燃气轮机性能——为什么过滤器不能出现故障

燃气轮机极大地丰富了社会的生活水平，无论是通过产生轴动力还是推力来改善我们的日常生活和活动。我们认为电源插座是理所当然的，严重依赖电力来运行我们的城市和电器。就化石燃料燃烧而言，燃气轮机在全球能源结构中仍然发挥着重要作用。然而，为了实现2摄氏度的目标，高效和负担得起的发电以及其他组合必须到位，以推动人类走向可持续、公平和繁荣的经济。

燃气轮机性能的关键

燃气轮机用于发电，其中需要快速启动、高可用性和可靠性，以满足所有稳态和瞬态条件下不断增长的电力需求。在全球范围内，消息来源表明，陆基燃气轮机产生的电力占全球发电量的四分之一 。国际能源署在其近期的报告中强调，由于经济前景繁荣，预计 2024 年需求将增长 3.3%，尽管近期增长缓慢。燃气轮机的性能成为评估其发电成功和很大限度地减少停电的经济影响的关键运营参数。不断增长的冷却需求、人口增长以及城市化的规模、速度和范围强调了在遵守环境法规的同时提高燃气轮机性能的重要性。在高粉尘浓度和极端温度环境中运行的燃气轮机性能会下降。发电厂和电网不堪重负，以满足不断增长的冷却能力，以避免减载并终究导致停电。空调系统消耗了全球约五分之一的发电量。这将强调更好的建筑设计、更严格的建筑规范和高效的空调安装，这将有助于应对与冷却相关的电力需求的增长。采购负责任的发电并采用可持续的生活标准，可以利用脱碳经济的机会，并认识到我们的环境局限性。

工作原理

图 1：联合循环发电厂示意图

燃气轮机运行的本质在于通过增加气体的比焓并将其转化为动能，将气体加速到高速。大气通过安装在评估层的过滤室吸入。然后，空气通过过滤阶段，然后通过喇叭口进入压缩机。然后，清洁后的空气被压缩到高压和高温下进入燃烧室，在那里添加燃料，并发生燃烧。然后从热加压废气中提取能量，从而降低压力和温度。能量在涡轮机中转化为功，其中 50% 到 60% 驱动压缩机，其余的驱动发电机发电或作机械设备（气体压缩机和泵）。图 1 显示了联合循环发电厂的示例。

燃气轮机性能下降

燃气轮机在不同的气候条件下运行，并面临多种浓度不同的大气污染物，这些污染物可能导致性能下降和部件劣化。

图 2：典型压缩机组件中的喉部区域图示

所有燃气涡轮发动机面临的一个长期挑战是压缩机结垢。当各种污染物沉积在压缩机组件上，减少叶片之间的喉部面积时，就会发生这种情况，如图 2 所示。这种沉积降低了质量流速、压力比、压缩机效率和喘振线，导致性能下降，并且必须燃烧更多的燃料才能维持设计的功率输出。因此，由于离心力、振动和弯曲应力，涡轮叶片将经历更高的燃烧温度，从而产生高热应力和机械应力，从而对涡轮叶片的蠕变寿命产生负面影响。

图 3：计划停机期间从压缩机叶片中回收的污垢层

在陆基燃气轮机中寻找如图 4 所示的各种空气过滤器，以通过深度和表面沉积来分离和保留颗粒（图 5）。另一方面，表面过滤通过在过滤介质表面形成尘饼来促进过滤作用。介质的再生是通过脉冲系统完成的，以为额外的过滤循环做好准备，如图 6 所示。虽然两种技术各有千秋的优点和挑战，但提供所需的空气质量流量对于燃气涡轮发动机的运行至关重要 - 压缩机空气不足不是一种选择。另一方面，结垢的压缩机会降低发动机性能，降低功率输出和燃气轮机的可用性。研究表明，70% 的性能下降来自压缩机结垢，这凸显了为发动机和压缩机组件恢复到其设计点和性能所需的压缩机清洗溶液的空气质量的重要性。因此，选择合适的空气过滤器对于在颗粒捕获和透气性之间取得平衡至关重要。此阶段的主要目标是为压缩机组件提供适合用途的所需空气质量流量。

图 4：陆基燃气轮机应用中使用的静态 [A，B] 和脉冲滤波器 [C] 的各种示例。

图 5：深度 [左] 和表面 [右] 颗粒沉积的典型示例。

图 6：陆基燃气轮机中脉冲过滤器的典型安装。

地理位置敏感度

室外空气的物理和化学特性对给定的地理位置很敏感，会影响空气过滤器的选择。虽然高效和可渗透的空气过滤器的作用怎么强调都不为过，但必须注意燃气轮机的具体要求，这些要求可能是动态的、不同的和具有挑战性的，与周围的小气候条件相关。燃气轮机应用中安装的空气过滤器的实时性能与实验室结果预测的存在偏差。这种性能偏差可归因于颗粒物理特性、过滤阶段的负载条件、作和环境条件的变化。

燃气轮机空气过滤的设计方面

影响空气过滤器性能的几个参数包括颗粒特性（大小、形状）、不同作条件下的加载机制以及设计参数（褶皱数和有效表面积）。图 7 说明了负载过滤器中的不同颗粒形状和粒径范围。颗粒的大小和形状在决定主要捕获机制以及决定它们在过滤介质上的深度或表面沉积方面起着重要作用。另一方面，悬浮颗粒及其负载特性取决于大小和形状。此外，过滤器介质的孔隙结构特性也会影响过滤器的负载和堵塞。

鉴于所需的巨大质量流速，任何低浓度的颗粒都将构成很大的颗粒负载，从而导致更高的压降，这与渗透率成反比。在如此高的质量流速下，根据所用过滤介质的结构稳定性和特性，褶皱和褶皱板可能会变形，导致表面积损失，从而导致渗透率降低。这凸显了介质的物理特性和结构完整性的重要性，以充分支持质量流速的感应力。从效率的角度来看，由于颗粒负荷增加和/或过滤介质选择不当而导致的透气性降低会影响整体过滤器效率。

有效表面积概念

  图 7：不同颗粒形状的示例。

通过增加褶皱密度来增加滤芯的表面积并不是重点;关键是引入参与分离和保留过程的有效表面积。除了介质特性以及运行和气候条件外，过滤器设计还可以在设计通过褶皱式滤筒的流动动力学方面发挥作用，以实现上佳过滤器性能。过滤器的渗透性和颗粒捕获应该是燃气轮机运行以提高其性能的主要考虑因素。因此，优化的过滤器设计、适当的介质选择和空气动力学过滤器性能有助于在不阻碍流动的情况下实现所需的效率。过滤器变形和故障和/或过早堵塞会导致燃气轮机运行的计划外维护和中断。因此，陆地燃气轮机中的空气过滤器不会出现故障。

现有秩序

在靠近设计点的位置运行燃气轮机对于利用已安装发动机的性能至关重要。在实现经济脱碳的同时，拥抱可持续发展需要所有部门以惊人的速度做出贡献。鉴于我们在可持续地球和数字化未来方面有着雄心勃勃的梦想，因此高效流程的作用变得非常明显。

我们对化石燃料的依赖不容忽视。然而，在过去的 100 年里，它们的使用导致了气候变化，现在是时候重新设计我们的思想和齿轮，以提高性能和负责任地消费我们的化石燃料了。如果我们的目标是履行对子孙后代的承诺，让地球比我们继承的地球更健康，那么地球需要负责任的居民，让它能够自我再生。

为了支持更环保的能源政策并拥抱可持续生活，当务之急必须是让可再生能源在全球能源结构中发挥更大的作用，并伴随着负责任的燃烧。