燃气轮机进气过滤系统常见问题分析及应对

秦亚迪 郑大雷 徐立昊 秦 锋 曲东营 刘洪文

1. 中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心, 北京 100028; 2. 中海油深圳电力有限公司, 广东 深圳 518116

0 前言

天然气发电是一种清洁高效的能源利用方式,在京津、长三角和东南沿海等经济承受能力较强的地区发展迅速[1-2],燃气轮机作为燃气蒸汽联合循环的核心设备广泛应用于燃气电厂[3]。此外,燃气轮机在海上油气田电力供应[4-5]、LNG液化厂电力供应及压缩机驱动[6-7]、船舶动力[8]、长输管线增压站压缩机驱动[9]等场景也应用广泛。

燃气轮机是以空气和天然气为燃烧介质的定容设备,当燃气轮机在海上、沙漠或者沿海等场景应用时,空气温度、湿度、洁净度与燃气轮机的安全稳定运行密切相关。随着燃气轮机制造工艺精密化程度和热部件工作温度的提高,先进的燃气轮机对空气质量的要求也愈加严格。作为外界空气进入燃气轮机的唯一防线,进气过滤系统已从简单的固体颗粒过滤发展到成为固液颗粒去除和温湿度调节等功能一体化的重要辅助系统。

按照GB 3095—2012《环境空气质量标准》二类地区总悬浮颗粒物(TSP)年平均浓度限值200 μg/m3的规定，以二类地区某Siemens SGT5-4000F机组为例,在ISO工况下,按年利用小时数5 000 h计算,每年经过该燃气轮机进气过滤系统的TSP质量约2 000 kg,进气过滤系统重要性不言而喻。

1 空气污染物对燃气轮机的危害性

国内主要燃气电厂重型燃气轮机的进气系统参数统计见表1。燃气轮机进气过滤系统是机组叶片安全的重要保障,同时影响压气机功耗,对燃气轮机运行的安全性和经济性有直接影响。含有污染物颗粒的空气进入燃气轮机透平会严重影响叶片的使用寿命和机组安全性,燃气轮机对进气质量的基本要求见表2[10-11]。燃气轮机进气过滤系统的合理设计需满足以下要求:一是避免空气中的杂质对燃气轮机造成损伤;二是防止燃气轮机运行性能的降低。

表1 重型燃气轮机的进气系统参数表

表2 过滤器下游空气洁净度指标表

空气中的污染物对燃气轮机本体设备造成的主要损害形式有叶片冲蚀、叶片结垢、堵塞冷却通道和金属腐蚀等。

1.1 叶片冲蚀

重型燃气轮机涡轮转速3 000 r/min、轻型燃气轮机转速或高达12 000 r/min,轴向气流速度大于300 m/s,且压气机和涡轮间级间靠“篦齿”密封,“篦齿”间隙仅0.03 mm,如果5～10 μm或者更大的颗粒进入燃气轮机内部,会对流道内部金属表面造成冲击和磨损,降低金属的表面光滑度和疲劳强度,进而降低机组效率,甚至造成叶片损坏。

1.2 叶片结垢

轴流压气机结垢类型和速率取决于运行环境和进气过滤器的情况[12]。经验表明,结垢沉淀物的主要成分是湿气和油,并含有烟灰、水溶物、污垢和压气机叶片的腐蚀产物。细小颗粒(<2 μm)或空气中的水、油等黏性颗粒进入燃气轮机内部后附着在压气机和透平叶片表面,改变间隙,降低了叶片表面的转动平滑度,导致机组效率下降。

1.3 堵塞冷却通道

燃气轮机的高温部件运行温度为 1 400 ℃,任何材料都无法承受,需依靠“气膜”冷却[13],即抽取压气机尾部空气作为冷却介质带走热量,将温度维持在高温金属部件能够承受的水平。当空气过滤效率达不到要求时,结垢颗粒易熔融并粘附在冷却通道内表面等位置,造成堵塞,导致冷却效果降低,容易引发金属部件热力疲劳。

1.4 金属腐蚀

金属腐蚀分为冷腐蚀和热腐蚀[14]。冷腐蚀指污染物中的有机物和无机盐附着在压气机金属表面产生化学反应;热腐蚀发生在燃气轮机透平部分,污染物通过燃烧热熔后沉积在金属表面,导致材料被不断侵蚀。

2 燃气轮机过滤器及滤纸发展现状

2.1 燃气轮机过滤器介绍

燃气轮机进气过滤系统一般由防雨罩、过滤器、消音段、进气通道和进气室组成。高效率过滤器可以去除导致设备腐蚀、结垢和堵塞的小粒径颗粒,平均过滤效率>80%,常见类型为亚高效空气过滤器(EPA)、高效空气过滤器(HEPA)超小颗粒空气过滤器(ULPA)。EPA和HEPA对0.3 μm以上颗粒的过滤效率分别不低于85%和99.95%,ULPA对0.12 μm以上颗粒的过滤效率不低于99.999 5%[15]。为了减少过滤器频繁维护和更换,可以采用自清洁过滤器,通过连续监测压力损失,达到特定压差即触发反向脉冲空气去除高效滤筒表面吸附的灰尘,但增加了产生空气脉冲的电磁阀、压缩机等设备成本。大部分自清洁过滤器的材料为纤维,低粉尘环境中的颗粒可能渗透进过滤器纤维,而高湿度时纤维会吸收水分膨胀,两种情况下吸附的颗粒均难以通过反吹清除[16]。Jidenko N等人[17]研究出通过非热等离子体去除气溶胶的免维护、自清洁过滤器,对100～700 nm的气溶胶颗粒的平均质量和数量过滤效率分别为95%和87%。当前单级过滤器较难满足大部分的燃气轮机工作环境,尤其是污染物较多、湿度高的环境。因此在高效过滤器前增加预过滤器的多级过滤器逐步被燃气电厂使用[18]。预过滤器可以捕捉10 μm以上的固体颗粒,以延长高效过滤器的寿命,常见的预过滤器比如袋式过滤器,拥有更大的表面积可以降低压力损失。湿度较高时,固体过滤器会变潮湿从而降低性能,可以在预过滤器和高效过滤器的上级布置凝聚过滤器,除去水分和盐分以防腐蚀[17]。

2.2 滤纸发展现状

滤材是过滤器的关键部分,其透气量、抗湿性能和反吹复原率等直接影响过滤器的过滤效率、阻力等性能。进气过滤系统的滤纸已经发展到第四代产品:第一代,全植物纤维滤纸;第二代,非植物纤维复合滤纸;第三代,全非植物纤维滤纸;第四代,纳米纤维复合滤纸[19]。无论是环境适应性还是过滤性能,新一代滤纸的性能都比前一代滤纸有大幅提高。纳米纤维复合滤纸采用纳米纤维复合制成,直径以nm为单位,提高了滤纸过滤时的有效比表面积。同时,由于纳米纤维的直径与空气分子的平均自由程度相当,过滤过程中在其表面会出现滑流现象,导致纤维表面的气流流速不为零,提高纤维对亚微米颗粒的捕集效率,可有效提高滤纸的过滤效率[20-21]。

出于成本原因,国内燃气轮机滤芯仍使用全植物纤维滤纸。图1和图2分别为燃气电厂常用的混合纤维及覆膜纤维的电镜图片,覆膜纤维的优点:一是可以使燃气轮机污染的微粒(<5 μm)被有效阻止在滤芯外;二是表面阻止特性可确保反吹系统运行更高效。

图1 天然和人工的混合纤维图像Fig.1 Natural and artificial blended fiber

图2 覆膜纤维图像Fig.2 Coated fiber

3 进气过滤系统问题分析

3.1 过滤器湿堵问题

湿堵是指由于空气湿度增大导致系统过滤器运行阻力急剧增大的现象,常发生于海上或者沿海地区的燃气轮机。造成湿堵的原因有:过滤器的滤材抗湿性能较差,比如选用植物纤维滤材或其合成滤材,当纤维受潮变形后,积压纤维过滤孔隙,导致压力急剧上升;附着在过滤器表面的灰尘颗粒遇潮发生板结堵塞进气通道。当前主流覆膜过滤器的滤材,捕集的灰尘粒子位于纤维网表面而不是滤材深处,虽然有利于反吹性能,但遇湿时容易形成板结,导致过滤器失效。图3为覆膜滤纸截面SEM图像,可以看出滤芯的污染物绝大部分附着在滤芯表面,没有深入滤料内部,导致滤芯迅速失效。

图3 覆膜滤纸截面SEM图像Fig.3 SEM of filter paper section

3.2 使用寿命偏短

燃气轮机的过滤器使用寿命与过滤器种类、设计数量、天气因素、运行维护策略以及当地污染物成分有关。一般进气过滤器厂家承诺的进气精滤寿命为2 a,但实际运行中很难达到。主要原因：燃气电厂使用的过滤器数量偏少、单位负荷较重、运行阻力较大;其次是过滤器的型式和型号选择应当以燃气轮机机组所在地的气候和空气污染物数据分析作为依据,但目前国内燃气电厂均采用厂商统一设计参数的过滤器,没有进行特别优化和改进。

3.3 进气阻力异常

一般而言,在进气过滤系统整个生命周期内,阻力随运行时间增长呈现正常的上升曲线。但是,目前许多燃气电厂存在进气过滤系统阻力偏高和长期不变的异常情况。燃气轮机的压气机功耗占到透平出力的三分之二,进气过滤系统压损的增加会使压气机功耗显著增大,因此进气过滤系统压降对燃气轮机的出力和热耗影响很大。采用Thermoflex软件探索进气压差对燃气轮机出力和效率的影响,模拟计算结果及性能修正曲线见图4。通过分析可知,进气系统压差每增加100 Pa,燃气轮机热耗率相对增加0.06%,燃气轮机功率相对降低0.16%。

a)进气压差对燃气轮机相对热耗率的影响a)Effect of intake air presssure drop on relative heat ralte

进气过滤系统运行阻力偏大是多方面原因共同造成的,无法通过某一个改造措施迅速解决。因此,在燃气电厂设计初期就需要对进气过滤系统进行详细研究和全面现场测试,选择适合现场条件的进气过滤系统设计方案。

4 应对策略

进气过滤系统的问题通常是过滤器质量不合格和配置不合理等多种原因导致的。避免燃气轮机进气过滤系统湿堵、使用寿命偏短和进气阻力异常问题的对策有:对采购的过滤器进行抗湿性测试;按照标准EN 779—2012 Particulate Air Filters for General Ventilation-Determination of the Filtration Performance(以下简称EN 779—2012)对采购的过滤器进行消静电处理后的性能试验;完善过滤器抽检以及失效分析制度。

4.1 抗湿性测试

1)同等试验条件下,对燃气轮机进气过滤器进行抗湿性测试,其阻力随时间的变化见图5。120 min内,#1至#6过滤器阻力基本保持不变,#5过滤器阻力略有上升,其余过滤器阻力变化不大;120～180 min内,#4、#5过滤器阻力变化较明显,阻力呈现急剧或阶跃式增长,#6过滤器阻力以较小幅度缓慢升高,其余过滤器阻力基本保持不变。经横向对比分析可知,#1、#2和#3过滤器具有较好的抗湿性能。

图5 燃气轮机进气过滤器抗湿性能比较图Fig.5 Comparison of moisture tolerance of gasturbine intake air filter

2)进行抗湿性能测试,能够反应不同过滤器在高湿度运行环境下的优劣,避免使用过程中发生湿堵现象。高湿度地区的燃气电厂,需要选用抗湿性能较好的过滤器。

4.2 消静电测试

一般通风用空气过滤器的标准经历了50多年发展,大致分为欧洲体系、美国体系、国际体系和中国体系等四大体系。欧洲体系以EN 779为代表,为越来越多的人所接受。对某品牌筒式动态过滤器进行消静电处理后,按照EN 779—2012进行过滤器性能试验,结果见图6。

图6 筒式动态过滤器的消静电试验结果图Fig.6 Results of static elimination test on the cartridgedynamic filter

从图6可以看出，消静电前,过滤器对气溶胶0.4 μm颗粒的过滤效率为89%,按照EN 779—2012过滤器定级达到F9;消静电后,对气溶胶0.4 μm颗粒的过滤效率为29%,按照EN 779—2012过滤器等级低于F7,且对大颗粒的过滤效率也降低,严重影响了机组安全性和经济性能。通过消静电测试可以全面了解过滤器的过滤性能,检验是否符合设计时既定的选用要求,保证其满足所在环境条件及燃气轮机进气质量的要求,确保过滤器的使用性能及寿命。

4.3 采购抽检及失效分析

国内过滤器产品众多,为了保证采购的产品满足合同要求,切实保障燃气轮机运行的安全性和经济性,应加强采购抽检。通过采购抽检,用户可以充分了解过滤器真实性能,避免以次充好和高价买低能产品,从而选择优质过滤器,而且抽检会迫使供货商提高生产质量,促进公平竞争,规范行业健康发展。对在运行的过滤器开展阻力、效率以及抗湿性能的定期测试,分析其当前性能,可以判定过滤器是否失效。通过抽检和失效分析,可有效避免过滤器使用时发生性能差异,出现进气阻力异常等问题。

5 结论

高质量进气过滤系统可有效避免燃气轮机发生叶片冲蚀、叶片结垢、堵塞冷却通道和金属腐蚀的问题,对燃气轮机的安全高效运行有重要作用。过滤器是进气过滤系统的基本单元,滤材对过滤器的运行性能有决定性作用。如果设计之初,未考虑燃气轮机所处环境条件的差异性进行进气过滤系统的优化设计或者滤材选择不恰当,容易导致运行后进气过滤系统出现阻力长期偏高、湿堵或者寿命偏短的问题。

以往是根据EN 779—2002对拟采购的过滤器进行标准试验,测试内容中未包含消静电后的效率,导致在实际运行过程中,随着过滤器静电的消失,其性能下降,低于设定标准。建议根据EN 779—2012,在CNAS认证的第三方实验平台上对拟新采购的过滤器进行标准试验,除了测试其初阻力、终阻力、初始效率、平均计重效率、平均计数效率、容尘量、抗湿性和未消静电效率等,增加对其消静电后效率的测试,以选择合适运行条件的过滤器。同时加强采购抽检保障供货质量的稳定性,并按时对在运行的过滤器进行失效分析,保证过滤系统的高效性能。推荐使用在EN 779—2012下达到F9级别及以上同时抗湿性较好的过滤器。