燃气轮机进气过滤系统颗粒物监测装置的研制

0引言

燃气轮机进气过滤器是保障燃机进气质量和压气机洁净度的系统,是燃气轮机安全、可靠、经济运行的重要保障,是有效保护压气机的重要部件^[1—2]。如果进气过滤器过滤效果不佳或选型不当,会导致压气机积垢、磨损、腐蚀、疲劳和外物撞击等失效模式的出现,压气机性能严重退化,可造成的输出功率损 失在2%~20%^[3—4]。

当前,对燃机进气过滤器性能的评估主要有实验室检测和滤芯挂机实验,实验室检测是以实验室数据作为衡量其实际运行性能的基准,滤芯挂机实验是在实验结束后拆卸滤芯送往实验室进行进一步评估。但是,滤芯挂机实验方法涉及停机、拆卸和重装滤芯的烦琐过程,耗时且费力,更为关键的是缺乏在线、定量的检测方法来精确追踪压气机及进气过滤器性能劣化的趋势^[5]。实验室检测难以反映燃机进气过滤器在真实应用环境下的性能,与真实环境差异大,颗粒物成分不符,实验数据存在局限性。鉴于上述问题,某燃气轮机厂结合现场实际,提出研制一种燃气轮机进气过滤系统颗粒物在线监测装置的创新理念。

1创新技术研究

通常,燃机电厂燃气轮机进气滤芯的使用寿命约两年,燃气轮机运行过程中,滤芯工作环境复杂多变,运维人员很难掌握进气系统的实时状态,只能依据压降损失的变化来评估滤芯的状态,再判断滤芯是否需要清洗或更换,此方法存在判断依据单一、可靠性不高等缺点^[6]。文献[7]提出了利用折合标准工况下的压降损失来进行过滤器健康状况评估的方法,然而,该方法仅限于识别过滤器的堵塞和局部泄漏失效状态。因此,基于当前的过滤器效率检测方法无法实现实时在线监测。

基于此,该燃机厂整合了光学传感技术、多传感技术、机器学习算法以及电迁移技术,创新研制了一种高效的进气过滤系统性能监测装置。同时,基于收集到的数据,该技术采用正反向相结合的评估方法,对进气过滤器进行全面、综合的性能评估,从而为过滤器的运维提供依据。

2颗粒物监测装置的设计

该燃机电厂位于北京市朝阳区,地理位置特殊,对空气质量要求高,因此,电厂需要对燃机进气平台的空气质量进行监测。该电厂聘请第三方检测机构对燃机进气平台的空气质量进行检测,发现在燃机进气平台附近存在较多挥发性有机物(VOCS),检测结果如表1所示。此外,还能直观地看到存在一些颗粒物(粉尘),部分颗粒物经粗滤、精滤进入压气机内部,沉积在压气机叶片表面,改变了叶片空气动力学特性及流道,引起压气机效率的下降。因此,设计颗粒物监测装置,对进气系统内过滤器前、后的污染物进行监测,基于监测数据和运行数据,对过滤器的性能进行综合评估。

2.1监测装置的设计

为评估进气过滤器的性能,在精滤前、后的关键位置分别设置了颗粒物(粉尘)采集传感器组。该传感器组测量功能全面,包括颗粒物数量浓度、质量浓度、温度、压力、湿度以及TVOC的监测,并具备污染物采样的能力。其中,颗粒物的数量浓度被精确划分为六个粒径段进行显示,分别为0.3、0.5、1、2.5、5、10μm;而质量浓度则依据三个粒径段进行显示,即1、2.5、10μm。这一设置确保了评估结果的准确性和全面性^[8]。

颗粒物监测装置的组成如图1所示。研究发现,基于光学计数的颗粒物传感器测量结果受环境湿度和运行时间影响较大,为消除环境湿度和运行时间对测量结果的影响,采用机器学习算法,通过与SIS CPC3781和APS实验室标准测量仪器测量结果进行比较,构建传递函数。同时,采用多传感器技术,消除传感器安装位置对测量结果的影响。因此,传感器12和14将机器学习算法、多传感器技术和光学传感检测技术相结合,实现了对颗粒物浓度的高精度测量。此外,为了确保数据的稳定性和可靠性,传感器组还配备了 自校准功能,能够定期进行 自我校准 , 以消除长期运行中可能出现的偏差。传感器11和13采用电迁移测量原理,实现微细颗粒物的测量与捕集。传感器的测量结果通过USB数据线17、18传输至数据处理装置19,还可通过无线或TCP/IP协议将数据传送至远程服务器。

由于所设计的传感器测量范围较大,同时具有较强的数据稳定性,在内部流道设计中可充分保证检测数据的准确性和稳定性,因此,对于采样部分,可采用较为简单的设计,通过流量计5、6与真空泵7、8实现污染物的吸入。

2.2监测装置采样点的选择

采样器采样点位置的选择应遵循以下原则:一是应具有代表性,能反映过滤器滤芯性能,在过滤器性能演变、劣化趋势、发生故障时起到早期预警和预报作用,对过滤器故障做出清洗或更换的判断;二是采样点选取位置应尽量便于布置采样器和采样管,尽量减小管路布置尺寸,减少附属零部件。

基于采样点位置的选取原则,结合现场位置分析,选取截面中心区域作为过滤器采样点,可反映性能演变状态,起到监测、预警的作用。在该区域内选靠近进气道壁面的位置采样,简化管路布置,安装和固定方便,空间足够,便于管路横向延伸,如图2所示。燃机进气过滤器出气端采样器安装在左起第9排、下数第4排过滤器附近,距过滤器约10cm,以确保安全并简化系统。

采样管采用长6 m的316L不锈钢管,横向伸入第9个过滤器后平滑折转90O迎风采样。采样头和管道采用一体化设计,确保连接紧密牢固。不锈钢管通过304不锈钢卡箍和M6螺栓焊接固定在角钢支架上,防止震颤,如图2(a)所示。整个管道水平布置,采用一体化设计,无活动件,保证在使用过程中不松动,避免零部件脱落,如图2(b)所示。

2.3监测装置数据采集程序

监测装置数据采集程序为燃机过滤器传感器测量结果通过USB数据线传输到数据处理装置(图1)。该在线粒子监测装置进气数据与机组运行数据采集采用完全物理隔离,保证了电厂主机逻辑程序的安全性。同时,所有数据均采取在线监测的方式进行采集,通过将现场取样装置进气数据与电厂运行数据传输至系统服务器,帮助技术人员对燃机过滤器进行状态综合分析,如图3所示,通过数据分析判断滤芯的性能及寿命,以此作为滤芯清洗或更换的依据。

3结束语

针对燃机进气过滤器性能评价领域缺乏有效的实时监测技术的难题,该燃机电厂基于光学技术、电迁移技术、多传感器技术等,研制了一种燃机进气过滤系统性能监测装置,该装置通过在进气系统精滤前后分别布置传感器组采集数据,采用USB数据线将数据传输至数据处理器与燃机SIS数据进行综合分析,对过滤器的运行状态进行评价,以此作为滤芯清洗或更换的依据。

此装置已在该电厂长期运行应用,从运行状况来看,该装置采集数据精准,技术人员可准确判断过滤器的运行性能,对过滤器采取清洗或更换的处理措施。因此,该创新设计值得推广应用。

[参考文献]

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2025年第2期第17篇