CN113176191A - 一种燃机进气系统过滤效率在线测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃机进气系统过滤效率在线测试系统，包括：风速测量仪，进行燃机进气系统内的空气流场测定；上游等动力采样装置、下游等动力采装置，分别获得上游采样、下游采样；清吹装置，进行反吹清扫；参考过滤器单元，作为参考比对测试对上游等动力采样装置的采样进行过滤，获得参考比对采样；计数效率测试装置，分别对上游采样、下游采样和参考比对采样进行粒子计数，计算待测过滤器单元的过滤效率。本发明能够有效测试燃气轮机在实际运行环境下的进气系统过滤效率，掌握燃机进气过滤器实时健康状态，减少和避免过滤器失效导致污染物对压气机及热通道部件造成不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机空气进气过滤领域，可以扩展旋转机械进气过滤以及一般通风进气等领域，具体涉及一种燃机进气系统过滤效率在线测试系统和方法。
背景技术
为了避免因粉尘、油雾、气溶胶颗粒物质、碳氢化物以及硫氧化物等随空气吸入后造成燃机压气机及高温部件的侵蚀、结垢、腐蚀和阻塞冷却通道等危害，燃气轮机对进入的空气中颗粒物粒径和污染物成分有着严格的要求。例如Solar燃机对进入的空气污染物限制为不超过500ppmw,同时禁止大于10um以上颗粒物进入压气机；某GE重型燃气轮机对进气要求为小于2um灰尘颗粒的浓度不超过0.06ppm,对2um至10um灰尘颗粒浓度不超过0.02ppm,对大于10um灰尘颗粒浓度不超过0.0002ppm。随着燃气轮机追求更高的效率、更长的使用寿命和更短的运行维护周期的需求，燃机对进气空气质量的要求更加严格。
作为外界空气进入燃机的重要防线，燃机空气进气过滤系统应根据实际运行环境安装多级过滤器，同时通过对过滤器类型和过滤等级合理配置以满足保障燃机进气空气质量的要求。当前发电用燃气轮机用户在运营中存在以下的问题，一是对燃机进气过滤器效率等评价测试一般在实验室进行，而实验室的测试结果仅代表进气过滤器在实验室试验环境条件下的特性，不能反应出在不同运行环境进气条件下实际性能，同时无法获得进气系统在过滤器不同组合配置后的实际性能；二是燃机进气系统中可能存在带静电滤材的过滤器，在运行中当滤材静电逐渐减弱和消失时，过滤器的过滤效率将会大幅度下降，导致进气过滤系统过滤效率大幅度下降。此时过滤器失去对小颗粒物的过滤功能，致使大量污染物进入燃气轮机，污染压气机和其他部件，影响机组安全经济运行；三是当前在运燃机进气系统中仅有过滤级间进气压差的监测，而缺少过滤效率的监测，不能够反应出进气系统在实际运行环境下和运行工况下的过滤效果，无法掌握进入燃机的空气质量，燃机运营存在着一定的安全隐患和风险。
解决上述问题的关键是对燃机进气系统过滤效率在实际运行环境下进行在线测试，使燃机用户能够实时的检测进气系统的实际过滤效率，了解不同类型或配置进气系统的效率变化情况，掌握进入燃机空气质量以保障燃气轮机安全经济运行，同时可为更换进气过滤器及燃机压气机水洗维护等提供科学依据。
燃机进气过滤系统在线效率检测属于行业空白，本发明专利具有重要的价值和意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够在线测试进气系统过滤效率的测试系统。
为了达到上述目的，本发明提供了一种燃机进气系统过滤效率在线测试系统，包括：
风速测量仪，进行燃机进气系统内的空气流场测定；
上游等动力采样装置、下游等动力采装置，远离进气系统内气流湍流区和滞留区，分别布置于待测过滤器单元前后、并迎风水平固定安装于近空气流速相匹配的区域，分别获得上游采样、下游采样；
清吹装置，对上游等动力采样装置、下游等动力采样装置进行反吹清扫；
参考过滤器单元，作为参考比对测试对上游等动力采样装置的采样进行过滤，获得参考比对采样；
计数效率测试装置，分别对上游采样、下游采样和参考比对采样进行粒子计数，计算待测过滤器单元的过滤效率。
进一步的，上游等动力采样装置包括上游等动力采样头和采样管；下游等动力采样装置包括下游等动力采样头和采样管；上游等动力采样装置及下游等动力采样装置的采样管的直径及长度一致，且一端分别伸入燃机进气系统内对应区域处，分别与上游等动力采样头、下游等动力采样头相连。
进一步的，计数效率测试装置包括三通阀、电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、泵Ⅰ、泵Ⅱ、粒子计数器；清吹装置采用压缩空气单元；上游等动力采样装置的采样管的另一端分为两路，一路与三通阀相连，另一路依次通过电磁阀Ⅰ、比对过滤器单元与泵Ⅰ、粒子计数器相连；下游等动力采样装置的采样管的另一端通过三通阀与所述粒子计数器相连；压缩空气单元分别与三通阀、参考过滤器单元相连。
进一步的，燃机进气系统过滤效率在线测试系统还包括高效过滤器、流量计Ⅰ、流量计Ⅱ、稀释器；流量计Ⅰ与泵Ⅰ相连；下游等动力采样装置的采样管的另一端分为两路，一路与三通阀相连，另一路依次通过电磁阀Ⅱ、高效过滤器、泵Ⅱ与流量计Ⅱ相连；稀释器分别与粒子计数器、参考过滤器单元、压缩空气单元及泵Ⅰ相连。
进一步的，燃机进气系统过滤效率在线测试系统还包括温湿度计；温湿度计设于进气系统内。
本发明还提供了采用上述在线测试系统进行燃机进气系统过滤效率的在线测试方法，该在线测试方法包括以下步骤：
(1)燃机进气流场分析：在进气系统横向截面中，将待测过滤器单元前后的上游和下游横截面进行分区测试，计算风速平均值和变异系数CV；
(2)采样测试：选取变异系数CV不大于25％的上游横截面和下游横截面，在上游截面和下游截面中最接近风速平均值的区域内分别进行上游采样和下游采样，进行粒子计数；并将选取的上游截面区域内的上游采样经参考过滤器单元后获得参考比对采样，进行粒子计数；分别计算待测过滤器单元和比对过滤器单元的过滤效率；
(3)进气系统过滤效率测试：通过步骤(2)计算得到的过滤效率数据，建立实际使用环境与实验室标准环境的数据相关性。
其中，步骤(2)中进行粒子计数时，采样顺序依次为下游采样、上游采样和参考比对采样，获得待测过滤器单元和参考过滤器单元在不同名义粒径段的过滤效率。
步骤(3)中进气系统过滤效率测试的具体方法如下：测定在实验室条件下参考过滤器单元不同粒径段的过滤效率，与步骤(2)中实际使用环境下参考过滤器单元的过滤效率比对，获得实际使用环境下不同名义粒径段的修正粒径，从而获得待测过滤器单元对应修正粒径的过滤效率。
进一步的，进行实际使用环境下不同名义粒径段的粒径修正时，采用线性插值法。
述步骤(2)中采样测试，每次采样时间不少于20秒，且至少循环进行6次采样。
本发明在线测试方法还包括进气过滤器计重效率测试，通过对下游采样和参考对比采样连续采样一段时间后，分别记录下游采样和参考对比采样流量，及高效过滤器和参考过滤器单元在采样前后的重量，计算待测过滤器单元计重效率。
待测过滤器单元计重效率A通过以下公式计算：
其中，Mu和Md为采样前高效过滤器和参考过滤器单元的重量，Mu1和Md1为采样后高效过滤器和参考过滤器单元的重量，Qu和Qd为下游采样和参考对比采样流量。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提出的燃机进气系统过滤效率在线测试系统和方法属于第一次提出，可以测试燃气轮机在实际运行环境下的进气系统过滤效率，掌握燃机进气过滤器实时健康状态，减少和避免过滤器失效导致污染物对压气机及热通道部件造成不利影响；同时填补了燃机进气系统监测和检测领域空白，对保障燃机空气进气质量和机组的安全经济运行具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明燃机进气系统过滤效率在线测试系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中进气系统横截面的分区示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
实施例1燃机进气系统过滤效率及进气过滤器评价测试
本发明针对燃气进气系统的过滤器单元(含一级或多级过滤器单元，图1所示待测过滤器单元2)进行效率在线测试，在待测过滤器单元2的前后设置上游等动力采样头1、下游等动力采样头3，以及三通阀4、压缩空气单元5、稀释器6、粒子计数器7、泵Ⅰ8、泵Ⅱ14、流量计Ⅰ9、流量计Ⅱ15、电磁阀Ⅰ10、电磁阀Ⅱ12、高效过滤器13、参考过滤器单元11、温湿度计16、以及不同过滤器级间设置压差计。
本发明通过测试燃机在实际运行环境下进气过滤前后的大气尘粒子浓度，得出燃机进气系统实际过滤性能；同时通过对比参考标准过滤器在实际环境下的过滤性能，得到实际使用中过滤器的性能变化情况和在实验室标准检测条件下的过滤级别。包括步骤：
(1)燃机进气流场分析。燃机在运行时所需空气量大，进气系统内布置设备多，同时有多种高低位等布置方式和受进气口外部空间和物体的影响，进入燃机进气系统内的空气流场较为复杂。在进气系统横向截面中，不同位置的空气流速可能不同。
以某GE 6F机组进气系统为例，横截面尺寸为9m*9m,待测过滤器单元2包括粗效初级过滤器及亚高效过滤器等二级过滤系统,在燃机基本负荷下进气系统处理进气空气的体积流量为166Nm3/s，平均风速约为2m/s。将待测过滤器单元2后1m处截面(即下游截面)平均分为3*3区域并分别迎风测试空气流速，如图2所示。采用风速测量仪器分别进行测试，计算风速平均值和变异系数CV；同时可采用流体动力学软件辅助流场模拟。
CV＝δ/mean
| δ | 测试数据标准差 |
| mean | 测试数据平均值 |
测试得到1至9点的风速分别为1.7m/s、1.9m/s、2.1m/s、2.0m/s、1.9m/s、2.3m/s、2.1m/s、2.1m/s和1.8m/s，计算得到平均风速为1.98m/s，CV为8％。
同样对待测过滤器单元2前1m处截面(即上游截面)平均分为3*3区域并分别迎风测试空气流速。采用风速测量仪器分别进行测试，计算风速平均值和变异系数CV，测试得到1至9点的风速分别为1.9m/s、1.9m/s、2.0m/s、2.1m/s、.2.2m/s、2.1m/s、1.9m/s、2.1m/s和2.1m/s，计算得到平均风速为2.03m/s，CV为5.5％。
以上两处截面的选取CV均不大于25％，即所选横截面避开了进气系统中气流气流湍流区和滞留区。
(2)布置和安装等动力采样头。选取直径D的等动力采样头，保证采样空气流速和燃气进气流速向匹配并布置在燃机进气系统中。为减小误差，根据步骤(1)得到风速平均值，在CV不大于25％时，将上下游等动力采样头布置在最接近风速平均值的区域(即图2中4点位置处)，同时远离进气系统中气流湍流区和滞留区。上下游采样均迎风水平安装和固定。同时为减少采样误差，上下游采样管直径和长度均保持一致。
(3)采样管清吹。在上下游系统每次采样前，分别通过压缩空气单元5将0.5MPa的压缩空气分别对上下游采样管进行反吹清扫，以避免管道中滞留的污染物影响采样和增加计算误差。
(4)进气过滤器计数效率测试。包括上游采样测试、下游采样测试和参考比对测试等。电磁阀Ⅱ12保持关闭状态，首先进行下游采样，关闭电磁阀Ⅰ10，经泵Ⅰ8抽吸一定量的空气经下游等动力采样头3流经采样管，经由三通阀4进入粒子计数器7进行测试。然后进行上游采样测试，经泵Ⅰ8抽吸一定量的空气经上游等动力采样头1流经采样管，经由三通阀4进入粒子计数器7进行测试。最后进行参考比对采样测试，关闭切换阀4，打开电磁阀Ⅰ10，经泵Ⅰ8抽吸空气经上游采样头1后流经采样管，经参考过滤器单元11过滤后进入粒子计数器7。
参考比对测试不仅可以测试实际运行环境下的进气系统或过滤器过滤效率，又可以计算出现场在运的过滤器采用实验室标准气溶胶测试的性能数据，建立实际使用环境与实验室标准环境的数据相关性，便于在实验室或现场环境等同一维度下分析过滤器的性能变化。过滤器计数效率测试的采样顺序依次为下游采样、上游采样和参考比对采样，一般情况下每次采样时间不少于20秒并至少循环进行6次采样。本实施例中，下游、上游、参考比对采样测试的每次采样时间均为30秒，并循环交替进行一组6次粒子采样。
根据以上公式，对不同粒径，均取粒子计数器6次采样得到粒子数的平均值用于计算过滤效率。分别得到参考过滤器单元11的过滤效率
和燃机进气过滤效率(待测过滤器单元2)
如下表所示。
在实验室条件下参考过滤器单元11对气溶胶DEHS的过滤效率为
(5)粒径修正方法
根据参考过滤器单元11实验室条件下对不同名义粒径段的过滤效率与现场环境下的大气尘的过滤效率进行比较分析，依次求出各名义粒径的修正粒径。对参考过滤器单元而言，在修正粒径处，实验室条件下DEHS(C26H50O4)气溶胶粒子过滤效率与现场大气尘的过滤效率相等。在得出修正粒径基础上，得到燃机现场进气过滤器的对应修正粒径的过滤效率。
参考过滤器在现场使用环境下和实验室条件下的过滤效率
和
具体采用线性插值法：
粒径cn对应的过滤效率为
cn+1对应的过滤效率为
cx为cm修正后的粒径，对应参考过滤器的过滤效率
同时也是过滤效率
相对应的粒径。m＝1开始，依次对所有粒径进行修正。
修正后粒径与对应过滤效率如表所示：
根据修正粒径及对应的过滤效率，进一步可求出燃机进气过滤系统对空气中0.4um粒径的污染颗粒物过滤效率为63.4％,对1um粒径的过滤效率为83.42％,对2.5um粒径的过滤效率为93.41％。
实施例2进气过滤器计重效率测试
在燃气轮机在某一负荷下运行下，空气进气量为Q。在上下游取样统中分别安装高效过滤器(安装位置分别为实施例1中的参考过滤器单元11处，即图1所示参考过滤器单元11采用高效过滤器，以及图1所示高效过滤器13)，安装前分别对高效过滤器称重(精确到1毫克)，为Mu和Md：Mu60.215g、Md60.310g。
关闭三通阀4，打开电磁阀Ⅰ10和电磁阀Ⅱ12。同时分别通过泵Ⅰ8和泵Ⅱ14及流量计Ⅰ9和流量计Ⅱ15进行抽取并控制进气过滤系统上下游的采样空气流量。上游空气经上游采样头1后流经采样管及过参考过滤器单元11；下游空气经上游采样头3后流经采样管及高效过滤器13。测试时尽可能保证上下游空气流速和取样时间一致。连续采样一段时间后(推荐36小时)，记录上下游采样流量为Qu和Qd：上下游采样空气流量分别为89.5m3和85.0m3，分别取下高效过滤器11和13进行称重为Mu1和Md1：Mu 63.551g、Md160.521g。计算进气过滤器计重效率为A。
测试过程中保持燃机负荷和进气量不变，以保证稳定的空气流速，可以通过过滤级间的压差计进行测试观察。计算得到燃机进气过滤器对空气污染物的计重过滤效率为93.1％。
本系统除了对进气过滤系统的过滤效率进行监测外还能同时监测温湿度和压力，将各监测模块进行系统集成，集成后的系统可接入DCS，设备可操作性提高，方便运维工作人员使用。
Claims (12)
1.一种燃机进气系统过滤效率在线测试系统，其特征在于，包括：
风速测量仪，进行燃机进气系统内的空气流场测定；
上游等动力采样装置、下游等动力采装置，远离进气系统内气流湍流区和滞留区，分别布置于待测过滤器单元前后、并迎风水平固定安装于近空气流速相匹配的区域，分别获得上游采样、下游采样；
清吹装置，对上游等动力采样装置、下游等动力采样装置进行反吹清扫；
参考过滤器单元，作为参考比对测试对上游等动力采样装置的采样进行过滤，获得参考比对采样；
计数效率测试装置，分别对上游采样、下游采样和参考比对采样进行粒子计数，计算待测过滤器单元的过滤效率。
2.根据权利要求1所述的燃机进气系统过滤效率在线测试系统，其特征在于，所述上游等动力采样装置包括上游等动力采样头和采样管；所述下游等动力采样装置包括下游等动力采样头和采样管；所述上游等动力采样装置及下游等动力采样装置的采样管的直径及长度一致，且一端分别伸入燃机进气系统内对应区域处，分别与上游等动力采样头、下游等动力采样头相连。
3.根据权利要求2所述的燃机进气系统过滤效率在线测试系统，其特征在于，所述计数效率测试装置包括三通阀、电磁阀I、电磁阀II、泵I、泵II、粒子计数器；所述清吹装置采用压缩空气单元；所述上游等动力采样装置的采样管的另一端分为两路，一路与所述三通阀相连，另一路依次通过电磁阀I、比对过滤器单元与泵I、粒子计数器相连；所述下游等动力采样装置的采样管的另一端通过所述三通阀与所述粒子计数器相连；所述压缩空气单元分别与三通阀、参考过滤器单元相连。
4.根据权利要求3所述的燃机进气系统过滤效率在线测试系统，其特征在于，所述燃机进气系统过滤效率在线测试系统还包括高效过滤器、流量计I、流量计II、稀释器；所述流量计I与泵I相连；所述下游等动力采样装置的采样管的另一端分为两路，一路与所述三通阀相连，另一路依次通过电磁阀II、高效过滤器、泵II与流量计II相连；所述稀释器分别与粒子计数器、参考过滤器单元、压缩空气单元及泵I相连。
5.根据权利要求4所述的燃机进气系统过滤效率在线测试系统，其特征在于，所述燃机进气系统过滤效率在线测试系统还包括温湿度计；所述温湿度计设于进气系统内。
6.采用权利要求1至5任一所述在线测试系统进行燃机进气系统过滤效率的在线测试方法，其特征在于，所述在线测试方法包括以下步骤：
(1)燃机进气流场分析：在进气系统横向截面中，将待测过滤器单元前后的上游和下游横截面进行分区测试，计算风速平均值和变异系数CV；
(2)采样测试：选取变异系数CV不大于25％的上游横截面和下游横截面，在上游截面和下游截面中最接近风速平均值的区域内分别进行上游采样和下游采样，进行粒子计数；并将选取的上游截面区域内的上游采样经参考过滤器单元后获得参考比对采样，进行粒子计数；分别计算待测过滤器单元和比对过滤器单元的过滤效率；
(3)进气系统过滤效率测试：通过步骤(2)计算得到的过滤效率数据，建立实际使用环境与实验室标准环境的数据相关性。
7.根据权利要求6所述的在线测试方法，其特征在于，所述步骤(2)中进行粒子计数时，采样顺序依次为下游采样、上游采样和参考比对采样，获得待测过滤器单元和参考过滤器单元在不同名义粒径段的过滤效率。
8.根据权利要求7所述的在线测试方法，其特征在于，所述步骤(3)中进气系统过滤效率测试的具体方法如下：测定在实验室条件下参考过滤器单元不同粒径段的过滤效率，与步骤(2)中实际使用环境下参考过滤器单元的过滤效率比对，获得实际使用环境下不同名义粒径段的修正粒径，从而获得待测过滤器单元对应修正粒径的过滤效率。
9.根据权利要求8所述的在线测试方法，其特征在于，进行实际使用环境下不同名义粒径段的粒径修正时，采用线性插值法。
10.根据权利要求7所述的在线测试方法，其特征在于，所述步骤(2)中采样测试，每次采样时间不少于20秒，且至少循环进行6次采样。
11.根据权利要求6所述的在线测试方法，其特征在于，所述在线测试方法还包括进气过滤器计重效率测试，通过对下游采样和参考对比采样连续采样一段时间后，分别记录下游采样和参考对比采样流量，及高效过滤器和参考过滤器单元在采样前后的重量，计算待测过滤器单元计重效率。
12.根据权利要求11所述的在线测试方法，其特征在于，所述待测过滤器单元计重效率
其中，Mu和Md为采样前高效过滤器和参考过滤器单元的重量，Mu1和Md1为采样后高效过滤器和参考过滤器单元的重量，Qu和Qd为下游采样和参考对比采样流量。
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