梁 飛 王 恒

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司)

某公司采用三菱公司的150 MW改進型701S(DA)X燃氣輪機組，整體循環(huán)效率達到47%。該低熱值燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組將煤氣與空氣壓縮至1.4～1.5 MPa，通過燃燒室燃燒產(chǎn)生的高溫高壓煙氣，推動燃機透平膨脹做功。燃氣輪機對空氣的潔凈度要求非常高，良好的空氣質(zhì)量可延長空氣壓縮機可調(diào)靜葉及第一級動葉的檢修周期，保證機組性能和運行可靠性。

作為外界空氣進入燃機系統(tǒng)的唯一防線，進氣過濾系統(tǒng)的選擇十分重要，該公司地處唐山渤海灣曹妃甸港附近，屬于典型北方沿海氣候。每年5月至9月的夏季高濕度季節(jié)，11月至次年1月的大霧季節(jié)，會多次出現(xiàn)導致過濾器差壓急劇升高的濕堵現(xiàn)象。

進氣系統(tǒng)濕堵將直接開啟701S(DA)X型燃機機組空氣旁路門，大量未經(jīng)過濾的空氣直接進入空氣壓縮機，造成機組運行安全隱患。文章將針對進氣過濾系統(tǒng)的設計及出現(xiàn)的問題進行分析及優(yōu)化。

1 燃機進氣過濾系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 燃機進氣系統(tǒng)概述

該公司燃機空氣過濾系統(tǒng)設計為兩級過濾，如表1所示。

表1 空氣過濾系統(tǒng)參數(shù)

經(jīng)過兩級過濾后，空氣中直徑≥0.3 μm的灰塵顆粒有99.99%留在了兩級濾芯上，使進入燃機的空氣十分潔凈，延長了燃機空壓機葉片使用壽命。

一級脈沖過濾器共配備了12段反吹壓縮空氣管道，通過極短時間從濾芯內(nèi)部噴射壓縮空氣的方式，使濾芯振蕩，將附著在濾芯表面的灰塵脫除。每段反吹空氣管道含12個分支，由144個電磁閥控制反吹，每次反吹有6個電磁閥開啟，持續(xù)約100 ms，按由上到下順序進行。通過反吹能夠一定程度延長脈沖過濾器使用壽命。

隨著機組運行時間增加，濾芯中的灰塵增多，兩級過濾器的差壓都有不同程度的上升。為保證機組安全，過濾房單側設3個空氣旁路門，當過濾器差壓總和達到2.05 kPa時，空氣旁路門受外部空氣壓力作用打開，保證機組進氣壓力小于2.05 kPa，防止空氣阻力過大、空氣進氣量過低，影響燃機冷卻空氣量，損傷燃機葉片。但在空氣旁路門開啟狀態(tài)下，大量未經(jīng)過濾的空氣進入燃機，長期運行可能會造成空壓機葉片結垢、降低性能，嚴重情況下甚至會造成葉片損傷。

所以當任一級濾芯差壓超過設計終阻力時，都需要更換濾芯。

此機組空氣系統(tǒng)的設計充分考慮了空氣過濾器使用效果，以及在異常狀況下的應對措施，能夠保證燃機在環(huán)境適宜的情況下長期穩(wěn)定運行。

1.2 燃機進氣系統(tǒng)實際狀況

由于不同機組所處環(huán)境不同，在實際運行過程中，濾芯的使用壽命也不同。在沿海地區(qū)，受夏季及秋季持續(xù)高濕天氣影響，燃機空氣過濾器濾芯易發(fā)生濕堵，差壓上升變快，濾芯壽命縮短。此機組中一級脈沖濾芯直接接觸大氣。當大氣濕度持續(xù)高于90%時，兩級濾芯差壓變化如表2和表3所示。

表2 一級脈沖過濾器濾芯高濕天氣差壓變化

表3 二級HEPA過濾器濾芯高濕天氣差壓變化

從表2、3可以看出，在濾芯使用過程中，前期濾芯差壓較低時，大氣濕度持續(xù)升高對濾芯差壓影響很??；后期當濾芯使用達到設計終阻力80%以上時，大氣濕度升高會造成濾芯差壓急劇上升。

造成此現(xiàn)象的原因主要為濾芯濕堵。即在大氣濕度升至80%以上時，濾芯差壓在3～6 h內(nèi)急劇上升，而當大氣濕度降至80%后，濾芯的差壓可降至濕堵發(fā)生前的狀態(tài)。

通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，當大氣濕度持續(xù)高于90%時，脈沖過濾器濾芯運行差壓達到0.78 kPa的運行時間為4 000 h，HEPA過濾器濾芯運行差壓達到0.679 kPa的運行時間為10 000 h，濾芯差壓超過濾芯設計的終阻力1.0 kPa，為保證機組正常運行，需要更換濾芯。在同類型其他機組

使用過程中，一級濾芯使用壽命8 000 h，二級濾芯使用壽命16 000 h。

2 燃機進氣過濾系統(tǒng)分析

2.1 進氣濾芯差壓急劇上升原因分析

燃機空氣濾芯主要材質(zhì)為木漿纖維，是一種多孔介質(zhì)材料，空氣流通量受局部阻力影響。當遇到高濕天氣時，濾芯局部阻力增加，差壓增加，空氣流通量降低，發(fā)生濕堵。

濕堵主要原因為：

(1)過濾器材料含有吸水性較強的木漿纖維，吸水膨脹，擠壓纖維間孔徑，會降低流通面積；

(2)黏附在過濾器中的部分污染物受潮體積膨脹，降低了濾材的流通面積；

(3)濾紙受潮后強度降低，造成濾紙粘連或塌陷，氣體流通面積降低，過濾器阻力增加。

根據(jù)表2、3數(shù)據(jù)可知，濾芯使用前期，濾芯日常差壓在終阻力50%以下時，濕堵對濾芯影響較??；隨著濾芯使用時間增加，當濾芯日常差壓超過終阻力50%時，濕堵對濾芯的影響將逐漸增大。

前期濾芯污染物較少時，僅由濾芯本身材質(zhì)吸水膨脹降低流通面積，造成濾芯差壓變化不明顯；當濾芯內(nèi)污染物達到一定數(shù)量后，污染物受潮體積膨脹，同時濾芯本身材質(zhì)吸水膨脹降低流通面積，局部阻力增加明顯，濾芯差壓增加顯著。所以，濾芯內(nèi)污染物受潮膨脹是濕堵后差壓急劇升高的關鍵因素，濾芯本身材質(zhì)吸水膨脹為次要因素。

2.2 濕堵對進氣濾芯壽命影響

非沿海地區(qū)同類型機組濾芯使用壽命及差壓變化情況為：一級脈沖過濾器約8 000 h，差壓總變化Δp=pz-pc=1.0-0.12=0.88 kPa，月平均差壓增加量=0.88÷8 000×720=0.079 kPa；二級HEPA過濾器約16 000 h，差壓總變化Δp=pz-pc=0.75-0.2=0.55 kPa，月平均差壓增加量=0.55÷16 000×720=0.024 7 kPa。

該北方沿海地區(qū)機組實際差壓變化情況見表4和表5。

表4 一級脈沖過濾器不同月份差壓變化

表5 二級HEPA過濾器不同月份差壓變化

可以看出，月平均濕度與濾芯差壓增長呈正相關趨勢，當空氣月平均濕度超過70%時，一級脈沖濾芯平均差壓增長超過0.12 kPa，二級HEPA濾芯平均差壓增長超過0.05 kPa，增長量超過非沿海地區(qū)機組濾芯差壓增長量的一倍。

在濾芯運行過程中，雖然高濕天氣過后大氣濕度降低使濾芯差壓恢復到高濕天氣之前的差壓，但持續(xù)高濕天氣會提高濾芯差壓增長幅度。當連續(xù)發(fā)生濕堵時，濾材吸水膨脹和濾紙粘連或塌陷，造成了濾材一定程度的不可逆損壞，縮短了濾材使用壽命。

考慮到在平均濕度較高月份，濾芯達到終阻力80%以上時，濾芯差壓會隨著濕度增加而大幅度升高，所以濾芯在高濕月份前需要滿足一級脈沖過濾器差壓<0.8 kPa，二級HEPA過濾器差壓<0.6 kPa。

北方沿海地區(qū)每年6月至8月及11月至次年1月平均濕度較高，一級濾芯運行6個月后差壓=0.12+0.6=0.72 kPa，接近設計終阻力的80%(0.8 kPa)，所以一般在4月和10月對一級濾芯進行更換，保證機組進入高濕天氣前為新濾芯。二級濾芯運行12月后差壓=0.2+0.19×2=0.58 kPa，達到設計終阻力的80%(0.6 kPa)，每年10月進行更換。

由于持續(xù)高濕天氣造成差壓變化增加，產(chǎn)生濕堵，目前一級濾芯壽命為4 000 h，二級濾芯壽命為8 000 h。

3 沿海CCPP機組空氣系統(tǒng)解決方案研究

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化方式

國內(nèi)延長CCPP機組燃機空氣濾芯壽命主要方式為增加一級初過濾系統(tǒng)，即在脈沖過濾器前增加一套等級較低、費用較便宜的國產(chǎn)濾芯，并縮短該套濾芯更換周期。一般過濾等級為F5。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇板框式或布袋式。其主要設計原理為：

(1)通過增加初級濾芯過濾空氣中顆粒較大雜質(zhì)，減少進入原F9脈沖過濾器濾芯的灰塵，降低后續(xù)濾芯的差壓變化，延長濾芯壽命，降低更換頻率，節(jié)約成本。

(2)在高濕天氣下，木纖維結構材質(zhì)的濾芯可吸收一定量水分，降低進入后續(xù)濾芯的空氣濕度，避免后續(xù)濾芯差壓的快速上升。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化條件

雖然通過增加初級濾芯可延長原脈沖過濾器濾芯和HEPA濾芯的使用壽命，但也增加了燃機空氣進口阻力，燃機空氣濾芯阻力增加100 Pa，燃機輸出功率減少0.16%。

考慮發(fā)電成本，在每個更換周期內(nèi)，要求每月新增初級濾芯增加阻力要小于等于每月后續(xù)過濾芯減小的阻力。

(PF5終-PF5初)/MF5≤(0.6 kPa÷6-0.88 kPa /MF9)+(0.19 kPa÷6-0.55 kPa/MH13)

式中：PF5終為新增初級濾芯終阻力，一般為0.05kPa；PF5初為新增初級濾芯初阻力，一般為0.2kPa；MF5為新增初級濾芯運行月數(shù)；MF9為新增初級濾芯后脈沖過濾濾芯運行月數(shù)；MH13為新增初級濾芯后HEPA過濾濾芯運行月數(shù)；0.88 kPa和0.55 kPa為2.2中的Δp。

同時，以增加初級濾芯的成本為代價，減少進口脈沖過濾器濾芯和HEPA濾芯的更換，也會帶來經(jīng)濟效益。因環(huán)境不同，更換周期也不同，需根據(jù)實際情況計算經(jīng)濟效益。

4 結語

通過CCPP機組在北方沿海環(huán)境下燃機空氣進氣系統(tǒng)實際運行狀況，分析出濾芯濕堵是影響濾芯使用壽命的主要原因。濾芯在接近使用壽命上限時，濕堵將造成濾芯差壓急速升高。同時，長期高濕天氣將縮短濾芯的使用壽命。

通過分析濾芯濕堵的原因，提出解決濕堵問題的優(yōu)化方向，并根據(jù)運行成本和設備成本，提出新增一套初級濾芯的理論依據(jù)。

目前項目正在考察期，對進氣系統(tǒng)的優(yōu)化效果將根據(jù)實際情況做出進一步分析。