采用HEPA過(guò)濾器對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響及經(jīng)濟(jì)性分析

楊小軍，朱本岱，梁珊珊，仲如浩，周洪宇

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

1 概述

由于地面空氣有不同程度的污染和雜質(zhì)，燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行時(shí)吸入空氣，同時(shí)也吸入空氣中的雜質(zhì)、灰塵、油霧等污染物。這些污染物中，大顆粒的雜質(zhì)將會(huì)損傷壓氣機(jī)葉片，導(dǎo)致葉片變形、斷裂等事故。細(xì)小的灰塵、油霧等污染物將會(huì)附著在壓氣機(jī)葉片表面，使壓氣機(jī)效率降低，從而降低燃?xì)廨啓C(jī)的效率。所以，對(duì)于地面燃?xì)廨啓C(jī)而言，均需要在進(jìn)氣口配置空氣進(jìn)氣過(guò)濾器。

早期的 “F”及以下等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)進(jìn)氣過(guò)濾器精度要求不高，一般要求直徑0.4 μm雜質(zhì)的過(guò)濾精度達(dá)到60%～95%，對(duì)應(yīng)的過(guò)濾等級(jí)一般為F7～F9（參照EN779標(biāo)準(zhǔn)）。但隨著燃?xì)廨啓C(jī)功率和效率的提高，壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)更精細(xì)，壓氣機(jī)高效運(yùn)行范圍更窄，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣中攜帶的污染物導(dǎo)致壓氣機(jī)性能惡化的效果越明顯。因此，高精度HEPA過(guò)濾器就成為燃?xì)廨啓C(jī)高效運(yùn)行的重要條件，HEPA過(guò)濾器對(duì)直徑0.4 μm雜質(zhì)的去除率可達(dá)到99.97%。

2 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)介紹

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器（見(jiàn)圖1）一般由防雨罩、除濕器、粗濾芯、精濾芯、消音器、進(jìn)氣道、膨脹節(jié)、終端濾網(wǎng)等組成。其主要部件為過(guò)濾器濾芯，過(guò)濾器濾芯也可分為靜態(tài)板式和自清式兩種。進(jìn)氣過(guò)濾器還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同，也可配置特殊的功能。如柳絮較多的地區(qū)，可以在外側(cè)增加防柳絮網(wǎng)。寒冷地區(qū)可配置防冰凍裝置。對(duì)于沙漠干旱地區(qū)，還可配置進(jìn)氣冷卻裝置以提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器結(jié)構(gòu)示意圖

3 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器配置

3.1 普通精度過(guò)濾器配置

早期的燃?xì)廨啓C(jī)一般采用1級(jí)過(guò)濾，僅采用F7～F9等級(jí)的精濾濾芯。這樣的配置會(huì)導(dǎo)致濾芯壽命很短，需要頻繁地更換濾芯。因此，目前燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器的濾芯配置一般采用2級(jí)過(guò)濾， 即在精濾前面再增加1級(jí)粗過(guò)濾，一般選用G4等級(jí)或者M(jìn)6等級(jí)，以過(guò)濾掉較大的雜質(zhì)，可以延長(zhǎng)精過(guò)濾的壽命。

由于F7～F9等級(jí)濾芯的過(guò)濾精度一般只能將直徑0.4 μm的雜質(zhì)過(guò)濾掉95%。因此，仍會(huì)有部分灰塵、油霧進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，在壓氣機(jī)葉片表面形成污垢，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)效率有明顯的下降。在這種情況下，燃?xì)廨啓C(jī)就需要配置水洗系統(tǒng)。水洗系統(tǒng)配置（見(jiàn)圖2）用于清洗掉部分壓氣機(jī)葉片的污垢。一般具有在線清洗和離線清洗兩種模式，通常離線清洗模式具有較好的清洗效果，對(duì)于壓氣機(jī)效率的恢復(fù)情況更好一些。但即使是離線水洗，也不能使壓氣機(jī)效率完全恢復(fù)。

圖2 普通精度過(guò)濾器+水洗系統(tǒng)

3.2 HEPA過(guò)濾器配置

HEPA過(guò)濾器提高了過(guò)濾精度，直徑0.4 μm雜質(zhì)的過(guò)濾精度達(dá)到99.97%。但由于其過(guò)濾精度高，如果也采用前面的1級(jí)或者2級(jí)過(guò)濾，會(huì)導(dǎo)致HEPA過(guò)濾器壽命很短，使用成本高。因此，HEPA過(guò)濾器的配置一般建議采用3級(jí)，即采用“粗濾+精過(guò)濾器+HEPA過(guò)濾器”的配置。這樣既可以達(dá)到好的過(guò)濾效果，又能夠使HEPA濾芯的壽命較長(zhǎng)。如圖3所示，第3級(jí)過(guò)濾器為HEPA過(guò)濾器。

圖3 HEPA過(guò)濾器配置圖

由于HEPA過(guò)濾器過(guò)濾直徑0.4 μm雜質(zhì)的精度為99.97%，大大減少了進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)雜質(zhì)和污染物，可較長(zhǎng)時(shí)間保持壓氣機(jī)的清潔度。另外，由于水洗系統(tǒng)的水質(zhì)往往不能達(dá)到以上清潔程度，因此在配置HEPA過(guò)濾器的情況下，不建議配置水洗系統(tǒng)。

4 HEPA過(guò)濾器及對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響

4.1 HEPA過(guò)濾器

HEPA過(guò)濾器一般采用更細(xì)的納米材料，纖維直徑可達(dá)到20～50 nm等級(jí)。由于采用的纖維更細(xì)，同樣過(guò)濾效率情況下阻力就更低。相比較F7～F9等級(jí) （以F9等級(jí)為例）過(guò)濾器濾材的纖維會(huì)更粗，與HEPA級(jí) （以E12等級(jí)為例）過(guò)濾器相比，過(guò)濾精度更差。圖4、圖5為上述兩種等級(jí)過(guò)濾器放大后的圖片對(duì)比。

圖4 F9過(guò)濾器

圖5 E12過(guò)濾器

對(duì)于HEPA等級(jí)過(guò)濾器其0.4 μm雜質(zhì)的過(guò)濾精度為99.97%，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的過(guò)濾效率曲線如圖6所示。

圖6 HEPA等級(jí)過(guò)濾器濾芯效率曲線

4.2 采用F9等級(jí)過(guò)濾器與采用HEPA過(guò)濾器對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能下降的影響

無(wú)論是采用F7～F9等級(jí)過(guò)濾器，還是采用HEPA過(guò)濾器，都無(wú)法使進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣攜帶的雜質(zhì)完全過(guò)濾干凈。始終會(huì)有雜質(zhì)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，附著在壓氣機(jī)葉片表面導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)效率下降，但采用不同等級(jí)過(guò)濾器導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)效率下降的程度是不同的。下面就采用F7～F9等級(jí)過(guò)濾器和HEPA過(guò)濾器 （以E12等級(jí)為例）兩種濾芯的過(guò)濾效果導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)效率和燃機(jī)性能的下降情況進(jìn)行比較分析，如圖7所示。

圖7 采用HEPA和F9等級(jí)過(guò)濾器的燃機(jī)性能下降曲線

從圖7的曲線我們可以看出，采用HEPA過(guò)濾器的燃?xì)鈾C(jī)性能下降緩慢。而采用F9等級(jí)過(guò)濾器的燃?xì)廨啓C(jī)性能下降較快。隨著燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，壓氣機(jī)葉片表面的臟污增加，必須選擇水洗對(duì)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行清洗以恢復(fù)部分效率。運(yùn)行一段時(shí)間后，壓氣機(jī)效率又會(huì)快速下降。從總體上而言，采用HEPA過(guò)濾器的燃機(jī)性能比采用F9等級(jí)過(guò)濾器的燃機(jī)性能高，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，效果越明顯。圖8、圖9是采用HEPA過(guò)濾器的壓氣機(jī)葉片在運(yùn)行12 000 h后和采用F9等級(jí)過(guò)濾器的壓氣機(jī)葉片 （定期水洗）在運(yùn)行6 000 h后的對(duì)比，采用HEPA過(guò)濾器的壓氣機(jī)葉片在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且沒(méi)有水洗的情況下，依然比采用F9等級(jí)過(guò)濾器的壓氣機(jī)葉片干凈得多。

圖8 采用HEPA過(guò)濾器運(yùn)行12 000 h

圖9 采用F9等級(jí)過(guò)濾器 運(yùn)行6 000 h

5 采用HEPA過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性分析

采用HEPA過(guò)濾器能夠維持壓氣機(jī)效率緩慢下降，維持燃?xì)廨啓C(jī)出力和燃?xì)廨啓C(jī)效率一直在高水平運(yùn)行，給電廠帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益。但燃?xì)廨啓C(jī)采用HEPA過(guò)濾器也會(huì)導(dǎo)致濾芯成本增加，那么成本增加和收益到底如何，下面我們就對(duì)采用HEPA過(guò)濾器 （E12）的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

通過(guò)以下公式計(jì)算HEPA過(guò)濾器的收益：

HEPA收益 [元/年]=X-Y-Z

X：增加的發(fā)電出力收益

（增加的發(fā)電出力[kW]×基本負(fù)荷的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)[h/年]×電價(jià)[元/kWh]）

Y：增加的燃料費(fèi)用=基本負(fù)荷燃料消耗量[m3]×運(yùn)行小時(shí)數(shù)[h/年]×燃料增加率[%]×燃料單價(jià)[元/m3]

Z：采用HEPA過(guò)濾器增加的費(fèi)用

（每套HEPA過(guò)濾器單價(jià)[元/套]×必要的數(shù)量[套/年]）

圖10 燃機(jī)性能下降曲線平均值

以上的計(jì)算，我們基于燃機(jī)性能下降的平均值進(jìn)行計(jì)算，如圖10所示。若采用普通精度過(guò)濾器，壓氣機(jī)效率將平均惡化1.8[%rel]，壓力比平均下降1.3[%rel]。采用HEPA過(guò)濾器后，壓氣機(jī)的效率惡化小到可以忽略，相當(dāng)于恢復(fù)了這部分劣化值。

下面以某F級(jí)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)為例，相比較采用HEPA（E12）過(guò)濾器和普通精度過(guò)濾器的聯(lián)合循環(huán)性能改善，采用HEPA過(guò)濾器聯(lián)合循環(huán)出力將增加0.89[%rel]，效率增加0.46[%rel]。如果單套聯(lián)合循環(huán)基本負(fù)荷是478 000 kW，聯(lián)合循環(huán)出力將增加4 254 kW，如表1所示。

表1 性能改善變化表

按上面的公式：

注：這里計(jì)算的HEPA壽命按1年考慮，而實(shí)際壽命可達(dá)到1.5～2年。

HEPA 收益[元/年]=X-Y-Z=12 756 000[元/年]-3 360 000[元/年]-1 440 000[元/年]

因此，對(duì)于單套F型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按5 000 h計(jì)算，采用HEPA過(guò)濾器比采用普通精度過(guò)濾器每年增加收益為795.6萬(wàn)元。當(dāng)然，這里沒(méi)有考慮更換HEPA濾芯的人工、停機(jī)和初期建設(shè)的投資，但這部分費(fèi)用相對(duì)較少。

6 結(jié)論

通過(guò)上面的計(jì)算和分析，采用HEPA過(guò)濾器可以提高燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的發(fā)電出力和效率，可直接增加電廠運(yùn)行的收益。不僅如此，采用HEPA過(guò)濾器還可以提高機(jī)組的可靠性，減少環(huán)境中的污染物和雜質(zhì)對(duì)壓氣機(jī)葉片形成沖刷、腐蝕和結(jié)垢，從而降低壓氣機(jī)運(yùn)行工況惡化的風(fēng)險(xiǎn)。再則，采用HEPA過(guò)濾器不需要使用水洗，降低了水洗的電力、供水、人工等成本以及停機(jī)造成的運(yùn)行損失。此外，由于減少了壓氣機(jī)的性能惡化情況，可以防止在部分負(fù)荷運(yùn)行情況下燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度超溫的可能，也降低了由于雜質(zhì)堵塞透平葉片冷卻孔引起葉片壽命減少的風(fēng)險(xiǎn)。