秦亞迪 鄭大雷 徐立昊 秦 鋒 曲東營 劉洪文

1. 中海石油氣電集團有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心, 北京 100028; 2. 中海油深圳電力有限公司, 廣東 深圳 518116

0 前言

天然氣發(fā)電是一種清潔高效的能源利用方式,在京津、長三角和東南沿海等經(jīng)濟承受能力較強的地區(qū)發(fā)展迅速[1-2],燃氣輪機作為燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的核心設(shè)備廣泛應(yīng)用于燃氣電廠[3]。此外,燃氣輪機在海上油氣田電力供應(yīng)[4-5]、LNG液化廠電力供應(yīng)及壓縮機驅(qū)動[6-7]、船舶動力[8]、長輸管線增壓站壓縮機驅(qū)動[9]等場景也應(yīng)用廣泛。

燃氣輪機是以空氣和天然氣為燃燒介質(zhì)的定容設(shè)備,當(dāng)燃氣輪機在海上、沙漠或者沿海等場景應(yīng)用時,空氣溫度、濕度、潔凈度與燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行密切相關(guān)。隨著燃氣輪機制造工藝精密化程度和熱部件工作溫度的提高,先進的燃氣輪機對空氣質(zhì)量的要求也愈加嚴(yán)格。作為外界空氣進入燃氣輪機的唯一防線,進氣過濾系統(tǒng)已從簡單的固體顆粒過濾發(fā)展到成為固液顆粒去除和溫濕度調(diào)節(jié)等功能一體化的重要輔助系統(tǒng)。

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)年平均濃度限值200 μg/m3的規(guī)定，以二類地區(qū)某Siemens SGT5-4000F機組為例,在ISO工況下,按年利用小時數(shù)5 000 h計算,每年經(jīng)過該燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)的TSP質(zhì)量約2 000 kg,進氣過濾系統(tǒng)重要性不言而喻。

1 空氣污染物對燃氣輪機的危害性

國內(nèi)主要燃氣電廠重型燃氣輪機的進氣系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)計見表1。燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)是機組葉片安全的重要保障,同時影響壓氣機功耗,對燃氣輪機運行的安全性和經(jīng)濟性有直接影響。含有污染物顆粒的空氣進入燃氣輪機透平會嚴(yán)重影響葉片的使用壽命和機組安全性,燃氣輪機對進氣質(zhì)量的基本要求見表2[10-11]。燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)的合理設(shè)計需滿足以下要求:一是避免空氣中的雜質(zhì)對燃氣輪機造成損傷;二是防止燃氣輪機運行性能的降低。

表1 重型燃氣輪機的進氣系統(tǒng)參數(shù)表

表2 過濾器下游空氣潔凈度指標(biāo)表

空氣中的污染物對燃氣輪機本體設(shè)備造成的主要損害形式有葉片沖蝕、葉片結(jié)垢、堵塞冷卻通道和金屬腐蝕等。

1.1 葉片沖蝕

重型燃氣輪機渦輪轉(zhuǎn)速3 000 r/min、輕型燃氣輪機轉(zhuǎn)速或高達12 000 r/min,軸向氣流速度大于300 m/s,且壓氣機和渦輪間級間靠“篦齒”密封,“篦齒”間隙僅0.03 mm,如果5～10 μm或者更大的顆粒進入燃氣輪機內(nèi)部,會對流道內(nèi)部金屬表面造成沖擊和磨損,降低金屬的表面光滑度和疲勞強度,進而降低機組效率,甚至造成葉片損壞。

1.2 葉片結(jié)垢

軸流壓氣機結(jié)垢類型和速率取決于運行環(huán)境和進氣過濾器的情況[12]。經(jīng)驗表明,結(jié)垢沉淀物的主要成分是濕氣和油,并含有煙灰、水溶物、污垢和壓氣機葉片的腐蝕產(chǎn)物。細小顆粒(<2 μm)或空氣中的水、油等黏性顆粒進入燃氣輪機內(nèi)部后附著在壓氣機和透平葉片表面,改變間隙,降低了葉片表面的轉(zhuǎn)動平滑度,導(dǎo)致機組效率下降。

1.3 堵塞冷卻通道

燃氣輪機的高溫部件運行溫度為 1 400 ℃,任何材料都無法承受,需依靠“氣膜”冷卻[13],即抽取壓氣機尾部空氣作為冷卻介質(zhì)帶走熱量,將溫度維持在高溫金屬部件能夠承受的水平。當(dāng)空氣過濾效率達不到要求時,結(jié)垢顆粒易熔融并粘附在冷卻通道內(nèi)表面等位置,造成堵塞,導(dǎo)致冷卻效果降低,容易引發(fā)金屬部件熱力疲勞。

1.4 金屬腐蝕

金屬腐蝕分為冷腐蝕和熱腐蝕[14]。冷腐蝕指污染物中的有機物和無機鹽附著在壓氣機金屬表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng);熱腐蝕發(fā)生在燃氣輪機透平部分,污染物通過燃燒熱熔后沉積在金屬表面,導(dǎo)致材料被不斷侵蝕。

2 燃氣輪機過濾器及濾紙發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 燃氣輪機過濾器介紹

燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)一般由防雨罩、過濾器、消音段、進氣通道和進氣室組成。高效率過濾器可以去除導(dǎo)致設(shè)備腐蝕、結(jié)垢和堵塞的小粒徑顆粒,平均過濾效率>80%,常見類型為亞高效空氣過濾器(EPA)、高效空氣過濾器(HEPA)超小顆?？諝膺^濾器(ULPA)。EPA和HEPA對0.3 μm以上顆粒的過濾效率分別不低于85%和99.95%,ULPA對0.12 μm以上顆粒的過濾效率不低于99.999 5%[15]。為了減少過濾器頻繁維護和更換,可以采用自清潔過濾器,通過連續(xù)監(jiān)測壓力損失,達到特定壓差即觸發(fā)反向脈沖空氣去除高效濾筒表面吸附的灰塵,但增加了產(chǎn)生空氣脈沖的電磁閥、壓縮機等設(shè)備成本。大部分自清潔過濾器的材料為纖維,低粉塵環(huán)境中的顆?？赡軡B透進過濾器纖維,而高濕度時纖維會吸收水分膨脹,兩種情況下吸附的顆粒均難以通過反吹清除[16]。Jidenko N等人[17]研究出通過非熱等離子體去除氣溶膠的免維護、自清潔過濾器,對100～700 nm的氣溶膠顆粒的平均質(zhì)量和數(shù)量過濾效率分別為95%和87%。當(dāng)前單級過濾器較難滿足大部分的燃氣輪機工作環(huán)境,尤其是污染物較多、濕度高的環(huán)境。因此在高效過濾器前增加預(yù)過濾器的多級過濾器逐步被燃氣電廠使用[18]。預(yù)過濾器可以捕捉10 μm以上的固體顆粒,以延長高效過濾器的壽命,常見的預(yù)過濾器比如袋式過濾器,擁有更大的表面積可以降低壓力損失。濕度較高時,固體過濾器會變潮濕從而降低性能,可以在預(yù)過濾器和高效過濾器的上級布置凝聚過濾器,除去水分和鹽分以防腐蝕[17]。

2.2 濾紙發(fā)展現(xiàn)狀

濾材是過濾器的關(guān)鍵部分,其透氣量、抗?jié)裥阅芎头创祻?fù)原率等直接影響過濾器的過濾效率、阻力等性能。進氣過濾系統(tǒng)的濾紙已經(jīng)發(fā)展到第四代產(chǎn)品:第一代,全植物纖維濾紙;第二代,非植物纖維復(fù)合濾紙;第三代,全非植物纖維濾紙;第四代,納米纖維復(fù)合濾紙[19]。無論是環(huán)境適應(yīng)性還是過濾性能,新一代濾紙的性能都比前一代濾紙有大幅提高。納米纖維復(fù)合濾紙采用納米纖維復(fù)合制成,直徑以nm為單位,提高了濾紙過濾時的有效比表面積。同時,由于納米纖維的直徑與空氣分子的平均自由程度相當(dāng),過濾過程中在其表面會出現(xiàn)滑流現(xiàn)象,導(dǎo)致纖維表面的氣流流速不為零,提高纖維對亞微米顆粒的捕集效率,可有效提高濾紙的過濾效率[20-21]。

出于成本原因,國內(nèi)燃氣輪機濾芯仍使用全植物纖維濾紙。圖1和圖2分別為燃氣電廠常用的混合纖維及覆膜纖維的電鏡圖片,覆膜纖維的優(yōu)點:一是可以使燃氣輪機污染的微粒(<5 μm)被有效阻止在濾芯外;二是表面阻止特性可確保反吹系統(tǒng)運行更高效。

圖1 天然和人工的混合纖維圖像Fig.1 Natural and artificial blended fiber

圖2 覆膜纖維圖像Fig.2 Coated fiber

3 進氣過濾系統(tǒng)問題分析

3.1 過濾器濕堵問題

濕堵是指由于空氣濕度增大導(dǎo)致系統(tǒng)過濾器運行阻力急劇增大的現(xiàn)象,常發(fā)生于海上或者沿海地區(qū)的燃氣輪機。造成濕堵的原因有:過濾器的濾材抗?jié)裥阅茌^差,比如選用植物纖維濾材或其合成濾材,當(dāng)纖維受潮變形后,積壓纖維過濾孔隙,導(dǎo)致壓力急劇上升;附著在過濾器表面的灰塵顆粒遇潮發(fā)生板結(jié)堵塞進氣通道。當(dāng)前主流覆膜過濾器的濾材,捕集的灰塵粒子位于纖維網(wǎng)表面而不是濾材深處,雖然有利于反吹性能,但遇濕時容易形成板結(jié),導(dǎo)致過濾器失效。圖3為覆膜濾紙截面SEM圖像,可以看出濾芯的污染物絕大部分附著在濾芯表面,沒有深入濾料內(nèi)部,導(dǎo)致濾芯迅速失效。

圖3 覆膜濾紙截面SEM圖像Fig.3 SEM of filter paper section

3.2 使用壽命偏短

燃氣輪機的過濾器使用壽命與過濾器種類、設(shè)計數(shù)量、天氣因素、運行維護策略以及當(dāng)?shù)匚廴疚锍煞钟嘘P(guān)。一般進氣過濾器廠家承諾的進氣精濾壽命為2 a,但實際運行中很難達到。主要原因：燃氣電廠使用的過濾器數(shù)量偏少、單位負荷較重、運行阻力較大;其次是過濾器的型式和型號選擇應(yīng)當(dāng)以燃氣輪機機組所在地的氣候和空氣污染物數(shù)據(jù)分析作為依據(jù),但目前國內(nèi)燃氣電廠均采用廠商統(tǒng)一設(shè)計參數(shù)的過濾器,沒有進行特別優(yōu)化和改進。

3.3 進氣阻力異常

一般而言,在進氣過濾系統(tǒng)整個生命周期內(nèi),阻力隨運行時間增長呈現(xiàn)正常的上升曲線。但是,目前許多燃氣電廠存在進氣過濾系統(tǒng)阻力偏高和長期不變的異常情況。燃氣輪機的壓氣機功耗占到透平出力的三分之二,進氣過濾系統(tǒng)壓損的增加會使壓氣機功耗顯著增大,因此進氣過濾系統(tǒng)壓降對燃氣輪機的出力和熱耗影響很大。采用Thermoflex軟件探索進氣壓差對燃氣輪機出力和效率的影響,模擬計算結(jié)果及性能修正曲線見圖4。通過分析可知,進氣系統(tǒng)壓差每增加100 Pa,燃氣輪機熱耗率相對增加0.06%,燃氣輪機功率相對降低0.16%。

a)進氣壓差對燃氣輪機相對熱耗率的影響a)Effect of intake air presssure drop on relative heat ralte

進氣過濾系統(tǒng)運行阻力偏大是多方面原因共同造成的,無法通過某一個改造措施迅速解決。因此,在燃氣電廠設(shè)計初期就需要對進氣過濾系統(tǒng)進行詳細研究和全面現(xiàn)場測試,選擇適合現(xiàn)場條件的進氣過濾系統(tǒng)設(shè)計方案。

4 應(yīng)對策略

進氣過濾系統(tǒng)的問題通常是過濾器質(zhì)量不合格和配置不合理等多種原因?qū)е碌?。避免燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)濕堵、使用壽命偏短和進氣阻力異常問題的對策有:對采購的過濾器進行抗?jié)裥詼y試;按照標(biāo)準(zhǔn)EN 779—2012 Particulate Air Filters for General Ventilation-Determination of the Filtration Performance(以下簡稱EN 779—2012)對采購的過濾器進行消靜電處理后的性能試驗;完善過濾器抽檢以及失效分析制度。

4.1 抗?jié)裥詼y試

1)同等試驗條件下,對燃氣輪機進氣過濾器進行抗?jié)裥詼y試,其阻力隨時間的變化見圖5。120 min內(nèi),#1至#6過濾器阻力基本保持不變,#5過濾器阻力略有上升,其余過濾器阻力變化不大;120～180 min內(nèi),#4、#5過濾器阻力變化較明顯,阻力呈現(xiàn)急劇或階躍式增長,#6過濾器阻力以較小幅度緩慢升高,其余過濾器阻力基本保持不變。經(jīng)橫向?qū)Ρ确治隹芍?#1、#2和#3過濾器具有較好的抗?jié)裥阅堋?/p>

圖5 燃氣輪機進氣過濾器抗?jié)裥阅鼙容^圖Fig.5 Comparison of moisture tolerance of gasturbine intake air filter

2)進行抗?jié)裥阅軠y試,能夠反應(yīng)不同過濾器在高濕度運行環(huán)境下的優(yōu)劣,避免使用過程中發(fā)生濕堵現(xiàn)象。高濕度地區(qū)的燃氣電廠,需要選用抗?jié)裥阅茌^好的過濾器。

4.2 消靜電測試

一般通風(fēng)用空氣過濾器的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了50多年發(fā)展,大致分為歐洲體系、美國體系、國際體系和中國體系等四大體系。歐洲體系以EN 779為代表,為越來越多的人所接受。對某品牌筒式動態(tài)過濾器進行消靜電處理后,按照EN 779—2012進行過濾器性能試驗,結(jié)果見圖6。

圖6 筒式動態(tài)過濾器的消靜電試驗結(jié)果圖Fig.6 Results of static elimination test on the cartridgedynamic filter

從圖6可以看出，消靜電前,過濾器對氣溶膠0.4 μm顆粒的過濾效率為89%,按照EN 779—2012過濾器定級達到F9;消靜電后,對氣溶膠0.4 μm顆粒的過濾效率為29%,按照EN 779—2012過濾器等級低于F7,且對大顆粒的過濾效率也降低,嚴(yán)重影響了機組安全性和經(jīng)濟性能。通過消靜電測試可以全面了解過濾器的過濾性能,檢驗是否符合設(shè)計時既定的選用要求,保證其滿足所在環(huán)境條件及燃氣輪機進氣質(zhì)量的要求,確保過濾器的使用性能及壽命。

4.3 采購抽檢及失效分析

國內(nèi)過濾器產(chǎn)品眾多,為了保證采購的產(chǎn)品滿足合同要求,切實保障燃氣輪機運行的安全性和經(jīng)濟性,應(yīng)加強采購抽檢。通過采購抽檢,用戶可以充分了解過濾器真實性能,避免以次充好和高價買低能產(chǎn)品,從而選擇優(yōu)質(zhì)過濾器,而且抽檢會迫使供貨商提高生產(chǎn)質(zhì)量,促進公平競爭,規(guī)范行業(yè)健康發(fā)展。對在運行的過濾器開展阻力、效率以及抗?jié)裥阅艿亩ㄆ跍y試,分析其當(dāng)前性能,可以判定過濾器是否失效。通過抽檢和失效分析,可有效避免過濾器使用時發(fā)生性能差異,出現(xiàn)進氣阻力異常等問題。

5 結(jié)論

高質(zhì)量進氣過濾系統(tǒng)可有效避免燃氣輪機發(fā)生葉片沖蝕、葉片結(jié)垢、堵塞冷卻通道和金屬腐蝕的問題,對燃氣輪機的安全高效運行有重要作用。過濾器是進氣過濾系統(tǒng)的基本單元,濾材對過濾器的運行性能有決定性作用。如果設(shè)計之初,未考慮燃氣輪機所處環(huán)境條件的差異性進行進氣過濾系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計或者濾材選擇不恰當(dāng),容易導(dǎo)致運行后進氣過濾系統(tǒng)出現(xiàn)阻力長期偏高、濕堵或者壽命偏短的問題。

以往是根據(jù)EN 779—2002對擬采購的過濾器進行標(biāo)準(zhǔn)試驗,測試內(nèi)容中未包含消靜電后的效率,導(dǎo)致在實際運行過程中,隨著過濾器靜電的消失,其性能下降,低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。建議根據(jù)EN 779—2012,在CNAS認(rèn)證的第三方實驗平臺上對擬新采購的過濾器進行標(biāo)準(zhǔn)試驗,除了測試其初阻力、終阻力、初始效率、平均計重效率、平均計數(shù)效率、容塵量、抗?jié)裥院臀聪o電效率等,增加對其消靜電后效率的測試,以選擇合適運行條件的過濾器。同時加強采購抽檢保障供貨質(zhì)量的穩(wěn)定性,并按時對在運行的過濾器進行失效分析,保證過濾系統(tǒng)的高效性能。推薦使用在EN 779—2012下達到F9級別及以上同時抗?jié)裥暂^好的過濾器。