M701F3型燃气轮机进气系统优化分析及改造

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摘   要：该文针对M701F3型燃氣轮机进气系统进行分析研究，从进气系统压力损失和进气过滤器过滤精度对燃机运行的影响分别进行阐述。根据分析和研究结论制定改造方案解决实际生产过程中存在的具体问题，使用袋式过滤器替代原板式过滤器，将初效过滤器的面积提高了数十倍，极大的提高了初效过滤的容尘能力，实现了初效过滤对精过滤的长期有效保护，同时提高初效过滤器和精过滤器的过滤精度。进气系统实现更加高效的过滤和使用寿命的延长，经实践检验改造方案可提高燃机进气系统可靠性同时实现经济运行。

关键词：M701F3型燃气轮机;进气系统;压力损失;过滤器;改造

中图分类号：TK478    文献标志码：A

燃机进气系统一般包括了多级过滤，进气系统的压损将造成压气机进口压力低于大气压力，压气机耗功增加，透平的出力将更多的消耗在压气机，其次进气压力降低使空气比体积增加，空气流量减少。进气系统压力损失变大将使燃机的出力和效率将同时下降。

燃机进气系统的功能主要是对进入燃机压气机的空气进行预处理，确保相对洁净的空气进入压气机和燃机透平，未过滤掉的尘粒将冲刷压气机和透平叶片或造成结垢，最终将降低燃机效率和出力。

1 某厂M701F3型燃机进气系统组成和运行情况

燃气轮机采用二级过滤，进气量651 kg/s，初效过滤器运行压差不高于450 Pa，精过滤器运行压差不高于850 Pa，精过滤器设计过滤等级F8，初效过滤器板式过滤器，过滤等级G4。

1.1 运行中精过滤器存在的问题

精过滤器使用寿命短，运行压差高，使用寿命约3 000 h，遇到雨雾天气，过滤器压差急剧上升，天气转好后压差也无法恢复初始状态，长期在高压差状态下运行，严重影响机组安全经济运行。精过滤器过滤精度较低，无法满足低能耗高精度的要求，大量的灰尘颗粒进入燃机内部，易造成燃机叶片积垢，造成压气机效率下降。

1.2 运行中初效过滤器存在的问题

初效板式过滤器未对进气系统精过滤器形成有效保护，过滤面积小容尘能力差，运行压差高，经统计过滤器使用寿命约1 500 h。初效过滤器长期保持在高压差状态下运行，造成进气压力损失增加。

2 进气系统相关分析

2.1 进气系统压力损失对燃机的影响

燃机压力保持系数Φ= ΦC×Φr×Φt压气机进气压力保持系数ΦC=Pa-△p1*/Pa， 由以上公式可知，如燃烧室压力保持系数Φr和排气压力保持系数Φt不变，进气系统压力损失△p1*变大将使燃机压力保持系数Φ变小。

曲线说明：

除变量外的其他影响因数都是一般技术水平，与M701F3机型不完全一致。

抽气系数μcl=0.04;燃烧效率ηf=0.98。

涡轮效率ηt=0.91;压气机压比πi=20。

压力保持系数   循环温比 τ=5.5;压气机效率ηc=0.89。

机械效率ηm=0.99。

如图1所示，简单循环燃机压力保持系数约0.92～0.96，根据大气压力修正曲线压力保持系数在该区间变化0.05对应燃机效率变化0.01，根据压力保持系数计算公式得出，两级过滤器总压差在1 200 Pa（高压差）与400 Pa（低压差）对比压力保持系数相差约0.008，对应燃机效率变化约0.0016，燃机功率变化0.01。

2.2 进气过滤器过滤精度对燃机的影响

过滤器过滤精度低，会造成空气中较多尘粒进入燃机，部分尘粒杂质将造成压气机叶片结垢。在压气机众多的实效模式中，结垢造成的压气机性能退化达到70%～85%。大颗粒的尘粒也将冲刷叶片造成磨损，压气机的叶片结垢或磨损均改变了叶片型线，使压气机的压比、效率下降低，压气机性能曲线的变化也会造成燃机喘振裕度的降低。

对燃机效率和出力的影响：参考原件特性对燃气轮机性能的影响，压气机效率每下降1%，机组效率下降2.3%，燃机比功下降2.3%。

3 M701F3燃机进气系统改造

初效过滤器由板式改造为袋式，不改变进气口布置增大过滤面积，降低系统压损，因过滤效果得到改善，空气中更多尘粒等杂质将被初效过滤器拦截，减轻精过滤器负担，同时因初效过滤器面积提高了几十倍，容尘能力得到极大提高。

精过滤器部分，通过增加过滤面积和改变滤材降低初始滤芯运行阻力，过滤等级提高至F9，对0.4 μm的粒子初始过滤效率不低于70%，平均效率提高5%，以M701F3型燃机为例，仅考虑平均效率的影响，每1 000 h进入压气机和透平的尘颗将减少约10 kg（空气总悬浮物浓度80μg/m³）。

精过滤器在雨雾天气压差快速上涨原因是主要成份为木浆的滤芯在潮湿环境下，遇水膨胀，过滤器内部变形，且变形是不可逆的，无法通过反吹扫恢复性能，过滤器快速失效。该问题可通过选择抗湿性能良好的滤材得到控制。

4 改造后效果

2016年某机组完成改造，初效过滤器初始压力损失下降120 Pa，平均压力损失下降约300 Pa，使用寿命可达到5000 h，较板式初效过滤器使用寿命（1 500 h）提高3倍以上。同时提高了燃机的效率和出力。

精过滤器提高过滤等级后，粗略计算每运行1 000 h进入燃机的尘颗将减少10 kg，压气机效率、燃机效率和出力的下降幅度将得到改善，减少了燃机水洗的频率。

5 结语

燃气轮机进气系统过滤器的选用和布置对燃气轮机热效率和出力有较大的影响，因燃气轮机的部分性能曲线属制造商保密内容，文中部分计算不能完全精确，但对工程实践仍具有参考意义。通过对初滤的改造以及合理选择精过滤器能够降低进气系统压损和降低空气中尘粒对压气机和透平的影响，燃气轮机在湿度大的区域运行应选择抗湿性能良好的过滤器。

参考文献

[1]俞立凡，方炜.9FA燃气轮机进气过滤系统运行及改进[J].浙江电力，2007（6）：36-38.

[2]刘万琨，魏毓璞，赵萍，等.燃机轮机与燃气-蒸汽联合循环[M].北京：化学工业出版社，2006.

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