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燃气轮机过滤的三大核心因素: 性能优先级排序

作者:Michael Roesner、Jason Tiffany和Prashant Shrikhande博士,唐纳森公司

燃气轮机设计用于将干燥、清洁的空气与燃油混合以产生能量。 由于进入系统的空气质量很重要,进气口设计和空气过滤对于涡轮机性能来说至关重要。 根据来自美国国家环境保护局的空气污染数据,按运行时间¹为1年计算,平均约有1,300pound磅(1磅=0.45千克)的颗粒物进入燃气轮机壳体和进气口滤芯。 空气中的灰尘和杂质可能会降低输出功率,增加燃油成本,还可能损坏重要部件。

过滤需求很大程度上取决于当地的空气质量,但几乎每个操作人员都需要评估三个性能因素: 过滤效率、耐水性以及脉冲清灰应用中的脉冲恢复率。 这三个因素可称得上是支持GTS达到理想运行状态的关键过滤“核心因素”。 多数情况下,所有这些特性都很重要,但它们的排序可能会随着当地环境和运行条件的变化而改变。 这三大核心因素可概括如下:

效率: 滤芯从进气口处空气中截留的颗粒物所占的比例是获得最广泛认可的性能指标。 过滤效率更高的滤芯必然具有相关的成本,因此操作人员需要确定一个能够带来投资回报的过滤效率等级。

耐水性: 在潮湿或临海区域,防潮性就成为了优先级较高的考虑因素。 水中含有的盐分和其他溶解固体具有极强的腐蚀性,通常比空气中的杂质更具危害性。

脉冲恢复率: 第三个关键因素是滤芯在清灰后恢复峰值性能的难易程度。 在沙漠或极寒环境中,较高的脉冲恢复率是首要考虑因素,这些区域要么长期暴露在有粉尘、雪和积冰的环境中,要么有可能突然出现很重的过滤负荷。

必须针对具体情况进行仔细评估,以根据当地情况和经营预算确定这些因素的排序。 通过确定优先级,您将能够找到最理想的进气口设计和滤芯组合,然后安装到燃气轮机系统中。

为了能够在评估过程对燃气轮机系统的所有者有所帮助,唐纳森现通过运用以下缩写和性能评分,就所有这三个因素对其生产的燃气轮机进气口滤芯进行测试与评级。

  • 过滤效率(Er0-Er5)
  • 耐水性(W0-W5)
  • 脉冲恢复率(S-P5)
唐纳森全新的用户友好型滤芯
评级系统简介

唐纳森根据燃气轮机操作人员对于过滤效率、耐水性和脉冲恢复率的特定需求以及这三个因素相应的优先级排序,帮助操作人员选择理想的滤芯。 数十年间,我们不断致力于为各种气候与环境中的燃气轮机操作人员提供帮助。根据所积累的经验,我们针对每一个关键特性制定了0-5分制的评级量表。现在,我们可根据这三个量表对每个唐纳森滤芯进行评级。 该框架将有助于全球范围内的众多操作人员精准而又轻松地平衡各滤芯特性。

下面我们将仔细探讨每个核心因素以及为何对其进行适当评级、排序并实现与其他核心因素间的平衡会有助于优化系统性能和运营成本:

效率: 平衡评级与成本

更高的过滤效率会提供更清洁的空气,从而有助于提高燃烧效率、实现持续稳定的功率输出以及延长涡轮机使用寿命。 过滤效率较低会导致引入颗粒杂质,弄脏涡轮机部件,进而降低压缩效率并对空压机的良好运行状况产生不利影响。 图1说明了过滤效率较低的Er2滤芯仅在1,200小时后产生的污垢就比过滤效率较高的Er5滤芯在5,000小时后产生的污垢要多很多。

图1: Er2(1,200小时)与Er5(5,000小时)

图1: 低效过滤(Er2)1,200小时后的进气口导流叶片(左侧),与高效过滤(Er5)5,000小时后的进气口导流叶片(右侧)的对比

用水清洗燃气轮机空压机有助于解决由于污垢堆积导致的功率输出下降问题;但重复清洗可能会降低整体过滤效率。 图2描述了功率输出,并对配备经过多次清洗的Er3/F类系统的燃气轮机与在同一系统中配备无需清洗的高效Er5/(H)EPA滤空气微粒芯进行了趋势对比。

F类滤芯呈下降趋势的曲线表示的是由污垢堆积导致的典型的功率输出降低趋势,清洗后,曲线便会向上波动。 多次清洗后,配备Er3滤芯的燃气轮机功率输出效率可能会低于配备无需清洗的Er5滤芯的燃气轮机功率输出效率

图2: 用水清洗后空压机过滤效率恢复的典型模式(示例数据)。 随着时间的推移,需对空压机进行多次清洗,以恢复其过滤效率及其功率输出损失。 Er5 / (H)EPA滤芯无需水洗即可维持空压机的效率及功率输出

Er5滤芯可降低空压机清洗需求,使涡轮机保持较高效率。 这还有助于减少与维护和设备停机相关的“软成本”。

在评估财务收益时,涡轮机可用性通常是一个关键因素,因此操作人员希望尽可能降低停机成本。

影响滤芯过滤效率的其他因素包括气流和压降。 由于滤芯堵塞或尺寸过小而导致的进气口压力降低会影响涡轮机的功率输出。 如果滤芯运行时的流速超过了设计规格,产生的压降便会降低系统性能。

压降通常会随着滤芯负荷的增加而变大。 但是,还需要考虑一些权衡因素,并且必须实现各个因素之间的平衡。 高效滤芯的压降会有所增加,但仍可维持长期收益,因此,燃气轮机系统的所有者和操作人员应与滤芯供应商密切合作,以确定理想的过滤效率等级和滤芯特征。

各种过滤效率评级系统已在整个过滤行业得到应用(请参见侧边栏中的“过滤效率评级和分类方法”)。 简单起见,唐纳森现将不同的方法整合到一个过滤效率量表(从Er0到Er5级)中,如图3所示。

图3: 过滤效率级别较高意味着对颗粒杂质的防护能力就越强。 唐纳森提供的这一简单的分类方法整合了所有主要的测试标准

过滤效率评级和分类方法

滤芯过滤效率通过比较滤芯上游和下游的颗粒杂质含量来指示滤芯性能。 这种过滤效率通常表示为滤芯捕获颗粒杂质占上游颗粒杂质含量的百分比。 然而,过滤效率的分类方法却多种多样。

在美国,滤芯历来都是根据最低效率报告值(MERV)评级进行分类,该MERV由美国供暖制冷空调工程师学会(ASHRAE)制定。 MERV评级范围为1至16,评分越高,性能越好。 在欧洲,使用两种标准进行评级: 欧洲规范(EN)779和EN1822。 EN779标准包括范围为G1-G4、M5-M6和F7-F9的评级,这些评级所涵盖的过滤效率范围通常与MERV评级1-15的过滤效率范围相同。

专业术语“有效空气微粒过滤”(EPA) 和“高效空气微粒过滤”{H)EPA) 是评判过滤效率是否达到较高等级的最常见指标。 根据EN1822标准,(H)EPA的定义为至少可去除99.5%的大小达到最易穿透粒径(MPPS)的颗粒杂质。 EN1822滤芯评级范围为E10-E12,通常与EPA和(H)EPA过滤等级相对应。

最近,一项新标准ISO 16890已在全球范围得到推广,以统一滤芯测试和评级方式。 该方法更侧重于颗粒物(PM)分类。 ISO 16890测试程序具有一定的挑战性,该程序要求针对更大粒径范围内的颗粒物测试滤芯的过滤性能,然后测量滤芯在以下3个特定粒径范围内的平均颗粒物捕获量: PM1、PM2.5和PM10。 由于多重测试标准带来的复杂性,唐纳森设计了一个过滤效率工具,将这些测试标准整合成一个易于使用的过滤效率量表(从Er0到Er5级),如图3所示。

图4: 水和溶解固体物会导致涡轮机叶片的腐蚀
耐水性: 防腐蚀

就像灰尘从效率较低的过滤系统中逸出一样,水也可以影响涡轮机性能。 进入气流的水分会携带溶解盐类和其他固体。

经过一段时间后,铁氧化物、氯化物和其他杂质等化合物会引起腐蚀,如图4所示。 然后,可能就需要对涡轮机叶片进行打磨、维修和重新平衡,而这正是操作人员希望避免的。

图5: 沿海地区大气中的氯化物浓度普遍偏高

 

耐水性对于沿海区域来说尤为重要,因为海水中的盐分会加速设备的腐蚀。 因此,对于盐水的防护即代表着影响燃气轮机²使用寿命的一个关键因素。 燃气轮机制造商给出的建议通常是:进入燃气轮机的盐粒粒径不得大于0.01ppm。 在沿海环境中,一般而言,一天当中空气中的盐粒粒径变化范围很容易达到0.05至0.5ppm。

根据国家大气沉降项目³(National Atmospheric Deposition Program)汇编的数据,沿海地区大气中的氯化物浓度有时会是内陆地区的10倍以上,如图5所示。

石化环境同样也会带来挑战,因为若耐水性不足,碳氢化合物则可能进入气流。 这些产物会使叶片上出现粘性沉淀物,进而对性能产生不利影响。

耐水性应便于操作人员进行评估。 请您的滤芯供应商提供一份独立的实验室测试报告,验证某个特定滤芯选配件是否防水,如果不防水,则确定该配件在潮湿的环境下如何工作。

唐纳森制定了一种适用于在受控环境中测试滤芯的新方法,以确定可以通过滤芯的水量(如果有的话)。 测试要求在8小时内以60升/小时的速度向滤芯喷水。 记录滤芯的压降和通过滤芯的水量。

图6: 耐水性较好则表明,滤芯能够防止水浸入,并且在遇到水时也能实现稳定的压降
图7: 滤芯测试阐明评价较高的滤芯如何减少压降增加

根据此信息,唐纳森按照评级范围为W0至W5的量表对其燃气轮机滤芯进行评级,评分值越高就表明耐水性越好。 评级为W0的滤芯无法截留任何水分,而评级为W5的滤芯则可以通过测试,其测试结果是:可截留至少99.5%的水,并且压降增加不超过2英寸水柱(WG)(1英寸水柱=25.4毫米水柱)。 这些评级的图形显示如图6所示。

唐纳森根据此耐水性量表对其最常用的燃气轮机空气滤芯进行了测试和评级。 图7展示了评级更高的滤芯的压降增加幅度如何随着时间的推移而降低。

恢复速率: 有效对滤芯进行脉冲清灰

进气口设计包括静态系统和自清洁(脉冲清灰)系统。 脉冲恢复率测量对滤芯进行清洁的频率及每次清洁时可以恢复多少压降。

在针对脉冲设计的滤芯壳体中,可以通过从滤芯的洁净空气侧引入压缩空气“脉冲”来对滤芯进行清灰。 这种方式将从脏滤芯的滤材上游一侧去除尘埃颗粒杂质和碎片。 这一做法可以使压降最小化、延长滤芯使用寿命并避免由于滤芯上污垢堆积导致的计划外停工,因而有助于降低运行成本。 在脉冲清灰系统中,这一过程可以在涡轮机运行期间完成。

恢复率是指滤芯恢复到“像新的一样”的状态并稳定压降以保证连续运行的速率。 脉冲恢复率越高,滤芯越“洁净”。 脉冲系统的恢复率很大程度上取决于滤芯所在环境和滤材类型: 表面过滤或深层过滤。 深层过滤滤芯的整个滤料层中包含可捕获粒径逐渐变小的颗粒杂质的各个过滤层。 虽然深层过滤滤芯能够截留较广粒径范围内的颗粒杂质,但却无法进行脉冲清灰。 另一方面,表面过滤滤芯可捕获最上面一层滤料层上的所有颗粒杂质,并形成一个可通过脉冲清灰轻易去除的轻质“尘饼”,从而延长滤芯的使用寿命。

与过滤效率和耐水性一样,脉冲恢复率也可以使用实验室测试数据进行评级。 唐纳森制定了适用于测量脉冲恢复率的流程。 将滤芯长时间暴露在模拟沙尘暴环境下,测量滤芯的压降和过滤效率,以便对脉冲恢复率进行评级,如图8所示。 在唐纳森制定的量表中,S类滤芯被认为无法在无损伤的前提下进行脉冲清灰,而P评级范围中的其余等级则表示脉冲恢复率的等级。 静压(S)类滤芯有多种不同的性能因素,唐纳森目前正针对这些应用制定独立的评级系统。

图8: 更高等级的脉冲恢复率表明,滤芯在充满挑战的粉尘环境中具有稳定的压降性能

如果滤芯壳体没有脉冲系统,则静压过滤解决方案为理想选择。 典型的静压过滤解决方案利用深层过滤滤材,并侧重于通过平衡压降和容尘纳污能力使滤芯的使用寿命最大化。

但是,通过简单的示例就可说明脉冲清灰滤芯系统的优点。 如果滤芯每天捕获10gram克颗粒杂质,100天内便可捕获共计1000gram克的颗粒杂质。 颗粒杂质的堆积还会导致系统内的压降增加。 如果确定压降接近容许极限,则需要对滤芯进行更换或清灰。 表面过滤滤芯可在运行期间进行清灰,而深层过滤滤芯则需要进行更换。

脉冲系统通常可在有大量粉尘、雪和可能结冰的地区发挥出最大效用。 在这些环境中,过滤系统在使用寿命方面实现的效益要远大于脉冲清灰系统产生的额外成本。 在较不容易存在粉尘、雪和冰的地区,脉冲系统可能不具有成本效益。

图9: 脉冲恢复速率更高的滤芯通常能够在更长时间内维持较低的压降。

运行脉冲清灰系统有相当大的优势。 与汽车挡风玻璃的雨刷相似,脉冲清灰可能是发生恶劣天气事件时的主要应急措施。 若需要对滤芯进行清灰,但又不想中断功率输出,脉冲清灰便可大显身手了。 完整的功能性系统,其中包括支持脉冲清灰功能的滤芯,可为操作人员提供一个在脉冲清灰期间仍可持续运行的过滤系统。 如果您现有的系统支持脉冲清灰功能,那么在大多数情况下,对该系统进行维修以及为其配备支持脉冲清灰功能的滤芯所带来的优势与效益要远大于计划外停工产生的成本。

恢复率与压降之间的关系可以参见图9。 该图说明,在模拟粉尘环境中,随着时间的推移,三种具有不同脉冲恢复率的过滤系统能够在多长时间内维持可接受的滤芯压降。 通常,恢复率更高的滤芯能够在更长时间内维持较低的压降。

另外,还需对脉冲清洁系统的运行进行适当的考量。 通常会采用以下三种方式之一运行系统: 1)手动方式;2)基于压降的自动方式;或3)基于时间间隔的自动方式。 无论采用手动方式还是自动方式,都需要在污垢堆积达到有问题的程度前进行清灰。 例如,如果在达到适当的时间间隔后未能启用清灰功能,则污垢堆积可能会达到造成严重运行问题的程度。 与任何运行或维护功能一样,疏忽会增加故障风险。

某些情况下,仅需要脉冲系统防止滤芯上污垢堆积。 在冰、雪、极端霜冻和沙尘暴期间,脉冲系统实际上可作为一种预防措施,以确保涡轮机和持续运行。

概括起来就是: 评估需求

有关涡轮机进气系统设计与滤芯的决策,在很大程度上取决于环境条件。 三大核心因素,即过滤效率、耐水性和脉冲恢复率,通常不独立存在,但需要一个综合性方法进行考量。 为燃气轮机选择滤芯的过程中,在确定理想的平衡因素以及组合方式时,应将潜在的停机成本和长期的投资回报(ROI)考虑在内。

评估ROI时,有许多因素会影响过滤成本。 每位操作人员的方案都需要进行评估,因为并非所有人的ROI都是相同的。 例如,评估过滤效率时,过滤效率等级较高并非总是属于合理情况。 只有在增加的产出效率抵消了略微增加的压降成本时,才能实现经济的ROI。 从长远来看,有时候,较低的过滤效率实际上更富有成本效益。 同样,在沿海地区,耐水性比过滤效率更重要,但在干旱区域,则不太可能接触腐蚀性海洋大气。

每种情况各不相同,需要对操作人员的需求进行全面评估,以确定理想的滤芯设计方案。 每个工厂不仅需要考虑技术因素,还应考虑经济效益。 至少要评估哪些因素是最重要的,以便满足操作人员的需求。

改用合适的进气系统滤芯: 两个案例

Er|W|P曲线图方便您进行同类比较,选择更合适的唐纳森进气口滤芯评级量表,从而帮助工厂针对其特有的运行和环境条件,更换为合适的过滤解决方案。 如果工厂的环境或运行条件发生了改变,唐纳森可基于过滤效率(Er)、耐水性(W)和脉冲喷吹恢复(P)帮助工厂选择合适的过滤解决方案。这三个特性会因不同类型的滤芯而有很大差异,而且若结合起来看,这三个特性也有可能导致运行成本增加。

利用现有滤芯的基线型曲线图,所有者可以根据新的条件,选择按照最重要的特性评级时等级较高的替换用滤芯。 Er|W|P曲线图方便您进行同类比较并选择更合适的评级量表。 唐纳森通过标准化测试,根据0-5分制量表为现有滤芯和提议的过滤解决方案确定Er|W|P。

以下是使用Er|W|P评级进行滤芯更换并因此而获益的两个假设案例:

环境问题
位于农业区的某工厂正在通过在深层过滤滤芯外包覆一个预过滤滤芯的方式,应对尘土飞扬的收获季节。 预过滤滤芯和滤芯的负荷开始迅速加重,并且需要经常进行更换。 所有者发现有一个采石场向西重新开放,这加剧了粉尘问题。 唐纳森拆下该工厂的现有滤芯并对其进行测试,发现该滤芯具有中高等级的过滤效率(Er3)、中等耐水性(W2)以及较差的脉冲清灰性能。 (P1)。 问题显而易见: 现有滤芯有限的脉冲恢复率(P1)无法应对高浓度粉尘。 利用这一对比信息,唐纳森建议该工厂改用Er3|W1|P5型滤芯。 该工厂需要的滤芯对耐水性没有要求,但必须能够尽可能提供较高的脉冲恢复率(P5),以便有效过滤高浓度粉尘。 通过这一改变,该工厂可在高浓度粉尘环境中实现连续运转并获得短期投资回报。

运行方面的改变
一家每年按需最多可运转1,500小时的工厂,需要改用一个可运行8,000小时的基本负荷系统。 自从出现了停机这一新问题,用水清洗便不再是优化空压机效率的有效选择。 确保空压机有良好的运行状况和稳定的功率输出,成为该工厂要处理的首要问题,解决方法就是改用另一种进气口滤芯。 在一次咨询中,唐纳森拆下了该工厂原有的组合式滤芯并对其进行测试,发现该滤芯具有中高等级的过滤效率(Er3)、很差的耐水性(W1)以及非常出色的脉冲清灰性能(P5)。 唐纳森建议改用评级为Er5|W5|P1的滤芯,此类滤芯可提供更好的过滤效率和耐水性,并且不太侧重于脉冲清灰性能。 这一建议使该工厂实现了停机时间最小化以及功率输出最大化。

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Mike Roesner是美国唐纳森公司燃气轮机系统小组的销售经理,Jason Tiffany是该小组的产品开发团队负责人。 

参考资料:

  1. “Technology Review of Modern Gas Turbine Inlet Filtration Systems,”International Journal of Rotating Machinery, Volume 2012 (2012)(“现代燃气轮机进气口过滤系统技术评论”,International Journal of Rotating Machinery,2012(2012)卷)
  2. 国家大气沉降项目/国家趋势网 (National Atmospheric Deposition Program/National Trends Network)
     
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