金云峰，劉超*，鄧高峰，關(guān)運(yùn)龍，田鑫，黃海舟，蔣東翔

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓差建模方法研究

金云峰1，劉超1*，鄧高峰2，關(guān)運(yùn)龍2，田鑫3，黃海舟3，蔣東翔1

（1．清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京市 海淀區(qū) 100084；2．建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 朝陽(yáng)區(qū) 100013；3．華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030)

進(jìn)氣過濾系統(tǒng)中的進(jìn)氣壓差監(jiān)測(cè)和控制對(duì)保障燃?xì)廨啓C(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。將進(jìn)氣壓差分解為管道流動(dòng)壓差與過濾壓差2部分?；跈C(jī)理分析建立進(jìn)氣壓差與空氣流速之間的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)引入修正因子，考慮外界大氣環(huán)境以及過濾器容塵退化等其他因素對(duì)進(jìn)氣壓差的影響。利用空氣過濾器性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)所建立的進(jìn)氣壓差模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明壓差和各影響因素之間的關(guān)系與模型吻合較好。最后，通過結(jié)合進(jìn)氣壓差模型與燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)模型，分析進(jìn)氣壓差對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)過濾器臨近使用壽命時(shí)，異常環(huán)境因素對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的負(fù)面影響較新過濾器更為明顯。

燃?xì)廨啓C(jī)；進(jìn)氣過濾系統(tǒng)；過濾壓差

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是能源動(dòng)力領(lǐng)域常見的熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備，因具有熱效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)電、天然氣管道運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)具有廣泛應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部的工質(zhì)來源于從外界環(huán)境中吸入的大量空氣，而空氣中往往含有沙塵、鹽霧、煙霧等雜質(zhì)。以Siemens V94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)為例，其年均吸入顆粒物質(zhì)量可達(dá)2000kg[1]。如果空氣中的雜質(zhì)直接進(jìn)入主流道中，將造成葉片磨蝕、腐蝕、積垢、堵塞等多種類型的氣路故障，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率與熱效率下降[2-4]。同時(shí)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定裕度下降，嚴(yán)重情況下還會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)核心部件造成不可逆損傷[5-7]。因此，在地面用燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)前一般都會(huì)配有進(jìn)氣過濾系統(tǒng)，以去除進(jìn)氣空氣中的污染物，保持主流道中空氣的清潔。

進(jìn)氣過濾系統(tǒng)清除進(jìn)氣污染物的同時(shí)，也帶來了進(jìn)氣系統(tǒng)的額外阻力，使得壓氣機(jī)所“感受”到的進(jìn)口壓力下降。由布雷頓循環(huán)的熱力循環(huán)圖可知，壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力下降會(huì)造成循環(huán)輸出功率的降低。有研究[8]表明，進(jìn)氣壓差每升高1kPa會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率降低1.42%。且隨著燃?xì)廨啓C(jī)向高壓比、高透平進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，葉片氣動(dòng)外型更加精密，因此部件對(duì)于工質(zhì)的清潔程度要求也更高?，F(xiàn)代重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)中往往需要搭配2～3級(jí)的過濾器，從而造成較大的進(jìn)氣壓差損失[9-11]。另外，過濾器隨使用時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)因污染物的積累發(fā)生退化，在此期間空氣流動(dòng)阻力會(huì)逐漸升高[12-14]。若阻力過大，還會(huì)造成過濾介質(zhì)塌縮與密封失效故障。因此，建立燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓差模型，分析和評(píng)價(jià)進(jìn)氣壓差的各類影響因素，對(duì)于進(jìn)氣過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型、維護(hù)更換周期優(yōu)化等具有重要意義，也有利于更好地保障燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于進(jìn)氣壓差建模方法進(jìn)行了廣泛的研究。如李瑭珺等[15]建立了9E燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)損失解析模型，傅笑珊等[16]基于CFD數(shù)值仿真分析了進(jìn)氣速度與壓力損失之間的關(guān)系。但以上研究主要面向進(jìn)氣過濾系統(tǒng)中的管道流動(dòng)阻力，而未考慮過濾壓差的變化。過濾壓差建模在微觀尺度的研究成果較豐富，如考慮過濾介質(zhì)材料、褶皺結(jié)構(gòu)、間隙尺寸等[17-19]。周詩(shī)齊等[20]主要對(duì)過濾壓差建模開展了研究，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，考慮了過濾壓差與多種因素之間的關(guān)系。EKER等[21]建立了解析形式的過濾壓差模型，分析了不同容塵階段的壓差變化。ABDUL- WAHAB等[22]基于模糊邏輯模型，提出了過濾壓差的建模與預(yù)測(cè)方法。但在過去的研究中，從整體模型的角度考慮進(jìn)氣系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)在氣路上的耦合作用分析尚不充分。

進(jìn)氣系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)在氣路上的耦合作用體現(xiàn)于流量-壓差之間的耦合關(guān)系。一方面，進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣流量邊界條件由燃?xì)廨啓C(jī)的工況點(diǎn)決定。對(duì)于調(diào)峰機(jī)組或微型綜合能源系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)，其運(yùn)行工況點(diǎn)會(huì)隨負(fù)荷變化而移動(dòng)，從而造成進(jìn)氣空氣流量的顯著變化[23-24]。由于進(jìn)氣壓差與進(jìn)氣流量顯著相關(guān)，因此當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的工況點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，無法通過進(jìn)氣壓差的絕對(duì)數(shù)值判斷進(jìn)氣系統(tǒng)的退化狀態(tài)。另一方面，進(jìn)氣壓差決定壓氣機(jī)進(jìn)口壓力邊界條件，進(jìn)而影響燃?xì)廨啓C(jī)的工況點(diǎn)。因此對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)模型而言，相較于將進(jìn)氣壓差作為邊界條件，將進(jìn)氣壓差模型整合為系統(tǒng)的一部分更有利于提高燃?xì)廨啓C(jī)性能分析的準(zhǔn)確程度。

因此，本文提出一種燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓差建模方法，將進(jìn)氣壓差分解為管道流動(dòng)壓差與過濾壓差2部分，并考慮進(jìn)氣壓差隨燃?xì)廨啓C(jī)工況、環(huán)境以及過濾器退化等因素的影響。通過空氣過濾器性能試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)所建立的進(jìn)氣壓差模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)模型，分析進(jìn)氣壓差及其影響因素變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響。本文的研究工作對(duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)性能的狀態(tài)評(píng)估精度以及實(shí)現(xiàn)過濾器的按狀態(tài)維修具有實(shí)用價(jià)值。

1 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓差建模方法

1.1 進(jìn)氣過濾系統(tǒng)構(gòu)成

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)一般包含：防風(fēng)雨罩、過濾網(wǎng)、除水裝置、預(yù)過濾器與高效過濾器等。其安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

①—防風(fēng)雨罩；②—過濾網(wǎng)；③—除水裝置；④—預(yù)過濾器；⑤—高效過濾器。

圖1中的各個(gè)部件會(huì)對(duì)進(jìn)氣空氣流動(dòng)造成阻力，因此燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口處的壓力較環(huán)境壓力偏小，即存在進(jìn)氣壓差Din。Din可根據(jù)式(1)分解為2部分：

式中：Din為進(jìn)氣壓差，Pa；Dflow為管道流動(dòng)壓差，Pa；Dfiter為過濾壓差，Pa。

在一般情況下，管道流動(dòng)壓差與過濾壓差二者對(duì)總進(jìn)氣壓差的貢獻(xiàn)程度接近。但隨著過濾器使用時(shí)間的積累，過濾壓差會(huì)增長(zhǎng)為初始?jí)翰畹?～4倍。

1.2 管道流動(dòng)壓差

式中：1為無量綱常數(shù)，與進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的尺寸、形狀、粗糙度等參數(shù)有關(guān)；為空氣密度，kg/m3；為空氣流速，m/s。

需要說明的是，不同截面處的空氣流速可能因截面積不同而有所差異，但通過各個(gè)截面的質(zhì)量流量保持一致。因此可以選取為某一固定截面處的空氣流速，截面積的影響可整合至1中。后續(xù)過濾壓差中的空氣流速可用相同的方法進(jìn)行等效處理。

1.3 過濾壓差與空氣流速

過濾壓差與空氣流速的關(guān)系可以根據(jù)達(dá)西定律(Darcy's law)或福希海默定律(Forchheimer's law)[25]計(jì)算?？諝庠诹鹘?jīng)過濾介質(zhì)時(shí)，存在粘滯力、慣性力等多種阻力因素，且在不同過濾速度下的阻力表現(xiàn)有所差異。當(dāng)過濾速度較小時(shí)，粘滯力在滲流過程中占據(jù)主導(dǎo)因素，過濾壓差的計(jì)算遵從達(dá)西定律：

而當(dāng)過濾速度增大時(shí)，慣性力與粘滯力的量級(jí)相當(dāng)，此時(shí)過濾壓差在式(2)的基礎(chǔ)上引入平方項(xiàng)，表現(xiàn)為福希海默定律：

式中為無量綱常數(shù)，由過濾器尺寸參數(shù)決定。

在福希海默定律下，過濾壓差可表示為

式中：2為常數(shù)，m-1；2為無量綱常數(shù)，均與過濾器的尺寸結(jié)構(gòu)及狀態(tài)相關(guān)。

根據(jù)式(2)與式(5)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2類壓差與流速間的關(guān)系類似，均為二次多項(xiàng)式形式。

1.4 過濾壓差與環(huán)境因素

環(huán)境壓力amb與環(huán)境溫度amb的部分影響在式(2)與式(5)中已有所體現(xiàn)，其可通過影響空氣的密度或黏度等物性從而影響進(jìn)氣壓差。這里主要研究相對(duì)濕度與污染物濃度2類因素對(duì)過濾壓差的影響。

一方面，由于過濾介質(zhì)材料為濾紙或植物纖維等，具有一定的吸水性。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度過高時(shí)，過濾材料會(huì)吸水膨脹，進(jìn)而造成空氣流通面積減小，導(dǎo)致額外的進(jìn)氣壓差。在多雨季節(jié)，由于進(jìn)氣壓差突增導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)被迫調(diào)低負(fù)荷的現(xiàn)象稱為“濕堵”。另外，在環(huán)境溫度較低的季節(jié)和地區(qū)，空氣中的水分可能在過濾器內(nèi)部發(fā)生凝華，從而產(chǎn)生結(jié)霜等現(xiàn)象，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的進(jìn)氣壓力損失。

另一方面，模型中需考慮污染物濃度的影響。選取PM10質(zhì)量濃度作為污染物濃度的量化指標(biāo)，其依據(jù)在于，大氣氣溶膠體系中的粒子密度隨粒子尺寸的分布服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如榮格(Junge)譜分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布等[27]。另外，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的預(yù)過濾器用于捕捉大于10mm的固體顆粒[28]，該尺度與量化指標(biāo)相一致。在實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PM10質(zhì)量濃度升高時(shí)，過濾壓差同樣有所升高。因此，需要在過濾壓差模型中考慮相對(duì)濕度與污染物濃度2類因素的影響，可表達(dá)為

式中：rh為環(huán)境相對(duì)濕度，%；dc為環(huán)境PM10質(zhì)量濃度，mg/m3；Dfilter,r為rh=60%、dc=0mg/m3環(huán)境下的過濾壓差標(biāo)準(zhǔn)值。

1.5 過濾壓差與退化因素

過濾器容塵會(huì)導(dǎo)致過濾壓差的增大，舊過濾器的阻力往往是新過濾器的3倍以上，因此需要考慮過濾器退化因素的影響。可建立過濾壓差與退化因素之間的關(guān)系式：

1.6 進(jìn)氣壓差模型

綜合式(1)—(7)，即可建立完整的進(jìn)氣過濾系統(tǒng)進(jìn)氣壓差模型，表示為

根據(jù)式(8)分析得知，進(jìn)氣壓差的影響因素可分為3類獨(dú)立變量：工況因素，由燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)決定；環(huán)境因素amb、amb、rh與dc，由燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行期間所處大氣環(huán)境決定；退化因素di，由過濾器使用時(shí)間與容塵狀態(tài)決定。

2 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓差模型驗(yàn)證

通過開展空氣過濾器性能試驗(yàn)，以及收集實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組配套的進(jìn)氣過濾系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成進(jìn)氣壓差模型的驗(yàn)證。

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14295?2019[29]，開展空氣過濾器性能試驗(yàn)，用以驗(yàn)證式(5)中過濾壓差與空氣流速以及式(7)中過濾壓差與退化因素之間的關(guān)系。試驗(yàn)件中選擇了2個(gè)EN779-F9級(jí)精度的圓錐形反吹脈沖式過濾器。這2個(gè)過濾器的型號(hào)完全相同，但一個(gè)為新過濾器，另一個(gè)為實(shí)際機(jī)組中因達(dá)到使用壽命退役的舊過濾器。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

1—潔凈空氣入口；2—潔凈空氣進(jìn)口風(fēng)管；3—?dú)馊苣z發(fā)生裝置；4—被試過濾器前風(fēng)管；5—過濾前采樣管；6—被試過濾器；7—靜壓環(huán)；8—被試過濾器后風(fēng)管；9—過濾后采樣管；10—流量測(cè)量裝置；11—排氣段。

新、舊2個(gè)過濾器的過濾壓差試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3和圖4所示，其中實(shí)心點(diǎn)為試驗(yàn)測(cè)量值，曲線為根據(jù)式(5)擬合得到的函數(shù)曲線，同時(shí)還標(biāo)注了擬合公式與擬合度2。由于試驗(yàn)臺(tái)保持恒溫恒濕條件，因此空氣的密度與黏度等物性參數(shù)保持不變，統(tǒng)一歸并至系數(shù)中而未視為變量。

圖3 新過濾器性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4 舊過濾器性能試驗(yàn)結(jié)果

通過采集進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型中環(huán)境因素對(duì)過濾壓差的影響。圖5和 圖6中分別顯示了大氣相對(duì)濕度以及污染物濃度與過濾壓差之間的關(guān)系。

圖5 過濾壓差與大氣相對(duì)濕度關(guān)系

圖6 過濾壓差與大氣污染物濃度關(guān)系

從圖5可以看到，在相對(duì)濕度低于60%時(shí)，過濾壓差不受濕度變化的影響。而當(dāng)相對(duì)濕度接近100%時(shí)，過濾壓差迅速增長(zhǎng)，且增大的倍數(shù)與環(huán)境溫度有關(guān)?？紤]到空氣流經(jīng)過濾器時(shí)有2℃左右的溫降，當(dāng)環(huán)境溫度高于2℃時(shí)，水蒸氣會(huì)在過濾器內(nèi)結(jié)露，最大壓差為正常值的1.4倍，如圖5中實(shí)線所示；而當(dāng)環(huán)境溫度低于2℃時(shí)，水蒸氣會(huì)發(fā)生結(jié)霜，最大壓差可達(dá)到正常值的2倍，如圖5中虛線所示。

從圖6可以看到大氣污染物濃度對(duì)過濾壓差的影響。由于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組并未配有專用的大氣污染物濃度測(cè)量裝置，PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)采集自當(dāng)?shù)氐臍庀笳?，因此與機(jī)組所處地區(qū)的實(shí)際數(shù)值可能存在一定差異?；谄栠d(Pearson)相關(guān)性分析，計(jì)算可得PM10質(zhì)量濃度與相對(duì)壓差之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.56，假設(shè)機(jī)率值為0.0037。因此可以得出結(jié)論：過濾壓差與大氣污染物濃度之間存在較強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，且二者間為正相關(guān)，即污染物濃度升高會(huì)導(dǎo)致過濾壓差的增長(zhǎng)。相比于清潔空氣，當(dāng)PM10質(zhì)量濃度達(dá)到200mg/m3時(shí)，過濾壓差增幅可達(dá)12%?？紤]到我國(guó)北方地區(qū)沙塵天氣時(shí)有發(fā)生，極端情況下瞬時(shí)PM10質(zhì)量濃度可能超過10000mg/m3，對(duì)于進(jìn)氣壓差以及過濾器壽命的影響將是顯著的。

圖5與圖6中基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成了過濾壓差與大氣相對(duì)濕度及污染物濃度等因素之間的函數(shù)關(guān)系擬合。從定性的角度而言，過濾壓差與2類因素之間的正相關(guān)性同樣適用于其他類型的過濾器，且與文獻(xiàn)[20-22]中的結(jié)論相一致。

3 進(jìn)氣壓差對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響分析

根據(jù)所建立的進(jìn)氣壓差模型，通過整合至燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)模型中，并考慮環(huán)境因素、退化因素等變量的影響，可以分析進(jìn)氣壓差對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響。

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)模型

3.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)部件構(gòu)成

選取單軸燃?xì)廨啓C(jī)為對(duì)象，建立其穩(wěn)態(tài)條件下的熱力系統(tǒng)模型。其部件構(gòu)成如圖7所示。輸

圖7 單軸燃?xì)廨啓C(jī)部件構(gòu)成

入變量為進(jìn)氣壓差，輸出變量為燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)，如燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率、壓氣機(jī)出口壓力co以及透平出口溫度to等。

3.1.2 壓氣機(jī)模型

壓氣機(jī)的進(jìn)口壓力ci受進(jìn)氣壓差的直接影響，可表示為

壓氣機(jī)的壓比由壓氣機(jī)特性以及進(jìn)口條件決定，可表示為

根據(jù)式(10)可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣壓差變化會(huì)對(duì)壓氣機(jī)折合流量造成影響，進(jìn)而造成壓比的改變。由于壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)通常對(duì)應(yīng)最大壓比位置，因此進(jìn)氣壓差增大會(huì)導(dǎo)致c減小。此時(shí)壓氣機(jī)出口壓力co可通過下式計(jì)算：

根據(jù)式(9)—(11)可知，進(jìn)氣壓差增長(zhǎng)將導(dǎo)致壓氣機(jī)出口壓力下降。

3.1.3 透平模型

透平膨脹比t由透平進(jìn)口壓力ti與透平出口壓力to之比計(jì)算，即

式中t為透平膨脹比。

當(dāng)進(jìn)氣壓差增大時(shí)，to保持不變，ti則由于co下降而下降。因此，t隨進(jìn)氣壓差增大而減小。

對(duì)于透平出口溫度to，其同時(shí)受透平膨脹比t、透平進(jìn)口溫度ti、透平效率t以及燃?xì)鉄嵛镄缘榷喾N因素的影響。根據(jù)多變過程可計(jì)算to如下：

式中為膨脹過程的多變指數(shù)。

在初步分析中，假設(shè)ti與不受進(jìn)氣壓差變化影響。因此綜合式(12)與式(13)可知，to隨進(jìn)氣壓差增大而升高。

3.1.4 輸出功率模型

根據(jù)壓氣機(jī)模型與透平模型可知，當(dāng)進(jìn)氣壓差增大時(shí)，壓比與膨脹比減小，因此造成t與c同時(shí)減小。在相同壓比(膨脹比)變化幅度下，由于透平內(nèi)的平均溫度更高，因此t的下降幅度更大。根據(jù)式(14)，即可定性分析出燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率隨進(jìn)氣壓差增大而減小。

3.2 進(jìn)氣壓差對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響的定量計(jì)算

在3.1節(jié)中，定性地分析了在通用的燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)模型下，進(jìn)氣壓差變化對(duì)性能參數(shù)的影響。由于這種影響也與部件特性、工況變化等因素相關(guān)，因此定量計(jì)算需結(jié)合具體的型號(hào)與工況開展。

本節(jié)中所研究的燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)模型對(duì)象為Siemens V94.2型燃?xì)廨啓C(jī)。大氣不同相對(duì)濕度、污染物濃度以及過濾器退化條件下，進(jìn)氣壓差對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響如圖8所示。性能參數(shù)選擇燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率、壓氣機(jī)出口壓力co以及透平出口溫度to三種類型，其余環(huán)境變量與輸入變量固定為設(shè)計(jì)工況。

圖8 進(jìn)氣壓差對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響

由圖8可見，在正常環(huán)境條件下，舊過濾器因退化而導(dǎo)致進(jìn)氣壓差增大，進(jìn)而造成燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率與壓氣機(jī)出口壓力降低、透平出口溫度升高。該結(jié)果與3.1節(jié)中的定性分析結(jié)果相一致。在異常環(huán)境條件下，對(duì)于新過濾器，燃?xì)廨啓C(jī)性能并未發(fā)生明顯改變；而對(duì)于舊過濾器，退化因素的疊加會(huì)明顯放大異常環(huán)境的負(fù)面影響，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)性能明顯下降。通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在過濾器臨近使用壽命時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)性能更容易受異常環(huán)境因素影響，這與上述分析吻合。

4 結(jié)論

本文主要研究了一種燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)進(jìn)氣壓差的建模方法。研究結(jié)論如下：

1）通過開展空氣過濾器性能試驗(yàn)以及收集燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了風(fēng)速、相對(duì)濕度與污染物濃度等外部因素對(duì)進(jìn)氣壓差的影響。

2）過濾器退化造成的過濾壓差的增長(zhǎng)是導(dǎo)致進(jìn)氣壓差增長(zhǎng)的重要內(nèi)部因素。在過濾器臨近使用壽命時(shí)，過濾壓差受粘滯力主導(dǎo)，其與風(fēng)速之間的函數(shù)關(guān)系近似為一次函數(shù)。

3）通過研究進(jìn)氣壓差對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在退化因素疊加的作用下，燃?xì)廨啓C(jī)性能更容易受異常環(huán)境因素的影響。

4）文中得到的定量函數(shù)關(guān)系適用于所研究的具體型號(hào)的過濾器。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)需要開展相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集與分析，以提升進(jìn)氣壓差建模精度。

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Research on Modeling Method of Gas Turbine Inlet Pressure Loss

JIN Yunfeng1, LIU Chao1*, DENG Gaofeng2, GUAN Yunlong2, TIAN Xin3, HUANG Haizhou3, JIANG Dongxiang1

(1. Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 2. State Key Laboratory of Building Safety and Environment, Chaoyang District, Beijing 100013, China; 3. Huadian Electric Power Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China)

In order to ensure the safe and economic operation of gas turbine, it is of great significance to control the inlet pressure loss in the inlet filtration system. This paper divided the inlet pressure loss into two parts: pipeline flow loss and filter pressure loss. The function relationship between the inlet pressure loss and air velocity was established based on the mechanism analysis, and correction factors were introduced to consider the influence of external atmospheric environment and filter degradation. Then, the model was verified through the performance experiment of air filter and the collection of field data, which shows that the relationship between inlet pressure loss and the influencing factors is in good agreement with the model. Finally, by combining the thermodynamic system model of gas turbine, the influence of inlet pressure loss on gas turbine performance was analyzed. The results show that when the filter is near the service life, the negative effect of abnormal environmental factors on the output power of gas turbine is more obvious than that of the new filter.

gas turbine; inlet filtration system; filter pressure loss

2021-04-27。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21043

TK 14

Project Supported by National Key R&D Program of China (2019YFF0216103, 2019YFF0216104).

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)(2019YFF0216103,2019YFF0216104)。

(責(zé)任編輯 楊陽(yáng))