燃气轮机进气过滤系统健康状态监测方法

燃气轮机进气过滤系统健康状态监测方法

阴美梁

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：燃气轮机进气过滤器是保证压缩机压气机安全、可靠、经济运行的重要保证。然而，目前缺乏有效的手段来监测过滤器的健康状况。为了解决这一问题，结合国内内燃机机组多为部分负荷运行的实际情况，提出了将标准工况下的压降损失与过滤器过滤效率在线监测相结合的方法来评估过滤器的健康状态。太阳宫某燃机电厂的应用证明，该方法能够识别过滤器堵塞和局部泄漏故障。

关键词:进气过滤器；压降损失；状态监控；过滤效率

1导言

燃气轮机进气过滤器是保证燃气轮机进气质量和压缩机压气机洁净度的重要系统。也是燃气轮机安全、可靠、经济运行的重要保证，是有效保护压缩机压气机的唯一手段[1]。如果进气过滤器过滤效果不佳或选择不当，会导致压缩机压气机结垢、磨损、腐蚀、疲劳和异物撞击等故障模式，压缩机压气机性能严重下降，导致输出功率损失2%~20% [2]。随着运行时间的增加，大量颗粒沉积在过滤器表面，造成过滤器堵塞或泄漏，从而影响过滤效率和压降损失。电厂运行人员一般通过压降损失指标来评价过滤器的健康状况。然而，目前的评价方法主要存在以下两个问题:

(1)对于国内的燃气轮机发电机组，大部分都是在部分负荷下运行。运行参数和环境变量都会影响过滤器的压降损失，因此仅用压降损失作为指标是不科学的，需要将SIS系统的实测压降损失换算成标准运行工况进行分析。

(2)目前对于过滤器的状态，我们通常只关注过滤器的堵塞，即压降损失的增加和压降损失的阈值。但由于腐蚀等现象的存在，过滤清器也会出现局部泄漏等问题，影响进气质量和性能参数。所以也要注意过滤器的这种故障状态。

针对存在的问题，基于机组的运行数据，分析了过滤器的健康状态，并在此基础上提出了一种监测燃气轮机进气过滤器系统状态的方法。

燃气轮机进气过滤系统状态监测的研究现状

对于燃气轮机发电机组，发电机组的健康监测通常集中在气路系统通流部分，各大厂商和相关研究人员对压缩机压气机、燃烧室和涡轮的状态监测做了大量的研究工作。然而，对于压缩机压气机前端的进气系统，目前缺乏有效的状态监测手段。主要原因是进气系统中的流动非常复杂，目前还没有合适的监测装置。同时，机组复杂的运行工况使得进气系统的健康状态与机组运行数据(如出力、热耗热量)之间难以建立对应关系。

国内学者[3]提出了利用实验测试平台评价测试进气系统性能的方法，通过光学传感器进行测量，基于质量浓度的变化进行判断。然而，对于过滤器性能的检测，EN779和ISO16890[4]通常使用典型的粒径来检测过滤效率。由于上述传感器无法准确获取进气系统的全粒度谱信息，基于目前的滤清器效率检测方法无法在线监测。

此外，清华大学提出了评估燃气轮机进气过滤器健康状况的方法，解耦了影响压降损失的五个环境因素的影响，建立了完整的气路组件模型和过滤器压降损失的数学模型。但是，这个模型的普适性还有待检验。此外，这种算法非常复杂，很难应用于现场人员。

为了分析燃气轮机机组的过滤状态及其影响因素，对太阳宫某燃机电厂两个洁净室过滤室2017-2018年的运行数据进行了分析。

根据运行数据可以发现，压降损失不仅与IGV的开度有关，还与外界环境因素如环境温度和湿度有关。

如公式(1)所示:

(1)

P是过滤器的压降损失(MMH2O ), T、P、H、IGV和M分别是环境温度、压力、湿度、IGV开度和空气质量流量。

从方程(1)可以看出，压降损失受多种因素影响，各个因素解耦极其困难。同时，我国运行的燃气轮机大部分是在部分负荷下工作，仅通过压降损失的变化无法准确判断过滤器的状态。

3过滤器校正压降损失的计算

3.1压降损失校正

某燃气轮机电厂多在部分负荷下运行，所以在用压降损失指标作为过滤器状态评价时，不仅要用数值来判断，还要考虑温度、湿度、IGV开度等影响指标的因素，将运行工况换算成标准工况进行分析[5]。

在不同的温度下，空气的粘度不同，从而进一步影响空气在过滤器中的流动。因此，当校正压降损失时，引入温度系数fT。标准工况下机组温度为15℃，对应的空气粘度μref = 0.01784 MPa·s，ft _ t的定义如式(2)所示:

式中，μT为实际工作温度下的空气粘度(单位:mPa·s)。

湿度大时，空气中的颗粒会以糊状粘在滤芯表面，造成滤芯压差急剧上升。因此，湿度对颗粒物在过滤器中的运动和沉积有重要影响。在对标准工况下的压降损失进行修正时，引入了湿度影响系数fh。

湿度为60%时的压降损失定义为Pref，FH定义如公式(3)所示:

(3)

其中，P实际上是SIS系统中得到的测点的压降损失(PA)，Pa)，Pref是湿度为60%时的压降损失(Pa)。

此外，过滤器的压降损失与进气系统的流量直接相关。根据燃气轮机进气系统的流动情况，过滤器多孔过滤介质中的流体流动可以用达西定律来研究，如公式(4)所示:

(4)

其中，μ是空气的粘度，V是多孔过滤介质中的空气浓度。

流速in(过滤器)，k是多孔介质的渗透率。从等式(4)可以看出，进气系统中过滤器的压降损失与

空气流量与进气系统的空气质量流量成正比，因此在修正压降损失时引入了质量流量系数fQ。将标准工况下的设计空气质量流量记为QREF，FQ的定义如式(5)所示:

(5)

燃气轮机进气系统过滤器修正压降损失的定义如公式(6)所示:

(6)

此外，燃气轮机进气过滤器的压降损失还与大气环境中颗粒物的大小、种类和粒径分布有关。因此，如果基于压降损失校正值来判断过滤器性能，则有必要监测和分析过滤器效率，以便判断过滤器的健康状态。

3.2案例应用

利用上述压降损失修正算法计算某燃机电厂#1、#2机组进气过滤室器的压降损失，并结合进气系统安装的在线颗粒监测和捕集系统对过滤器的健康状态进行评估和分析。本单位分析的数据为2021年11月13日至2021年12月6日SIS系统的运行数据，以及此期间在线颗粒物监测装置的监测数据。

(1)# 1和#2机组压降损失修正的计算。# 1和#2机组的进气系统具有相同的配置和结构，安装在厂区的相同位置，采用不同的过滤器类型。从机组运行数据可以发现，在24天的时间间隔内，温度分布范围为[-1.2℃，18.6℃)，湿度分布范围为[8.47%，82.1%]，IGV开度分布范围为[49.3，81.2]。因此，机组在非设计工况和部分负荷下运行。SIS运行数据每小时记录一次。根据公式(1)至(6)，可以计算出该装置的每小时压降损失修正值，并取某一天24小时压降损失修正值的算术平均值作为该天的值。压降损失降低到标准工况时，修正值与实测值差距较大，不能直接用实测值来评价过滤器的健康状况。

(2)过滤器健康状态的评估

采用上述计算方法进行修正时，考虑了环境温度、湿度、流量和IGV开度，但忽略了颗粒的性质。有学者提出用颗粒质量浓度因子进行修正，但没有研究证明颗粒浓度与压降损失之间存在直接的线性关系。因为压降损失不仅与颗粒的浓度有关，还与颗粒的粒径分布、属性和环境属性有关。因此，对于过滤器健康状态的评价，需要在压降损失修正计算和过滤器效率监测的基础上进行综合评价。

一直缺乏有效的监测进气系统过滤器健康状态的监测传感器，只能根据压降损失和机组出力的变化趋势来判断。太阳能燃气轮机发电厂安装了颗粒在线监测装置，集成多传感器技术和机器学习算法，监测进气过滤器前后端颗粒的质量浓度、数量浓度和环境质量。

选择0.3微米颗粒作为典型的颗粒尺寸，进气过滤器的过滤效率如公式(7)所示定义:

(7)

其中ηf为过滤器的过滤效率，Nbf为过滤器前0.3微米颗粒的数浓度，Nbh为过滤器后0.3微米颗粒的数浓度。

对于进气过滤器，有两种常见的失效形式:堵塞和局部泄漏。对于堵塞失效的情况，可以用压降损失的修正值来识别。然而，很难对局部泄漏故障进行定性，尤其是对于不是很严重的局部泄漏。利用进气过滤器的综合过滤效率和压降损失修正指标，不仅可以识别过滤器的严重堵塞故障，还可以识别过滤器早期泄漏的早期故障，从而有效保障燃气轮机组的安全可靠运行。

#1机组的修正压降损失小于#2机组，因此#1机组的修正产量(相当于标准工况)应大于#2机组，但从SIS数据计算发现#2机组的修正产量大于#1机组。可以发现，仅根据压降损失这一指标来评价进气系统甚至整个机组的性能，可能会导致误判。采用本文提出的方法，通过监测进气系统过滤器的过滤效率，可以发现#1机组的过滤效率明显下降，低于过滤器的初始效率。同时，结合两台机组压降损失值的比较，可以初步判定过滤器可能存在局部泄漏。

4结论

针对燃气轮机进气系统健康状态缺乏有效监测的技术难题，考虑到机组在部分负荷工况下运行，提出了一种将修正后的标准工况等效压降损失与进气系统颗粒在线监测装置相结合的方法，该方法可以识别进气过滤器堵塞和局部泄漏两种故障状态。通过对某燃机电厂运行数据的分析，证明了该方法的可行性和有效性。

参考文献：

[1]GB/T15736-2016.燃气轮机辅助设备通用技术要求[S].

[2]杨化动.积垢的形成机理及其对轴流式压气机性能的影响研究[D].北京:华北电力大学,2014.

[3]张涛,付忠广,刘志坦,郝洪亮,周浩,刘玉刚.燃气轮机进气过滤器性能及测试评价方法[J].汽轮机技术,2020,62(06):401-405,433.

[4]UlfS.,FrederickM.,ThomasS.et.al.Theeffectofairfiltrationongasturbineperformancedegradation-ISO16890anditsapplicationtorealenginedata[C].TheFutureofGasTurbineTechnology9thInternationalGasTurbineConference,2018.

[5]清华大学.一种燃气轮机进气过滤系统运行状态实时监测方法[P].中国:CN112414911B,2021.8.24.