設(shè)計選型

不同環(huán)境下過濾器的配置型式不同，運行維護的要求也不同。按照不同氣候條件和現(xiàn)場環(huán)境，可把進氣環(huán)境進行分類，結(jié)果見表1。

如果選擇了錯誤的過濾系統(tǒng)則可能導(dǎo)致更頻繁的過濾器更換、更高的入口壓力損失、計劃外停機或燃氣輪機故障，以及相關(guān)的成本或盈利損失。在過濾器的設(shè)計選型階段，需要考慮氣候條件和主要顆粒物，總結(jié)起來有以下一些選型原則和經(jīng)驗：①在多雨雪地區(qū)應(yīng)選擇防雨罩，同時為了防止進氣攜帶水汽較多，還應(yīng)配置聚結(jié)過濾器和水滴分離器；②在多昆蟲或多懸浮雜物環(huán)境應(yīng)選擇防蟲網(wǎng)；③在嚴寒地區(qū)應(yīng)設(shè)置加熱裝置，防止進氣系統(tǒng)結(jié)冰堵塞；④在干燥多沙塵地區(qū)，宜選用自清潔過濾器，減少過濾器更換頻率，若機組需配置進氣冷卻裝置保證出力，則應(yīng)考慮設(shè)聚結(jié)過濾器或水滴分離器；⑤在沿?；蚝Ｑ蟓h(huán)境應(yīng)著重考慮增強配置除濕裝置，適當增加在線水洗頻次以防止鹽分沉積；⑥在多細塵工業(yè)區(qū)或空氣相對濕度較大環(huán)境，宜選擇靜態(tài)過濾器，防止細塵在過濾器內(nèi)板結(jié)；⑦若過濾效果不理想，在滿足進氣壓力損失的條件下可增加過濾器級數(shù)，一般不多于3級。進氣系統(tǒng)的主要配置部件如圖2所示。

在進行不同進氣系統(tǒng)設(shè)計方案的對比分析時，可采用過濾器全壽命周期成本分析方法[22]，對設(shè)備的購置成本和廢棄成本進行綜合的測算與比較，考慮價格變化因素后分別折成一個凈現(xiàn)值(net present value,NPV)，各凈現(xiàn)值相加得到一個進氣系統(tǒng)的總凈現(xiàn)值fNPV,total，該值最低者為最優(yōu)方案。

(2)

(3)

式(2)、(3)中：C為年運行維護成本；i為折現(xiàn)率；e為價格增長率；N為運營的年數(shù)，j=1,2,…,N；Cb為購置成本；Cd為廢棄成本；fNPV,n為第n年運行維護成本的凈現(xiàn)值。

表1 燃氣輪機進氣環(huán)境分類Tab.1 Classification of inlet air conditions

圖2 進氣過濾系統(tǒng)部件Fig.2 Air inlet filtration system components

3.4 過濾器的運行維護

系統(tǒng)選型設(shè)計對過濾器運行效果的影響最為關(guān)鍵，但是良好的進氣系統(tǒng)運行維護工作也同樣需要引起重視。標準化的進氣系統(tǒng)運行維護規(guī)范目前尚未建立，國內(nèi)電廠大都根據(jù)自身情況在摸索如何與本體檢修結(jié)合起來，例如小修前進行檢測評估是否更換濾芯，定期對進氣壓差進行檢查記錄，并根據(jù)壓差變化趨勢預(yù)判濾芯壽命或其他評估決定更換哪一級。對于低位布置的燃氣輪機進氣系統(tǒng)，需要在進氣口的周圍保持干凈，以免粗過濾器負荷過重。對于配置自清潔過濾器的進氣系統(tǒng)，要充分利用機組停機的時機進行過濾器清理反吹，此時進氣系統(tǒng)空氣停滯不存在濾網(wǎng)二次吸附的影響，灰塵收集系統(tǒng)可將反吹掉的灰塵充分排出進氣系統(tǒng)，增強反吹清潔效果。若當?shù)赜酗w絮時節(jié)，要注意及時清理防蟲網(wǎng)上積累的飛絮，以免堵塞進氣。在某些空氣濕度相對較大且粉塵較多的時期，為了防止灰塵聚結(jié)，可以優(yōu)化進氣加熱系統(tǒng)和反吹系統(tǒng)的控制邏輯，增加投入使用頻率，降低空氣相對濕度以減輕過濾器內(nèi)灰塵結(jié)垢情況，延長濾芯壽命[23]。當采取措施提升了過濾器的過濾等級后，壓氣機通流部分的潔凈度會大大改善，基荷機組可以適當減少在線水洗的頻次。過濾器拆卸檢修期間，人工吹掃過濾器時要防止損壞濾芯，尤其注意濾芯內(nèi)部不要受顆粒物沾污，保證燃氣輪機安全運行。所有濾筒必須同時更換，如果混用新舊濾芯，氣流會自動通過阻力最小的路徑并繞新濾筒循環(huán)，這會迫使壓氣機將粉塵顆粒吸入新濾材的深處，導(dǎo)致這些沉積粉塵最終無法通過脈沖清灰進行清理，而且這些濾筒容塵會很快飽和，最終需要比原計劃提前更換。

3.5 案例介紹

以本文第一作者在2017年工作中所參與的工程總承包項目——格魯吉亞某燃氣聯(lián)合循環(huán)電站為例。該GE-6FA.03燃氣輪機在進氣過濾器選型設(shè)計時，因未考慮到附近水泥廠粉塵飄散的影響，設(shè)計參數(shù)Dust Level基準值為0，即認為當?shù)乜諝廨^干凈，因而選擇了板式粗過濾器(G4)和脈沖反吹的自清潔筒式過濾器(F9)的簡單組合配置。該機組在枯水期承擔基本負荷，在正常運行僅4個多月后，過濾器進出口壓差就從350 Pa上升至1 500 Pa，觸發(fā)了進氣系統(tǒng)設(shè)置的報警閾值，機組被迫停機檢修。運行維護人員在檢修過濾器時發(fā)現(xiàn)，自清潔筒式過濾器已被大面積的粉塵結(jié)塊所堵塞，反吹也無法清除，因而導(dǎo)致過濾器壓差急劇上升。事后分析認為原因如下：由于當?shù)乜諝馊昶骄鄬穸容^高(68%)，冬季11月至次年2月的相對濕度最大值可達95%以上，而過濾器入口也未配置水滴分離器，因此在過濾器內(nèi)存在很多水汽；其次，水泥廠飄散輸送來的無機污染物黏性粉塵較多，由于粗濾過濾不充分，無機污染物黏性粉塵在精濾筒內(nèi)吸收水汽而聚結(jié)，反吹系統(tǒng)無法清除，導(dǎo)致過濾器堵塞。在解決方案上曾考慮過將該自清潔過濾器更換為靜態(tài)精濾，但由于靜態(tài)精濾無法在線更換，故空氣質(zhì)量較差時會導(dǎo)致頻繁停機更換，影響電站運行的經(jīng)濟性。綜合考慮后對該電站采取的措施為：加裝水滴分離器，粗濾改裝為無隔板(M6)玻璃纖維過濾器，更換新的濾筒，并加大了進氣加熱系統(tǒng)的反吹時間和頻次，以降低水汽含量和減少粉塵集聚，延長濾筒更換周期，減少因進氣系統(tǒng)性能劣化導(dǎo)致的發(fā)電效率損失、停機損失和過濾部件頻繁更換的運行維護損失。工程總承包項目中進氣系統(tǒng)通常是在燃氣輪機廠商的供貨范圍內(nèi)，該項目美國通用電氣公司給出的改造變更報價為36萬歐元。改造后運行的8個多月時間內(nèi)，進氣壓差由初始值380 Pa緩慢上升至700 Pa左右，運行效果較之前大有改善。

4 結(jié)束語

燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)的配置選型需要綜合考慮當?shù)貧庀髼l件、現(xiàn)場空氣環(huán)境和運行維護經(jīng)濟便捷等因素，過濾效果主要取決于進氣系統(tǒng)的過濾級數(shù)和濾材特性。當前采用靜電紡絲工藝生產(chǎn)的納米纖維復(fù)合濾紙能夠滿足進氣高效凈化、延長濾芯壽命并顯著節(jié)約成本的要求，但仍需解決效率和壓力損失的矛盾，提高靜電紡絲納米纖維濾材的容塵性能。對不易引起過濾器積垢板結(jié)的進氣環(huán)境，選擇自清潔過濾器相比于靜態(tài)過濾器有助于減少濾芯更換次數(shù)，降低更換成本和人工成本的同時縮短停機時間。了解進氣過濾系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和過濾機理，總結(jié)運行維護經(jīng)驗，有助于工程技術(shù)人員更好地設(shè)計進氣過濾系統(tǒng)，從源頭上保障機組安全穩(wěn)定運行并降低后期運行維護成本。