9E燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化研究與改造探析

李再平

（深圳鈺湖電力有限公司，廣東 深圳 518111）

某單位燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的汽水分離器自燃機(jī)投用至今未進(jìn)行更換，存在材質(zhì)老化、進(jìn)氣孔堵塞現(xiàn)象；燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣精濾芯為F9級(jí)紙制濾芯，暴雨潮濕天氣時(shí)，燃機(jī)出現(xiàn)進(jìn)氣濾芯壓差升高、機(jī)組負(fù)荷下降或跳機(jī)等問題。因此，提出燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的汽水分離器及進(jìn)氣精濾芯升級(jí)優(yōu)化改造。

1 燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)汽水分離器存在的不足

進(jìn)氣汽水分離器自燃機(jī)投產(chǎn)開始使用，在長期運(yùn)行過程中由于溫濕度的變化和環(huán)境的影響，會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢、老化磨損、阻塞等現(xiàn)象，不及時(shí)處理會(huì)增大燃機(jī)進(jìn)氣損失。

汽水分離器長年的使用，靠慣性撞擊粒分離出來的灰塵顆粒，有部分吸附在汽水分離欄柵的氣體流通道的空隙中，同時(shí)，濕潤的空氣與雨水與灰塵結(jié)合就產(chǎn)生了難以清除的灰垢。而且因長期暴露在室外，面對(duì)各種天氣環(huán)境，材質(zhì)已經(jīng)變得較為脆弱，難以進(jìn)行再次使用。積聚了大量灰垢的汽水分離欄柵會(huì)對(duì)進(jìn)氣口產(chǎn)生一個(gè)阻力，造成燃機(jī)進(jìn)氣壓力的損失，同時(shí)使壓氣機(jī)的進(jìn)口壓力降低，如果需保持燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)最高壓力不變時(shí)，必須增加壓氣機(jī)的比功，這樣會(huì)造成透平出力更多消耗于帶動(dòng)壓氣機(jī)，導(dǎo)致燃機(jī)的效率與功率降低。另外，進(jìn)口壓力的降低使空氣比容增加，空氣的質(zhì)量流量都減少的情況下，也將降低機(jī)組的輸出功率，最終影響燃機(jī)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)的汽水分離器使用18年后實(shí)物圖

2 燃機(jī)進(jìn)氣精濾采用紙制濾芯存在的不足

燃機(jī)進(jìn)氣精濾芯采用F級(jí)紙制濾芯，在高潮濕天氣情況下導(dǎo)致燃機(jī)因壓差升高，對(duì)機(jī)組出力和安全可靠性發(fā)生較大影響。

（1）F級(jí)紙制精濾芯過濾等級(jí)低、容塵量小，精濾芯臟污將導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片臟污，影響壓氣機(jī)效率，壓氣機(jī)葉片的臟污主要危害如下：

①壓氣機(jī)效率降低：壓氣機(jī)消耗燃機(jī)2/3出力，其效率降低直接導(dǎo)致機(jī)組出力和效率的降低。

②壓氣機(jī)葉片腐蝕：壓氣機(jī)葉片腐蝕的主要原因是由于潮濕空氣中存在鹽及其他一些腐蝕性成分，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，這些有害物質(zhì)沉積在葉片表面，對(duì)葉片金屬形成腐蝕。特別是壓氣機(jī)的前面幾級(jí)，空氣被逐步壓縮，水的含量開始增大，而此時(shí)壓縮空氣的溫度并不高，很容易達(dá)到露點(diǎn)溫度，造成水分在葉片表面凝結(jié)析出，溶解在水中的鹽分和酸性物質(zhì)與金屬表面接觸，產(chǎn)生腐蝕斑點(diǎn)。腐蝕斑點(diǎn)破壞了原有葉片的光滑表面，影響氣動(dòng)性能，同時(shí)造成局部應(yīng)力增加，降低了部件抗疲勞壽命，最嚴(yán)重的甚至能導(dǎo)致葉片的斷裂。

③壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速：壓氣機(jī)失速是壓氣機(jī)的固有特性，如何避免失速發(fā)展成喘振一直是壓氣機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題。而壓氣機(jī)葉片臟污，影響壓氣機(jī)效率、流量，進(jìn)而影響氣流速度，使得旋轉(zhuǎn)失速容易發(fā)生。

（2）燃機(jī)進(jìn)氣精濾芯臟污將導(dǎo)致進(jìn)氣精濾芯壓差增大，進(jìn)氣精濾芯總壓差大于80mmH2O時(shí)，潮濕天氣時(shí)，可能出現(xiàn)進(jìn)氣精濾芯壓差快速增大或跳機(jī)。

圖2 F級(jí)紙制精濾芯使用7000～8000h，潮濕極端天氣進(jìn)氣精濾芯壓差快速增大

圖3 汽水分離器進(jìn)氣孔由“三角型”升級(jí)為“六角封閉胞型”

圖4 汽水分離器采用“六角封閉胞型” 進(jìn)氣孔，進(jìn)氣“壓損”增加不明顯

3 進(jìn)氣系統(tǒng)汽水分離器升級(jí)優(yōu)化改造

汽水分離器的2個(gè)基本性能參數(shù)為：除霧效率和氣動(dòng)特性（壓損）。除霧效率指在單位時(shí)間內(nèi)除霧器捕捉到的液滴質(zhì)量與進(jìn)入除霧器的液滴總質(zhì)量之比，是除霧器的關(guān)鍵性能指標(biāo)。影響除霧效率的因素包括氣流流速、除霧器葉片板型、霧滴直徑、葉片間距、布置形式等。在燃機(jī)進(jìn)氣入口，除霧效率器主要是針對(duì)空氣（里面會(huì)含有塵埃粒子、水汽、霧粒等）過濾。汽水分離器的氣動(dòng)性能主要研究空氣流經(jīng)過折板除霧器產(chǎn)生的壓力損失（下面簡稱“壓損”），壓損在燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中是考核過濾元件重要指標(biāo)，壓損的高低直接影響著燃機(jī)的效率。升級(jí)優(yōu)化改造如下：

（1）進(jìn)氣汽水分離器進(jìn)氣孔由“三角型”改造為“六角封閉胞型”，壓損增加不明顯，增加燃機(jī)總進(jìn)氣量。

（2）材質(zhì)由PVC材料升級(jí)為PP材料。

4 進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣精濾芯升級(jí)優(yōu)化改造

進(jìn)氣精濾芯研究內(nèi)容是將F級(jí)紙制濾芯改為防潮性能更好的唐納森新型復(fù)合纖維耐水濾芯。由于唐納森復(fù)合材料濾芯增加了容塵量，同等運(yùn)行條件下減少（或取消）反吹系統(tǒng)，壓氣機(jī)不臟污、不腐蝕、不用水洗，最終達(dá)到提高燃機(jī)出力和效率、提高經(jīng)濟(jì)效益、減少（或取消）反吹，以降低廠用電量的方式降低了維護(hù)成本。升級(jí)優(yōu)化改造如下：

（1）混合纖維材質(zhì)：唐納森復(fù)合纖維耐水濾芯過濾介質(zhì)（濾紙）為防潮處理混合纖維（纖維素纖維+合成纖維），合成纖維應(yīng)基于聚合物或玻璃纖維，表面納米纖維處理。

（2）高容塵量：唐納森復(fù)合纖維耐水濾芯具有高容塵量，復(fù)合纖維耐水濾芯過濾直徑超過5μm顆粒的平均效率不應(yīng)低于98%。

圖5 改造后唐納森新型復(fù)合材料濾芯

（3）對(duì)濕度潮氣不敏感，潮濕天氣不發(fā)生進(jìn)氣濾壓差快速增大。

圖6 唐納森復(fù)合纖維耐水濾芯在暴雨潮濕天氣時(shí)進(jìn)氣壓差變化不大，保持86～96mmH2O

（4）進(jìn)氣精濾芯運(yùn)行壽命一般為3年，超過9000運(yùn)行時(shí)。

5 進(jìn)氣系統(tǒng)汽水分離器及進(jìn)氣精濾芯改造經(jīng)濟(jì)效益分析

進(jìn)氣系統(tǒng)汽水分離器及進(jìn)氣精濾芯改造后，燃機(jī)滿負(fù)荷時(shí)，濾芯壓損隨溫度變化情況，在高濕度狀態(tài)下濾芯壓損變化很小。

5.1 三大收益和效果

（1）減小進(jìn)氣阻力、減小進(jìn)氣壓損，增加進(jìn)氣量。

（2）保持壓氣機(jī)葉片清潔，保持壓氣機(jī)葉片涂層，維護(hù)壓氣機(jī)高效率。

（3）提高燃機(jī)出力和效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）改造前，燃機(jī)用唐納森F級(jí)紙制濾芯，每臺(tái)機(jī)濾芯價(jià)格60萬元，運(yùn)行8000h；燃機(jī)出力下降1%時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)行水洗恢復(fù)出力。若燃機(jī)每年運(yùn)行3400h計(jì)，則：

濾芯使用年數(shù)為：8000h÷3400h/年=2.35（年）。

每年使用的濾芯費(fèi)用為：60萬元÷2.35=25.6（萬元/年）。

（2）改造后，采用復(fù)合纖維耐水濾芯，每臺(tái)燃機(jī)濾芯價(jià)格70萬元，運(yùn)行9500h。若燃機(jī)每年運(yùn)行3400h計(jì)，則：

濾芯使用年數(shù)為：9500h÷3400h=2.8（年）。

每年使用的濾芯費(fèi)用為：70萬元÷2.8=25.0（萬元/年）。

（3）改造后，用新型復(fù)合材料濾芯，每年節(jié)省濾芯費(fèi)用為：25.6—25.0=0.6（萬元）。

（4）經(jīng)過調(diào)研分析，參考復(fù)合纖維耐水濾芯在9E燃機(jī)使用效果。進(jìn)氣濾改造前/后對(duì)比如表1。

表1

（5）燃機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣汽水分離器及復(fù)合纖維耐水濾芯升級(jí)優(yōu)化改造，1臺(tái)9E燃機(jī)（120MW）一年增加的利潤為：

燃機(jī)出力Pe:Pe=110MW。

每小時(shí)消耗天然氣量Fe：Fe=0.2Nm3/kwh×110000Kw(約2.2萬Nm3/h)。

年發(fā)電小時(shí)數(shù)T：T=3400h。

上網(wǎng)電價(jià)J1：J1=0.65元/度電；天然氣價(jià)格J2：J2=2.3元/Nm3。

進(jìn)氣濾改造后燃機(jī)出力增加△P1:△P1=1.0%×Pe（約1.1MW）。

增加的電價(jià)為：

△P1×0.65元/度 電=1.1MW×0.65元/度 電（約0.0715萬元）。

增加出力消耗的天然氣費(fèi)用為△Fe：

△Fe=1.1MW×0.2Nm3/kwh×2.3元/Nm3（約0.05萬元）。

1臺(tái)燃機(jī)因出力增加產(chǎn)生的年利潤為F1：F1=（△P1×0.65元/度電-△Fe）×3400h=（0.0715-0.050）萬元×3400h=73萬元。

結(jié)論：燃機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣濾系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化改造，1臺(tái)燃機(jī)因出力增加產(chǎn)生的年利潤為73萬元；每年節(jié)省濾芯使用費(fèi)用為0.6萬元。

6 社會(huì)效益

（1）濾芯使用周期長、減少了更換濾芯次數(shù)、滿足了燃機(jī)調(diào)峰運(yùn)行，現(xiàn)貨交易及競(jìng)價(jià)上網(wǎng)有優(yōu)勢(shì)。

（2）極端天氣情況下避免因空氣潮濕產(chǎn)生濾芯壓差快速增大或燃機(jī)產(chǎn)生“非停”事故；若發(fā)生“非?！笔鹿剩緦⑹艿诫娋W(wǎng)的考核。

7 結(jié)語

燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的汽水分離器投用近20年，存在材質(zhì)老化、進(jìn)氣孔堵塞現(xiàn)象，汽水分離器進(jìn)氣孔由“三角型”升級(jí)改造為“六角封閉胞型”，壓損增加不明顯，增加了燃機(jī)總進(jìn)氣量；燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)F級(jí)紙制濾芯升級(jí)改造為防潮性能更好的唐納森新型復(fù)合纖維耐水濾芯，增加了容塵量，暴雨潮濕天氣時(shí)，進(jìn)氣壓差變化不大，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了燃機(jī)出力和效率。