一种燃气轮机进气过滤系统运行状态实时监测方法与流程

[0001]
本发明涉及燃气轮机运行状态监测与故障诊断技术领域，尤其涉及一种燃气轮机进气过滤系统运行状态监测方法。


背景技术：

[0002]
燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。维持良好的进气空气质量是保证燃气轮机正常工作与寿命的重要前提。燃气轮机进气系统可以吸附空气中的杂质，直接决定了进口空气质量和纯净度，是燃气轮机必不可少的保障系统，其布置在燃气轮机前部，主要由防雨罩、进气过滤系统、进气冷却或加热防冰组件、消音器、测量仪表和进口风管系统组成。
[0003]
燃气轮机进气过滤系统投入使用一段时间后会发生退化，当退化程度较为严重时会发生过滤效率的降低与过滤压差的增大，导致燃气轮机运行性能下降与部件损伤。因此进气系统在发生严重退化前需及时进行维护与更换，以保证其正常工作。现有进气系统运行维护的方法包括测量空气流经过滤系统前后的压力损失，比较压力损失值与设置的固定报警阈值，如文献“黄乃成,《燃气轮机进气过滤系统的配置和运行维护》”；然而该方法并不能排除大气环境与燃气轮机运行工况对压力损失的影响，导致进气系统的过度维修或维修不及时，影响了燃气轮机的运行安全性与经济性。其它进气系统运行状态监测方法还包括测量空气流经过滤系统前后的颗粒物浓度，通过判定过滤效率来分析进气系统退化程度，例如专利文献公开的“一种燃气轮机进气滤芯过滤性能在线监测装置”(cn207036634u)。然而该方法需要在燃气轮机中引入额外的监测装置，且同样不能排除大气环境与燃气轮机运行工况等非退化因素对过滤效率的影响，导致对退化程度的分析准确性下降。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是针对现有技术中燃气轮机空气进气系统退化程度监测中存在的技术问题，提供一种燃气轮机进气过滤系统运行状态实时监测方法，旨在解决如何及时、准确判断过滤系统的退化程度与维护需求的技术问题，从而为过滤系统的维护更换提供准确参考。
[0005]
本发明的技术方案如下：
[0006]
一种燃气轮机进气过滤系统运行状态监测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
[0007]
s1：采集如下数据：
[0008]
a)利用第一压力计测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气压力p1；
[0009]
b)利用第二压力计测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统出风口处的空气压力p2；
[0010]
c)利用温度传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气温
度t；
[0011]
d)利用湿度传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气相对湿度rh；
[0012]
e)利用空气质量检测仪测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气颗粒物浓度dc；
[0013]
f)利用空气流量传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统出风口处的空气流量q；
[0014]
s2：利用下式将空气流经过滤系统前后的压力损失δp
**
＝p
1-p2折合为标准燃气轮机工况下的压力损失折算值δp
*
：
[0015]
δp
*
＝(p
1-p2)/(q/q0)/(μ
t
/μ
t0
)
ꢀꢀ
(1)
[0016]
公式(1)中，q0为所述燃气轮机在设计工况下的标准空气流量值，μ
t
为根据空气粘度-温度对照表所得空气温度t对应的空气粘度值，μ
t0
为所述燃气轮机在设计工况下的环境温度值t0对应的空气粘度值；
[0017]
s3：利用下式将空气流经过滤系统前后的压力损失实际值δp
**
折合为同时满足标准空气条件与标准燃气轮机工况两个条件下的压力损失折算值δp：
[0018]
δp＝δp
*
/f1(rh-rh0)/f2(dc-dc0)
ꢀꢀ
(2)
[0019]
公式(2)中，rh0与dc0分别为所述燃气轮机在设计工况下的标准空气相对湿度值与标准空气颗粒物浓度值，f1(rh-rh0)根据实际空气相对湿度值rh与标准空气相对湿度值rh0的差异修正进气压力损失值，f2(dc-dc0)根据实际空气颗粒物浓度值dc与标准空气颗粒物浓度值dc0的差异修正进气压力损失值；
[0020]
s4：计算退化程度：
[0021]
利用下式计算当前时刻过滤系统退化程度sf：
[0022]
sf＝(δp-δp0)/(δp
1-δp0)
ꢀꢀ
(3)
[0023]
公式(3)中，δp0与δp1分别为所述进气过滤系统在初始安装条件下的压力损失值与达到容尘量上限条件下的压力损失值；
[0024]
sf是在0到1之间的数值，当sf接近于0，则过滤系统运行状态较好；当sf接近于1，则过滤系统运行状态较差；
[0025]
s5：输出状态监测结果：
[0026]
设定报警范围预设值sf0，比较s4所得过滤系统退化程度sf与sf0的大小，如果sf>sf0，则发送报警命令，提示进气系统需要更换；否则，重复执行s1至s4以监测过滤系统运行状态，直至更换。
[0027]
本发明与现有技术相比，具有如下优点及突出性的技术效果：本发明通过第一空气压力值p1与第二空气压力值p2得到空气流经过滤系统前后的压力损失，并结合空气温度值t、空气流量值q、空气相对湿度值rh、空气颗粒物浓度dc，得到标准空气条件与标准燃气轮机工况下的压力损失折算值，从而可以排除非退化因素对过滤系统压力损失的影响，保证了判断过滤系统退化程度的准确性，为过滤系统的维护更换提供准确参考。同时该方法无需引入额外的监测装置，对于各种类型的燃气轮机具有良好的工程适用性。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例提供的燃气轮机进气过滤系统运行状态监测方法的流程示意图。
[0029]
图2为本发明实施例提供的根据空气相对湿度值修正进气压力损失值。
[0030]
图3为本发明实施例提供的根据空气颗粒物浓度修正进气压力损失值。
[0031]
图4为本发明实施例提供的燃气轮机进气过滤系统退化曲线。
具体实施方式
[0032]
以下结合附图和实施例对本发明的原理和工作过程做进一步的说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0033]
本发明提供的一种燃气轮机进气过滤系统运行状态实时监测方法，该方法具体包括如下步骤：
[0034]
s1：采集如下数据：
[0035]
a)利用第一压力计测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气压力p1；
[0036]
b)利用第二压力计测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统出风口处的空气压力p2；
[0037]
c)利用温度传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气温度t；
[0038]
d)利用湿度传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气相对湿度rh；
[0039]
e)利用空气质量检测仪测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气颗粒物浓度dc；
[0040]
f)利用空气流量传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统出风口处的空气流量q；
[0041]
s2：利用下式将空气流经过滤系统前后的压力损失δp
**
＝p
1-p2折合为标准燃气轮机工况下的压力损失折算值δp
*
：
[0042]
δp
*
＝(p
1-p2)/(q/q0)/(μ
t
/μ
t0
)
ꢀꢀ
(1)
[0043]
公式(1)中，q0为所述燃气轮机在设计工况下的标准空气流量值，μ
t
为根据空气粘度-温度对照表所得空气温度t对应的空气粘度值，μ
t0
为所述燃气轮机在设计工况下的环境温度值t0对应的空气粘度值。
[0044]
公式(1)的理论依据为达西定律。达西定律是渗流中最基本的定律，且被证实可以准确描述低流速过滤系统中的压力损失。其公式表述为：dp＝μ
·
u/k，其中dp为空气流经过滤系统前后的压力损失，μ为空气粘度值，u为空气流速，k为过滤材料的渗透率；由此可以将非设计工况下的燃气轮机进气过滤系统压力损失δp
**
折合为标准燃气轮机工况下的压力损失折算值，其中假设在不同工况下过滤材料的渗透率保持一定，且空气流速u与空气流量q成正比，即可得到公式(1)。
[0045]
s3：利用下式将空气流经过滤系统前后的压力损失实际值δp
**
折合为同时满足标准空气条件与标准燃气轮机工况两个条件下的压力损失折算值δp：
[0046]
δp＝δp
*
/f1(rh-rh0)/f2(dc-dc0)
ꢀꢀ
(2)
[0047]
公式(2)中，rh0与dc0分别为所述燃气轮机在设计工况下的标准空气相对湿度值与标准空气颗粒物浓度值，f1(rh-rh0)根据实际空气相对湿度值rh与标准空气相对湿度值rh0的差异修正进气压力损失值，f2(dc-dc0)根据实际空气颗粒物浓度值dc与标准空气颗粒物浓度值dc0的差异修正进气压力损失值；
[0048]
公式(2)中引入函数f1与f2用以修正因空气条件变化所额外造成的进气压损。燃气轮机的实际运行与维护经验表明，当空气的相对湿度升高或空气颗粒物浓度升高时，均会造成压力损失升高。其原理可同样由达西定律所解释：两种非标准空气条件均会造成过滤材料渗透率的下降，从而导致压差的额外升高。因此，必须引入相应的修正因子来排除二者的影响。具体的修正比例可由实验室测量数据或实际运行数据测算。
[0049]
s4：计算退化程度：
[0050]
利用下式计算当前时刻过滤系统退化程度sf：
[0051]
sf＝(δp-δp0)/(δp
1-δp0)
ꢀꢀ
(3)
[0052]
公式(3)中，δp0与δp1分别为所述进气过滤系统在初始安装条件下的压力损失值与达到容尘量上限条件下的压力损失值。
[0053]
sf是在0到1之间的数值，当sf接近于0，则过滤系统运行状态较好；当sf接近于1，则过滤系统运行状态较差。
[0054]
s5：输出状态监测结果；
[0055]
设定报警范围预设值sf0，比较s4所得过滤系统退化程度sf与sf0的大小，如果sf>sf0，则发送报警命令，提示进气系统需要更换；否则，重复执行s1至s4以监测过滤系统运行状态，直至更换。
[0056]
实施例：
[0057]
本实施例中的燃气轮机型号为v94.2燃气轮机，其设计参数为：标准空气流量值q0为478m3/s，环境温度t0为15℃，空气动力粘度值μ
t0
为1.7860e-05pa
·
s，空气相对湿度值rh0为60％，空气颗粒物浓度值dc0为0。所搭配进气过滤系统中的过滤器型号为g4，其在初始安装条件下的压力损失δp0为2.35mbar，达到容尘量上限条件下的压力损失δp1为2.88mbar。
[0058]
具体包括以下步骤：
[0059]
s1：采集如下数据：
[0060]
a)利用第一压力计测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气压力p1；
[0061]
b)利用第二压力计测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统出风口处的空气压力p2；
[0062]
c)利用温度传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气温度t；
[0063]
d)利用湿度传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气相对湿度rh；
[0064]
e)利用空气质量检测仪测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统进风口处的空气颗粒物浓度dc；
[0065]
f)利用空气流量传感器测定在当前时刻的位于所述进气过滤系统出风口处的空
气流量q；
[0066]
本实施例中的采集数据如表1所示。
[0067]
表1燃气轮机进气过滤系统采集数据
[0068]
p1(mbar)p2(mbar)t(℃)rh(％)dc(μg/m3)q(m3/s)100.2897.525.1395.2968480.54
[0069]
s2：利用下式将空气流经过滤系统前后的压力损失δp
**
＝p
1-p2折合为标准燃气轮机工况下的压力损失折算值δp
*
：
[0070]
δp
*
＝(p
1-p2)/(q/q0)/(μ
t
/μ
t0
)
ꢀꢀ
(1)
[0071]
公式(1)中，μ
t
为根据空气粘度-温度对照表所得空气温度t对应的空气粘度值。
[0072]
本实施例中的折合为标准燃气轮机工况下的压力损失数据如表2所示。
[0073]
表2折合为标准燃气轮机工况下的压力损失数据
[0074]
δp
**
(mbar)q/q0μ
t
/μ
t0
δp
*
(mbar)2.761.010.972.82
[0075]
s3：利用下式将空气流经过滤系统前后的压力损失实际值δp
**
折合为同时满足标准空气条件与标准燃气轮机工况两个条件下的压力损失折算值δp：
[0076]
δp＝δp
*
/f1(rh-rh0)/f2(dc-dc0)
ꢀꢀ
(2)
[0077]
公式(2)中，f1(rh-rh0)为根据当前时间点的空气相对湿度值向标准空气条件下的空气相对湿度值折算所引起的压力损失变化，其函数关系如图2所示。当rh<rh0时，相对湿度不引起额外的压力损失。当rh>rh0时，根据空气温度值t的不同相对湿度引起压力损失变化的程度有所差异：当t<3℃时，相对湿度越高，所引起的压力损失升高更明显；当t>3℃时，相对湿度越高，压力损失同样升高，但升高的幅度有所减小。类似的，根据当前时间点的空气颗粒物浓度向标准空气条件下的空气颗粒物浓度折算所引起的压力损失变化f2(dc-dc0)，如图3所示。随着空气颗粒物浓度升高，会造成额外的进气系统压力损失。f1(rh-rh0)和f2(dc-dc0)根据实际燃气轮机进气过滤系统运行数据测算得到。
[0078]
本实施例中的折合为标准空气条件下的压力损失数据如表3所示。
[0079]
表3：折合为标准空气条件下的压力损失数据
[0080]
δp
**
(mbar)δp
*
(mbar)f1(rh-rh0)f2(dc-dc0)δp(mbar)2.762.821.141.042.38
[0081]
s4：计算退化程度
[0082]
利用下式计算当前时刻过滤系统退化程度sf：
[0083]
sf＝(δp-δp0)/(δp
1-δp0)
ꢀꢀ
(3)
[0084]
故计算可得，本实施例中的进气过滤系统退化程度sf＝0.057。
[0085]
sf是在0到1之间的数值，当sf接近于0，则过滤系统运行状态较好；当sf接近于1，则过滤系统运行状态较差。可以看到，尽管真实的压力损失较大(δp
**
＝p
1-p2＝2.76mbar)，接近严重退化条件下的压力损失折算值(δp1＝2.88mbar)，但这主要是由于较高的湿度所致(rh＝95.29％)。实际的进气过滤系统退化程度接近于0，表明退化程度很小。
[0086]
s5：发送进气系统退化报警
[0087]
设定报警范围预设值sf0＝0.95。由s4中所得sf<sf0，表明进气过滤系统处于正常
工作状态，重复执行s1至s4以监测过滤系统运行状态变化；若sf≥sf0，则表明进气过滤系统已完全退化，因此发送进气系统退化报警，提示维护人员进行进气系统更换。
[0088]
从进气过滤装置初始工作到完全退化，连续进行步骤s1至s4，获得相应时刻的进气过滤系统退化程度sf。将所有获得的sf按照时间顺序绘制在同一个坐标系内，即可得到进气过滤系统从初始安装到完全退化过程中的退化程度变化曲线，如图4所示。退化曲线呈现前期增长——中间平稳——后期快速增长的趋势。