重型燃气轮机空气质量保障系统使用情况综述

文_徐婷婷 白云山 郝建刚 华电电力科学研究院有限公司

空气质量保障系统是燃气轮机必不可少的辅助系统之一，作为外界空气进入燃机的唯一一道防线，空气质量保障系统通过过滤、除湿等措施为燃气轮机提供满足要求的清洁空气。因此，提高燃气轮机进气洁净度水平，优化空气质量保障系统配置、提高其运行和维护水平具有重要意义。同时，由于环境对燃机进气系统的过滤器影响较为明显，因此本次调研选取的燃气轮机发电机组所在地包括干燥寒冷的京津地区、温暖湿润的江浙沪地区和炎热多雨的珠三角地区，同时兼顾了油气污染物较多的工业环境地区和沙尘、昆虫较多的乡村地区环境。

1 燃气轮机空气质量保障系统基本配置情况

目前国内已投运的燃气轮机空气质量保障系统主要有静态式、自清式，以及静态式和自清式混合使用等型式。本次调研的燃气轮机空气质量保障系统以自清式为主，共有28台，占比93%，但大多数处于江浙沪区域，在这些区域选择自清式过滤器的合理性还有待进一步研究。除基本型式，过滤面积、过滤精度和滤芯数量等参数对过滤系统的实际过滤效果至关重要。

1.1 过滤面积

过滤面积是指过滤材料的面积，而不是过滤器的面积，过滤材料的面积经常是过滤器迎风面积的数十倍。如果通过过滤材料的气流速度相同，过滤材料的面积越大，通过的风量也越大。因此，从使用效果来讲，过滤面积越大越好，但在过滤器初期设计中，部分采购方更注重初始投资成本，没有综合考虑过滤器的实际使用效果和后期维护成本，导致过滤系统投运后问题频发。经验表明，对于同种结构、同一滤材的过滤器，当终阻力确定时，过滤面积增加50%，过滤器的使用寿命可延长70%～80%，当过滤面积增加1倍时，过滤器的使用寿命会是原来的3倍左右。

天津某电厂的GE 9E型燃气轮机采用的是唐纳森自清式过滤系统，过滤级数为一级，共460组精滤滤筒。由于在初期的选型设计中，没有充分考虑到当地环境条件对过滤系统的影响，导致该燃气轮机发电机组投运后，过滤系统问题频发，尤其是在冬季气温降到0℃以下时，加之雾霾天气的作用，过滤器在短时间内压差迅速达到报警值，并伴随滤筒表面的结冰现象。经过改造，增加了184组滤筒，并在精滤滤筒前增加一级M6的粗滤，情况才得以改善。

1.2 过滤效率

空气过滤器的“过滤效率”是指通过该过滤器被捕捉的粉尘量与原空气含尘量之比。目前，国内燃气轮机空气质量保障系统过滤效率的分级普遍采用欧洲EN779标准，该标准规定了用于测定过滤器过滤效率的仪器、测试步骤和分级准则，并规定在达到试验终阻力前各容尘阶段对0.4μm粒子过滤效率的加权平均值即为过滤效率。

广东某电厂的燃气轮机为M701F，该燃气轮机过滤系统为两级过滤，无反吹，第一级粗滤的过滤等级为G4，第二级精滤的过滤等级为F8。在实际运行中，燃气轮机进气过滤系统效率偏低，对粒径小于0.4μm的颗粒过滤效果不理想，压气机结垢现象非常明显，严重影响机组的发电效率，并且经常导致机组提前进入温控保护，限制最大出力。经过改造，更换了第一级粗滤的滤材，将其过滤等级由G4提升至F6级，同时将第二级精滤的过滤等级由F8改为E11级，使其对0.4μm颗粒的初始过滤效率达到96%以上，比原过滤器提升了59%。改进后该空气质量保障系统的过滤效率明显提升，压气机水洗间隔变长。运行一年后，对压气机内部流道和叶片进行检查，几乎未见黑色污垢沉淀物。虽然改造后由于过滤效率的提升，过滤器阻力有不同程度的升高，但总体来看，此次技术改造提高了整套联合循环机组的发电效率。

2 燃气轮机空气质量保障系统辅助配置情况

通常情况下，过滤系统的几种基本配置能够有效去除空气中的固体颗粒，但遇到较为恶劣的环境，如雾霾、严寒和雨雪等天气状况时，还需要根据燃气轮机发电机组自身的结构特点、运行方式和当地的气候条件增加额外的配置，如除冰系统、进气加热、进气冷却系统和除湿系统等，以保障燃气轮机发电机组的正常运行。

2.1 除冰系统

在我国很多地区，燃气轮机空气质量保障系统在冬天常常发生结霜结冰现象。该现象一旦发生，不仅使燃气轮机很难继续运行，而且极易发生“吞冰”危险，进而打伤压气机叶片，导致昂贵的维修费用。空气质量保障系统结冰现象涉及的因素较多，在设计和配套时很容易被人们所忽略。

为了避免空气质量保障系统出现结冰现象，设计配套合适的加热系统是最为根本的办法。只要在冬天易发生大雾或霜冻的地区，燃气轮机空气质量保障系统都应考虑配备加热防冰装置。目前，加热装置的型式主要有三种：第一种是电加热或蒸汽暖管加热，这种方式较为简单，通常应用在空气质量保障系统改造中；第二种是在冬季将燃气轮机箱体通风出口的热空气引向空气过滤器入口，以提高燃气轮机进气温度，箱体通风空气出口的热量足以加热燃气轮机进气；第三种是将压气机的一部分高温高压空气适时地引入到空气质量保障系统入口处，这种方法要牺牲一定的燃气轮机功率和热效率。

经统计，本次所调研的未装有防冰系统的机组共26台，占比86%，这对燃气轮机的安全运行造成了很大的威胁。GE的燃气轮机空气质量保障系统大多数都配备了IBH加热系统，IBH加热系统对防止消音器和进口导叶处结冰结霜较为有效，但因其布置在精滤后，处在滤芯的下游，因此不能有效地解决滤芯的结冰问题。

2.2 除湿系统

沿海地区空气湿度大，空气中的水分对滤芯的抗湿性能要求很高，通常需要为空气质量保障系统配备一级除湿系统。常见的除湿器有两种型式，即百叶窗型物理除湿器和凝聚式除湿器。百叶窗型物理除湿器是一种撞击式气水分离器，依靠其特有的流线设计使气流沿除湿器规定的通道流动，当流道方向改变时，在惯性力作用下气流中的水滴撞击到除湿器的钩状面上，并在此聚集形成水膜，在重力作用下沿钩状槽流出，从而达到除湿的目地。凝聚式除湿器主要通过编织紧密的合成树脂玻璃纤维丝来吸收潮湿空气中水分。一般情况下，百叶窗型除湿器对大水滴的隔离能力较强，但遇到空气中含有的较小水滴时，除湿效率会降低。凝聚式除湿器对小水滴过滤效果较好，但在恶劣的天气状况下，压差上升很快，更换周期较短。在较为潮湿的地区，为了达到更好的除湿效果，可以选择两种除湿方式结合使用。

目前国内空气洁净度相对较低，来自工业排放和汽车尾气的污染物，会在过滤器表面甚至压气机叶片表面形成一层黑色黏性物质。对于自清式过滤器，如果没有预过滤，仅仅靠压缩空气的反吹作用，很难将其吹落，导致过滤器压差短时间内升高，最终只能更换过滤器，费用昂贵。

经统计，本次所调研的空气质量保障系统未装有除湿装置的机组共13台，占比43%。在未装有除湿装置的自清式过滤器中，只配置一级滤筒的燃气轮机共11台，占比84%，从配置上来看，这些燃气轮机发电机组存在较为严重的安全隐患。

2.3 进气冷却系统

燃气轮机入口空气冷却技术可在高温气候环境下，通过降低入口空气温度，提高单位时间吸入的空气质量流量，增加燃气轮机出力，提高效率，达到提高经济性的目的。对于重型燃气轮机而言，夏季将35℃的空气冷却至15℃，理论上在简单循环中至少可增加燃气轮机出力11%左右。入口空气冷却技术经过二十年的发展，在国内外的不同气候条件、不同机型上已有多种不同的冷却技术被应用，经过长期运行经验，各种不同技术表现出不同的适应性和优缺点，目前主要的技术手段有直接接触和间接接触两大型式。

2.4 防鸟和柳絮装置

结构较为简单，布置在防雨装置之后，过滤系统之前。在沿海地区，因空气中盐分含量较高，因此防鸟和柳絮装置中的金属部分的防腐性能应该重点考虑，如使用不锈钢或热镀锌工艺。本次调研的空气质量保障系统中未配备防鸟和柳絮装置的共有9台，占比30%。

3 燃气轮机空气质量保障系统存在的主要问题

3.1 过滤系统以自清式居多

本次调研的过滤系统自清式占比93%，且大部分为单级设计。自清式过滤系统主要适用于空气干燥地区，当过滤器两端压差过大时，利用反吹装置吹掉过滤器表面的灰尘。江浙沪大部分属于沿海地区，空气湿度较大，加上由工业和汽车尾气排放的油雾、硫化物等黏性较高、腐蚀性较强物质的作用，导致滤芯表面极易结垢，反吹空气难以将其吹落，反吹效果不明显。

3.2 各级过滤器的过滤效率选择不合理

通常情况下，过滤器的末级决定空气的洁净程度，上游过滤器的作用是保护下级过滤器。若相邻两级过滤器的效率规格相差过大，则前一级起不到保护后一级的作用，若相差过小，则后一级负担太小，不能充分利用其过滤性能。通常合理的配置是每隔2～4档设置一级过滤器，按欧洲现行的过滤器效率分级标准，如末级使用F9过滤器，则前一级可选用F6级。江浙沪地区的燃机空气质量保障系统以G4-F8或G4-F9配置方式为主，两级之间过滤效率相差较大，对过滤器的过滤效果和使用寿命造成不利影响。

3.3 各个燃气轮机空气质量保障系统的配置相差较大

即使在同一地区，各空气质量保障系统在滤芯数量、过滤精度、过滤系统级数、进气加热系统和防柳絮装置等方面的配置不尽相同，表明在空气质量保障系统的初期选型过程中缺乏合理的规划。因空气质量保障系统在机组投运后改造的空间较小，而新建电厂往往对特殊要求考虑不周，从而造成对其后期运行维护成本的上升，甚至会影响机组的正常运行。因此，综合考虑过滤系统的特殊配置要求，形成规范化的选型方案，对于选择合适的过滤系统，减少后期的维护费用具有重要意义。

3.4 空气质量保障系统易水堵

江浙沪地区因湿度较大，并且有近一半机组未配备除湿系统，空气质量保障系统容易出现水堵现象，降低过滤系统的过滤效果，进而影响机组的正常运行。

3.5 空气质量保障系统易结冰

京津冀地区冬天气温较低，雾霾严重，有些未配备除冰系统的空气质量保障系统经常出现结冰现象。其中，天津某机组在2016年空气质量保障系统曾结冰数次，江苏某机组也出现过轻微结冰现象。本次调研中，共有86%的燃气轮机的空气质量保障系统未配备除冰系统，存在一定程度的安全隐患。

3.6 维护成本高、滤芯压差增长趋势异常、产品良莠不齐

本次调研的空气质量保障系统大部分精滤滤芯的更换周期在2000～4000h，时间间隔偏短，增大了机组的运行维护成本；个别空气质量保障系统的滤芯压差增长趋势异常，主要表现为先增长，反吹后稳定不再增长，可能是由于滤材过滤效果变差所致，但目前缺乏有效的检测手段去证实；目前，国内外过滤器制造厂家众多，产品良莠不齐，加之市场竞争激烈和用户缺乏有效的检测手段，容易产生低价竞标和以次充好的问题。

表1为某公司对三家不同厂商的滤筒的过滤效率进行测试的结果，三种过滤器均标称F9级，与实测结果相差甚远，最大相差四个等级。因此，针对预采购和在役的过滤器，建立有效的检测机制尤为重要。

表1 某标称F9级过滤器过滤效率测试结果

4 结语

虽然空气质量保障系统非常重要，但从实际使用情况来看，其选型和运维存在诸多问题，如过滤面积普遍偏小、过滤器配置不合理、过滤效率偏低、滤芯更换时间间隔偏短、遇极端天气情况容易出现水堵及冰堵、压差增长过快等问题。这些问题的发生降低了燃气轮机效率，提高了发电成本和过滤系统的维护成本，甚至可能会导致跳机。

目前，国内外过滤器制造厂家众多，产品良莠不齐，同时也缺乏有效的手段对过滤器真实效率做出准确的判断。因此，需要对典型环境污染物做充分的分析，以及对空气质量保障系统与燃机经济性和安全性的关联性进行定量的研究。