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燃气轮机空气滤清器更换周期研究
摘要：本文阐述了研究燃气轮机空气滤清器经济更换周期的必要性，分析了空气滤清器的运行特性，建立了空气滤清器经济更新周期的数学模型，并结合举例求解，分析了几个因素对经济更换周期的影响，为电厂科学合理的更换空气滤清器提供参考。
关键词： 燃气轮机；空气滤清器；经济性；更换周期。
0 前言
空气滤清器是燃气轮机的一种主要辅助设备，其性能直接影响着燃机的负荷和效率。一般的，空气滤清器随着运行时间的增加而逐渐脏污，其性能不断下降。为了保障燃气轮机安全、可靠、经济的运行，空气滤清器须定期更换。
空气滤清器更换周期越长，运行时间长，机组出力不断下降，累计少发电的损失就越多，平均单位时间少发电损失费用逐渐增大，浪费了燃料；但缩短更换周期，平均单位时间的投资成本就越高。综合考虑空气滤清器平均单位时间投资成本和平均单位时间少发电损失费用，当两者之和“空气滤清器的单位时间运行费用”为最小时，对应的运行时间就是“空气滤清器经济更换周期”。
为了提高机组的效率，同时降低空气滤清器的使用成本，研究燃气轮机空气滤清器的经济更换周期十分必要。
1空气滤清器的运行特性分析
燃机空气滤清器随着运行时间的增加越来越脏，空气滤清器的运行压差也越来越大。空气滤清器的运行压差与运行时间的关系，我们称之为空气滤清器的运行特性曲线，空气滤清器的运行特性与空气滤清器的设计样式，滤网材质，环境工况、空气质量均有较大的关系。
对于GT13E2型燃气轮机，其空气滤清器分内、外两层设计，外层的是KM-81D型袋式粗滤，尺寸为592（高）*592（宽）*600（深），内层的是K-791型箱式精滤，，尺寸为592（高）*592（宽）*400（深）。粗滤和精滤均分三层布置，总数分别为320个，粗滤和精滤之间设计有1米宽的走道，方便检查和更换，粗滤和精滤可分别单独更换，也可一起同时更换，视实际运行情况而定。若全部更换，8小时内可完成。另外，该机组进汽滤系统未设计反吹装置。
空气滤清器的运行压差C是运行时间t的单调增函数。不同的空气滤清器，其运行特性曲线是不同的，实际生产中，可采用最小二乘法，根据大量历史运行数据，拟合得到其运行特性曲线表达式，记为C ＝f(t)。
KM-81D型空气滤清器（粗滤）的运行特性曲线表示为：
C1 ＝ 0.00000716t 2 + 0.00666t +161.78 （1）
K-791型空气滤清器（精滤）的运行特性曲线表示为：
C2 ＝ （2）
公式中，压差C1、 C2的单位为Pa，运行时间t的单位为小时（h）。
2进气压损对燃机的性能影响
空气滤清器压差对燃机的负荷和效率都有着很大的影响，空气滤清器压差越大，燃机的负荷越低，燃机热效率也越低。根据厂家提供的空气滤清器压差对燃机的性能修正曲线，在30℃环境温度下，空气滤清器压差每增加100 Pa，影响燃机负荷下降234kW，用公式表示为：
△P ＝2.34 △C （3）
式（3）中，燃机负荷下降值△P单位为kW，空气滤清器压差增加值△C单位为Pa。
当环境温度变化时，空气滤清器压差对燃机负荷的影响变化很小，可忽略不计。在实际运行工况条件下进行计算，式（3）可满足精度要求。
3 空气滤清器经济更换周期的数学模型
假设：新更换的空气滤清器运行压差为C0（Pa），运行了t小时后，压差增加为C（Pa），空气滤清器压差增加值为△C ＝C- C0（Pa），导致燃机负荷减少值为△P （kW）。由前面的分析可知：△C为t的单调增函数，可记为△C ＝f(t) - C0；同时△P为△C的单调增函数，记为P ＝g(△C)；那么：△P为t的单调增函数，记为△P ＝g[f(t)- C0]。
设：电厂售电价为e 元/kW.h，更换新空气滤清器的投资成本为F元，则在运行时间t内，空气滤清器性能下降导致的少发电损失费用累计为： 元。则在时间周期t内，空气滤清器性能下降导致少发电损失费用和空气滤清器的投资成本都被看成是空气滤清器的运行费用，用该费用除以运行时间t，就得到空气滤清器的单位时间运行费用，用f表示。
f ＝ (+F) / t （4）
当空气滤清器的单位时间运行费用f最小时，与之对应的运行时间就是空气滤清器的经济更换周期。f取最小值的条件是：
/ t ＝ F/ t （5）
空气滤清器的单位时间运行费用最小值为： fmin＝ 2F/ t。 （6）
代入已知条件求解式（5）、式（6），即可求得空气滤清器的经济更换周期t和单位时间运行费用f。
4 计算举例及分析
对于GT13E2燃气轮机KM-81D型空气滤清器（粗滤），式（4）可写为：
f ＝[+F ] / t （7）
已知：C0＝161.78 Pa， e＝0.61元/kW.h，F＝70000元；
根据式（5）f取最小值的条件，求解得：t ＝ 2344 h，fmin＝ 59.72元/h；
若更换成本F增加10％，求解得：t＝2430 h，fmin＝ 63.37元/h；
若售电价格e上涨10％，求解得：t＝2260 h，fmin＝ 61.93元/h；
根据计算结果：GT13E2燃气轮机KM-81D型粗滤的经济更换周期为2344小时，其单位时间运行费用为59.72元/h。同时，空气滤清器的经济更换周期与其投资成本、电厂售电价格均有较大关系，若空气滤清器的投资成本增加10％，其经济更换周期将延长3.66％，增加86小时；若电厂售电价格增加10％，其经济更换周期将缩短3.57％，减少84小时。
对于GT13E2燃气轮机K-791型空气滤清器（精滤），式（4）可写为：
f＝[e
+e +F] / t (8)
代入已知条件：C0＝161.96 Pa、e＝0.61元/kW.h、F＝370000元。
根据式（5）f取最小值的条件，求解得：t ＝ 3537 h，fmin＝ 209.18元/h；
若更换成本F增加10％，求解得：t＝3682 h，fmin＝ 221.07元/h；
若售电价格e上涨10％，求解得：t＝3400 h，fmin＝ 217.63元/h；
根据计算结果：GT13E2燃气轮机K-791型进气精滤的经济更换周期为3537小时，其单位时间运行费用为209.18元/h。同时，若空气滤清器的投资成本增加10％，则其经济更换周期将延长4.08％，增加144小时；若电厂售电价格增加10％，则其经济更换周期将缩短3.88％，减少137小时。
5 结语
空气滤清器是燃机电厂的易耗设备，研究认识空气滤清器的经济更换周期是电厂“节能降耗”工作的重要组成部分。在电厂实际生产中，随着空气滤清器市场价格的变动和电价的调整，空气滤清器的运行费用也将随之发生改变。本文建立的空气滤清器经济更新周期数学模型，为燃机电厂科学及时合理的更换空气滤清器，减少企业不必要的经济损失提供了理论依据，可供发电企业管理者和技术人员参考。
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