燃?xì)廨啓C(jī)空氣過濾系統(tǒng)預(yù)過濾器改造效果評(píng)估

高涌，田鑫，吳寅琛

（1.江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213025；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的主要作用在于過濾掉進(jìn)入壓氣機(jī)空氣中的灰塵、飛絮、液體顆粒等［1-3］。由于空氣中的污染物成分十分復(fù)雜，單級(jí)反吹過濾器在當(dāng)前條件下已經(jīng)很難滿足大部分的燃?xì)廨啓C(jī)工作環(huán)境，尤其是濕度大、工業(yè)污染物較多的環(huán)境。因此，在空氣最終通過精濾前，往往增加一級(jí)或多級(jí)預(yù)過濾器來分擔(dān)精濾過濾壓力［4-5］，多級(jí)過濾器逐步被燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)采納。

多級(jí)過濾器對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的保護(hù)作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）由于預(yù)過濾器的保護(hù)作用，精濾的壽命得以較大程度地延長(zhǎng)，降低了精濾更換費(fèi)用；（2）由于過濾效果的疊加作用，整體過濾效果會(huì)優(yōu)于最后一級(jí)精濾的過濾效果，由此帶來機(jī)組熱耗率退化下降，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性；（3）預(yù)過濾器材料通常較為蓬松，具有一定的吸濕性，因此對(duì)于潮濕天氣的適應(yīng)性通常較強(qiáng)，提高了機(jī)組對(duì)極端潮濕天氣的適應(yīng)性。鑒于以上幾方面，眾多燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)粗濾的配置進(jìn)行了相關(guān)探索。

文獻(xiàn)［6］就蘇里格9E燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠預(yù)過濾改造的研究表明，在不增加過濾器級(jí)數(shù)，僅對(duì)精濾表面包裹一層防護(hù)套后，精濾的使用壽命由7.2個(gè)月增加到12.0個(gè)月，年節(jié)約成本44.2萬元。文獻(xiàn)［7］對(duì)北京京橋熱電SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的雙級(jí)過濾器進(jìn)行了分析，針對(duì)當(dāng)時(shí)北京霧霾較多的環(huán)境特點(diǎn)，將原M4級(jí)板框式預(yù)過濾器更換為M4級(jí)袋式過濾器。不考慮其他收益的情況下，每年僅發(fā)電收益就達(dá)到144.0萬元。文獻(xiàn)［8］就某電廠PG9351FA燃?xì)廨啓C(jī)單級(jí)脈沖自清式動(dòng)態(tài)過濾系統(tǒng)，在進(jìn)氣道框架及通流面積受到限制的情況下，在筒式過濾器前增加一級(jí)M5級(jí)玻纖袋式過濾器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)壓氣機(jī)進(jìn)氣道簡(jiǎn)單分級(jí)過濾，從而提高過濾系統(tǒng)整體過濾效率，延長(zhǎng)濾芯使用壽命，提高機(jī)組出力，預(yù)計(jì)年增發(fā)電量2 500 MW·h，收益增加約120.0萬元。

以上案例表明，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)過濾系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)過濾器等級(jí)提升或改造增加預(yù)過濾器，對(duì)于提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性具有顯著效果。本文對(duì)江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱戚墅堰公司）1套M701F4燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)過濾器的改造進(jìn)行分析，考慮其氣價(jià)-電價(jià)條件，機(jī)組運(yùn)行模式以及水洗策略等因素，論證了預(yù)過濾器改造的經(jīng)濟(jì)性。

1 過濾系統(tǒng)改造情況

戚墅堰公司位于江蘇省常州市，地處長(zhǎng)江以南中部地區(qū)，北部和南部分別為長(zhǎng)江和太湖兩大水域，屬于北亞熱帶海洋性氣候，年均降水量1071.5mm，通常每年6月中旬到7月中旬降雨較為集中。同時(shí)，該公司周邊分布有鋼鐵公司、化工企業(yè)、車輛制造企業(yè)等重型工業(yè)企業(yè)。由于該地區(qū)空氣粉塵顆粒和濕度均較大，燃?xì)廨啓C(jī)初始配置的M4等級(jí)過濾器無論從容塵量還是對(duì)空氣濕度的敏感性方面均不利于該公司長(zhǎng)期運(yùn)行。

戚墅堰公司M701F4燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為單軸調(diào)峰機(jī)組，額定輸出功率475MW，采用“晝啟夜?！惫ぷ髂Ｊ?，在“迎峰度夏”階段根據(jù)調(diào)度需要連續(xù)運(yùn)行。由于總電量限制及電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”考核需要，機(jī)組年均負(fù)荷393MW。該公司自2015年投產(chǎn)以來，在改造前，精濾使用壽命僅為2 300 AOH（actual operating hours，實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)）。該公司精濾采用EN779-2012［9］F9級(jí)自清潔式過濾器，預(yù)過濾器采用EN779-2012 G4級(jí)折疊式過濾器。該公司于2018年對(duì)機(jī)組所使用的過濾系統(tǒng)粗濾進(jìn)行了升級(jí)改造，升級(jí)改造前后預(yù)過濾器配置見表1。

通常預(yù)過濾器在達(dá)到最終壓差后，可通過清洗重復(fù)使用。從表1改造數(shù)據(jù)可以看出，盡管改造后預(yù)過濾器過濾精度有所提高，但由于過濾面積的增大，在同等流速的情況下，過濾器表面的流速變小，因此過濾器初始?jí)翰罘炊?0Pa降低為55Pa。同樣，容塵量的提升，也降低了預(yù)過濾器的更換頻率，單次使用壽命從1000 h提高到2500 h。

2 改造后對(duì)機(jī)組的影響

2.1 過濾器綜合過濾效率提升

相關(guān)研究表明，過濾器每隔2～4擋設(shè)置一級(jí)過濾器，可以有效延長(zhǎng)二級(jí)過濾器的使用壽命，對(duì)于多級(jí)串聯(lián)過濾器，其最終過濾效率可表達(dá)［10］為

式中：Etotal為過濾器最終總過濾效率；n為過濾器級(jí)數(shù)；Ei為每一級(jí)過濾器過濾效率。

表1 進(jìn)氣系統(tǒng)預(yù)過濾器改造配置Tab.1 M odification content of pre-filter in intake system

對(duì)幾種過濾等級(jí)的過濾效率進(jìn)行了劃分，其中G4等級(jí)人工塵平均計(jì)重效率Am≥95%，對(duì)0.4μm粒子的平均效率Em不做要求。M6等級(jí)要求60%≤Em＜80%，F(xiàn)9等級(jí)要求Em≥95%。為了便于整體效率的比較，通過插值及外推，G4，M6，F(xiàn)9的Em若分別為30.0%，70.0%和97.5%，則改造前后綜合過濾效率分別為98.2%和99.2%。

在預(yù)過濾器為G4級(jí)的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行500 h后，壓氣機(jī)第1級(jí)存在明顯污垢，在升級(jí)為M6后，壓氣機(jī)清潔程度得到明顯改善。壓氣機(jī)效率變化趨勢(shì)如圖1所示。改造前后，每1 000 h的運(yùn)行時(shí)間壓氣機(jī)效率分別下降3.4百分點(diǎn)和2.5百分點(diǎn)，由于該機(jī)組運(yùn)行方式以調(diào)峰為主，能夠及時(shí)進(jìn)行水洗，因此壓氣機(jī)效率降低對(duì)機(jī)組安全性影響較小。但由于壓氣機(jī)效率的降低，導(dǎo)致機(jī)組熱耗率升高，則是主要影響因素。圖1顯示，預(yù)過濾器在改造前，壓氣機(jī)效率隨運(yùn)行時(shí)間退化更為迅速，而且在超過500 h后，效率退化存在一個(gè)較為明顯的加速過程。當(dāng)前設(shè)備廠家對(duì)機(jī)組的水洗間隔建議為300～800 h視情水洗，在運(yùn)行人員不能對(duì)壓氣機(jī)效率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的情況下，增大了機(jī)組由于壓氣機(jī)葉片氣流分離而引起的機(jī)組軸系振動(dòng)增大，乃至喘振。

圖1 壓氣機(jī)效率變化趨勢(shì)Fig.1 Trends of gas turbine compressor efficiency

2.2 機(jī)組熱耗率增長(zhǎng)率降低

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由于壓氣機(jī)結(jié)垢而引起熱耗率上升，主要是因?yàn)閴簹鈾C(jī)效率降低引起壓氣機(jī)通流能力下降以及擾動(dòng)損失增加導(dǎo)致的壓氣機(jī)排氣溫度升高。該影響在降低燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率的同時(shí)，由于排氣溫度的提升，一定程度上提高了下位電站的出力和效率。

整體來看，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)結(jié)垢對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力影響較大，對(duì)熱耗率影響較小。鑒于公司全年為定額電量，因此損失的聯(lián)合循環(huán)出力可以忽略不計(jì)，影響電廠效益的因素主要是聯(lián)合循環(huán)熱耗率。圖2數(shù)據(jù)顯示，每次機(jī)組水洗結(jié)束后機(jī)組熱耗率為6.580 MJ／（kW·h），累計(jì)運(yùn)行500 h后，改造前后機(jī)組熱耗分別為6.667MJ／（kW·h）和6.658MJ／（kW·h）。以機(jī)組年平均出力420MW，年利用4300 h，燃料低位熱值（Low Heat Value，LHV）為33.57MJ／m3，燃料價(jià)格為2.731元／m3，同樣的機(jī)組水洗頻率估算，每年單套機(jī)組由于機(jī)組熱耗率升高而引起的燃料費(fèi)用差值約66.1萬元。

圖2 機(jī)組熱耗率變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of gas turbine combined cycle heat rate

2.3 精濾使用壽命延長(zhǎng)

改造后，由于預(yù)過濾器承擔(dān)了更多的過濾作用，精濾的過濾壓力得到一定程度的緩解，具體體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：（1）改造后預(yù)過濾器不僅能夠容納更多的灰塵，同時(shí)隨著過濾精度的提高，進(jìn)入精濾的大顆粒灰塵量大量減少；（2）M6級(jí)過濾器相對(duì)G4級(jí)過濾器，對(duì)于水汽、油霧有更好的過濾效果，能夠有效減少水汽和油霧進(jìn)入精濾，對(duì)于防止灰塵在精濾上形成板結(jié)具有明顯作用。圖3顯示，對(duì)于同樣的精濾裝置，僅通過對(duì)預(yù)過濾器進(jìn)行改造，精濾的有效使用壽命便由改造前的不足2 500 h提高到接近6000 h。改造前，電廠每年年中需要對(duì)精濾進(jìn)行1次更換，而改造后，1套精濾裝置可以滿足全年的運(yùn)行要求。該項(xiàng)每年節(jié)省成本60萬～80萬元。

2.4 精濾抗?jié)裥阅芴嵘?/h3>

精濾作為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中最核心的組件，是整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中造價(jià)最昂貴的組件之一。預(yù)過濾器對(duì)精濾的保護(hù)，一方面來自對(duì)大顆?；覊m的濾除，另一方面來自對(duì)空氣中水分的包容。水分是造成過濾器壓差短時(shí)間急劇加大的重要原因，在濾芯恢復(fù)干燥的情況下，壓差逐步恢復(fù)到正常水平。改造后，由于預(yù)過濾器承擔(dān)了更多的過濾作用，精濾的過濾壓力得到一定程度的緩解。這種緩解主要來自2方面：（1）預(yù)過濾器較改造前能夠容納更多的灰塵，最終進(jìn)入精濾的灰塵量，尤其大顆?；覊m量大幅減少；（2）由于預(yù)過濾器對(duì)水汽的容納程度更高，因此水分進(jìn)入精濾的速率將會(huì)有所降低。而實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)也顯示，在有較高過濾等級(jí)的預(yù)過濾器的情況下，精濾最終能夠達(dá)到的穩(wěn)定壓差會(huì)有所降低。

圖3 精濾使用壽命對(duì)比Fig.3 Comparison of service life of fine filters

從圖4可以看出，進(jìn)行預(yù)過濾器改造后，對(duì)于同樣的陰雨天氣，改造前精濾壓差在100min左右到達(dá)最高值約460 Pa，超過了精濾的壓差報(bào)警值450Pa。而改造后，精濾壓差在140min左右達(dá)到最高值約430Pa，且不會(huì)繼續(xù)上升。從濾芯潮濕后恢復(fù)性能上看，由于預(yù)過濾器容納了較多的水分，因此在外界雨霧消除后，預(yù)過濾器容納的水分會(huì)不斷進(jìn)入精濾，因此精濾的壓差恢復(fù)過程較長(zhǎng)。但整體上看，由于預(yù)過濾器的容水特性較好，因此保障精濾壓差不至于過高，有效提升機(jī)組的可靠性，在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)多雨潮濕的區(qū)域，這一特性能夠保障機(jī)組穩(wěn)定度過“迎峰度假”期以及達(dá)到穩(wěn)定供熱的目的。

圖4 過濾器抗?jié)裥阅蹻ig.4 Com parison ofmoisture resistance of filters

3 預(yù)過濾器改造后的經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)不同配置的綜合成本，可采用過濾器全壽命周期成本（LCC）分析方法，對(duì)設(shè)備的購置成本，包括初始采購成本、運(yùn)維成本（運(yùn)行維護(hù)成本、能耗成本、停機(jī)損失成本、性能老化損失成本）和廢棄成本進(jìn)行綜合測(cè)算與比較，考慮價(jià)格變化因素后分別折算成凈現(xiàn)值（NPV），各凈現(xiàn)值相加得到進(jìn)氣系統(tǒng)的總凈現(xiàn)值NPVtotal，該值最低者為最優(yōu)方案［11-17］。

式中：C為年運(yùn)維成本；i為折現(xiàn)率；e為價(jià)格增長(zhǎng)率；N為運(yùn)營(yíng)的年數(shù)；Cb為購置成本；Cd為廢棄成本；NPVn為第n年運(yùn)維成本的凈現(xiàn)值。

本文僅從靜態(tài)投資角度分析，改造前后每年的各項(xiàng)主要成本及經(jīng)濟(jì)效益見表2，表中乘號(hào)后為次數(shù)。

表2 預(yù)過濾器改造前后效益分析Tab.2 Benefit analysis of pre-filter reconstruction unit 萬元

總體來講，預(yù)過濾器經(jīng)過改造后，每套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組年節(jié)約各項(xiàng)成本及費(fèi)用總計(jì)58.3萬元。

4 結(jié)束語

本文對(duì)1臺(tái)M701F4燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)預(yù)過濾器進(jìn)行了技術(shù)改造，增加預(yù)過濾器面積，提高預(yù)過濾器過濾等級(jí)從G4到M6級(jí)，同時(shí)采用容水性更強(qiáng)的材料。效果顯示，改造后燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)效率每1000 h運(yùn)行時(shí)間內(nèi)降低減緩1.0～1.5百分點(diǎn)，聯(lián)合循環(huán)熱耗率每500 h的運(yùn)行時(shí)間降低9 kJ／（kW·h），精濾使用壽命從2 400～2 500 h提高到接近6000 h，同時(shí)精濾在極端雨霧天氣條件下的最高壓差下降30～50Pa。經(jīng)濟(jì)效益方面，預(yù)過濾器的升級(jí)改造，每年節(jié)約燃料費(fèi)用約66.1萬元，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用約58.3萬元?？傮w上，通過提升預(yù)過濾器過濾等級(jí)，不僅提高了運(yùn)行可靠性，還給發(fā)電企業(yè)帶來了可觀經(jīng)濟(jì)效益。