燃氣輪機空氣濾芯結霜堵塞預防技術

王蘇雯，呂悅，葉慶凡

陜西省天然氣股份有限公司（陜西 西安 710016）

0 引言

高效空氣濾芯為燃氣輪機提供清潔的空氣，是進氣通流系統除塵清雜、防腐防磨的核心元件[1]。通?？諡V平臺將潔凈的空氣輸送至燃氣輪機燃燒室內與天然氣混合燃燒，產生的熱能轉化為機械能用于壓縮機運轉，進一步實現天然氣長輸管道增壓功能。因此，空氣濾芯性能完好是長輸管道增壓設備平穩作業的首要保障。然而，2020年12月份[2]，陜北地區（榆林）空氣濕度達到57%，夜間最低溫度達-24℃，低溫外界環境使得空氣濾芯表面易出現不同程度結霜冰堵現象。濾芯霜堵不僅會降低部件本體使用壽命，更會導致燃氣輪機進氣壓降變大，燃燒室內空氣不足導致燃燒不充分，壓縮機功耗增加[3]，引發參數報警、異常停機、供氣中斷等惡劣工況，嚴重影響壓縮機正常、平穩、安全運行。

目前，燃氣輪機空氣濾芯性能檢測標準并未考慮環境濕度對過濾器性能影響[4]。近年來國內部分學者就高濕環境空氣濾芯抗濕性能開展試驗研究，李超、石俊鋒等指出合成纖維濾材空氣濾芯，可有效降低濾材吸水率，增強濾芯抗水霧能力[5]。張濤、劉道銀等提出提高過濾器耐濕性能和進氣加熱可以有效解決進氣系統濕堵[6]。相關研究均著重于濾芯本體結構機理分析，對于極端天氣燃氣輪機空氣濾芯現場維護技術研究較少。因此，研究高效空氣濾芯現場霜堵預防技術，對燃氣輪機穩定性、經濟性提升具有重要實用價值。

1 方案設計

TRIZ為前蘇聯發明家阿奇舒勒團隊通過對大量專利分析創造發明內在規律和原理理論，認為解決矛盾是產品進化的過程[7-8]。運用該體系方法分析空氣濾芯霜堵問題：冬季天然氣用戶用氣量增加，燃氣輪機需為壓縮機提供更多動能保障壓縮機相應功率正常運轉，促使燃燒室空氣需求量增加，空氣濾芯單位時間進氣量增大，對流換熱進一步加劇空濾表面霜的形成[9-10]，結霜堵塞又會導致機組異常停機。因此，空氣濾芯結霜與壓縮機高功率運行存在技術矛盾。以改善參數為生產率，惡化參數為作用與物質外部的有害因素為矛盾對象，選取矛盾矩陣中介物、變害為益解決原理進行方案設計。

1.1 中介物原理應用

空氣濾芯濾材組成主要為合成纖維，其導熱性低于金屬材料，因此設想空氣濾芯平臺外側加裝金屬隔霜網，其主要目的是對低溫濕空氣進行初濾和利用金屬導熱性強對濕空氣進行預冷除濕。由于金屬的導熱性強，濕空氣更易在金屬網表面凝結。隔霜網的設置實現了外界環境與空氣濾芯元件的半物理空間隔離，一方面孔隙網狀結構保障空氣進入燃機正常流通；另一方面轉移結霜位置，減少空氣濾芯表面結霜量。因此，對比常見金屬（不銹鋼）絲網性能，304號不銹鋼材應用廣泛易獲取，具有耐熱、耐酸、耐腐蝕、耐磨損等性能[11]，其不銹鋼絲網經濟性能好，常用于氣體、液體過濾和其他介質分離用。為保障隔霜效果，最大程度轉移結霜量，綜合考慮絲網篩孔尺寸大小對空氣流量的影響，以及隔霜網與濕空氣接觸面積對除濕效果的影響，通過對比試驗現場選用14目規格（1.40 mm篩孔）304不銹鋼“雙層隔霜網+人工通道門”設置隔霜部件（圖1）。

圖1 隔霜網現場應用

1.2 變害為益解決原理應用

燃氣輪機正常運作期間需要經煙囪向外界排放高溫尾氣，通常煙囪根部表面溫度220～262℃，設想從煙囪根部引熱至隔霜網（圖2）。隔霜網加熱后不僅能消除結霜，減小隔霜網人工除霜成本，且能預熱過濾空氣提高燃氣輪機的燃燒效率，實現“變廢為益”資源利用。

圖2 除霜設備設計示意圖

因此，現場將儀表風經無縫鍍鋅管引至燃氣輪機煙囪處，通過煙囪底部環繞銅管換熱至40～50℃，再由鍍鋅管引至加裝隔霜網處，且在鍍鋅管末端加裝噴槍（圖3、圖4）。當隔霜網結霜后，通過人工操作噴槍向隔霜網噴射熱空氣，達到快速高效除霜目的。

圖3 煙囪根部環繞銅管現場應用

圖4 除霜設備噴槍現場應用

2 效果評價

分別從實用性和經濟性兩方面評價加裝隔霜網對于預防燃氣輪機濾芯結霜的有效性和可行性。

2.1 實用性評價

空氣濾芯的壓降是影響燃氣輪機運行的關鍵指標，壓降過大將導致燃氣輪機機組異常停機，同時壓降也是濾芯清理和更換的指標。因此，選取相同氣量、溫度、機組運行工況等客觀條件，測定加裝隔霜網有無對燃氣輪機空氣濾芯壓降影響變化（表1）。

表1 有無隔霜網空氣濾芯壓損對比

結果表明當外部環境未構成結霜條件，濾芯及隔霜網均未發生結霜現象時，安裝隔霜網對空氣濾芯壓降無顯著影響；當外部環境使濾芯本體或隔霜網發生結霜現象時，加裝隔霜網可轉移結霜區域，相較于未安裝隔霜網空氣濾芯壓損有效降低52%，不僅避免了空氣濾芯表面結霜，有效避免了燃氣輪機機組的異常停機，且可延長供氣濾芯的使用壽命。

2.2 經濟性評價

隔霜網以304不銹鋼絲網為主體，周邊為角鋼固定，“除霜設備”以鍍鋅管、銅管及噴槍為材料元件，計算建設成本（表2）。

依據表2所示，未安裝隔霜網單臺燃氣輪機更換空氣濾芯（88個）成本費用為16.54萬元，改造設備建設成本費用為3.54萬元。結合濾芯工作時長、現場空氣潔凈程度及廠方建議考慮空氣濾芯更換頻率等因素，空氣濾芯維護累計費用計算過程如下：

表2 設備改造成本對比

未安裝隔霜網，更換頻率1年2次：

安裝隔霜網，更換頻率3年1次：

式中：x表示時間，年；y表示空氣濾芯設備的維護累計成本，元；INT表示數值取整。

結果表明單臺燃氣輪機隔霜網改造成本費用（空氣濾芯更換+隔霜網）為20.08萬元，為當年未安裝隔霜網空濾維護費用的61%，往后每3年更換1次濾芯。無隔霜網時每年更換空氣濾芯2次費用投入33.1萬元，第5年時加裝隔霜網空氣濾芯維護費用累計36.63萬元，同期無隔霜網空氣濾芯維護費用累計165.44萬元，節約128.81萬元，且隨時間兩者差異呈擴大趨勢，加裝隔霜網空濾維護經濟效益愈加顯著（圖5）。

圖5 空氣濾芯設備維護累計成本

3 結論

通過使用TRIZ原理分析燃氣輪機空氣濾芯平臺濾芯表面結霜的問題，綜合采用中介物和變害為益原理，設計了“隔霜網+除霜引熱設備”的技術方案，達到了隔霜、除霜的目的。

1）燃氣輪機空氣濾芯平臺加裝隔霜網，不僅能有效避免濾芯表面結霜，將霜結于隔霜網表面，實現了結霜位置的分離，且能降低結霜工況下濾芯的壓降，消除機組異常停機的隱患。同時，隔霜網對進入空氣濾芯的空氣進行初濾，除去空氣中因風沙攜帶的沙塵、草籽等異物，減小濾芯負荷，延長使用周期。

2）采用噴槍向隔霜網噴射熱儀表風的除霜方式，能夠消除隔霜網上的結霜，有效利用了燃氣輪機燃燒室尾氣的熱量，達到了“變廢為益”的目的，提高了能量的利用效率。

3）安裝隔霜網和除霜設備經濟成本低、初期投資小，延長空氣濾芯的使用壽命，減小濾芯更換次數，大大降低濾芯的維護費用，年均節約成本29萬余元。