燃气轮机运行中在线水洗及其效果分析

燃⽓轮机运⾏中在线⽔洗及其效果分析
2019-07-07
摘要：针对燃机轮机运⾏期间由于压⽓机叶⽚结垢导致短时间内压⽓机的压缩⽐和效率出现⽐较明显下降的现象，本⽂介绍了SGT5-4000F（+）型燃⽓轮机的在线⽔洗过程，并通过电⼚实际运⾏中的案例，分析了燃机在⽔洗前后的参数变化情况，论证了在线⽔洗可以提⾼燃⽓轮机的运⾏效率。

最后，总结了在线⽔洗过程中需要注意的⼀些问题。

关键词：燃⽓轮机；在线⽔洗；燃机效率
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.067
1 概述
燃⽓轮机较长时间连续⼯作以后，其进⽓系统吸⼊的空⽓，虽然经过逐层过滤，但微量尘埃会导致压⽓机通流部分逐渐出现积垢或积盐；燃⽓轮机在⼤⽓污染相对严重的环境之中运⾏，由于吸⼊的空⽓过滤不完全，短时间内可能导致压⽓机的压缩⽐和效率出现⽐较明显的下降，轮机叶⽚也因积盐⽽逐渐出现腐蚀现象。

为解决上述问题，本⼚为每台燃⽓轮机配置了⼀套SX-S-7.2/0.6G型压⽓机清洗装置，能够对燃⽓轮机的压⽓机进⾏清洗，以保证压⽓机的压缩⽐能够维持在⼀个合理的区间，确保燃⽓轮机的⼯作效率。

本⽂通过电⼚实际运⾏中的压⽓机在线⽔洗前后的参数进⾏⽐较和分析，为该机型的压⽓机在线⽔洗⼯作积累了经验，为进⼀步改善该机型的运⾏条件提出了建议。

2 压⽓机结构与在线⽔洗
2.1 压⽓机结构
本⼚使⽤的燃⽓轮机为上海电⽓-西门⼦重型单缸SGT5-4000F（+）型，压⽓机和透平⽤同轴连接，适合驱动发电机在基本负荷和尖峰负荷下运⾏，可以⽤于联合循环。

SGT5-4000F（+）型燃⽓轮机压⽓机由15级组成，每⼀级⼜分为动叶和静叶，压⽐约为17。

压⽓机进⽓导流叶⽚的⾓度可由0°⾄45°变化，这样可以保证机组近半负荷时，排⽓温度⾮常稳定的，且没有明显的效率损失。

燃机疏⽔系统是将压⽓机⽔洗时积聚的溶液排出燃⽓轮机。

为了保证⽔洗后压⽓机可以迅速排出液体，在特定位置安装了输⽔管路：压⽓机0级、压⽓机第9级、压⽓机第13级、压⽓机出⼝和压⽓机抽汽环腔。

且在透平特定级和防喘放⽓管路和冷却空⽓管路的最低处也配置了疏⽔管路来排出清洗液。

这14根疏⽔管路都连到母管，最终流⼊⼀个废⽔处理箱。

各个疏⽔管路均可以独⾃关闭，这样可以有效地防⽌交叉流动，每条输⽔管都配有⼀个关断阀，这些关断阀必须⼿动打开来排出清洗液。

母管中的温度由电阻式温度进⾏计监测，如果⾄少⼀个温度实测值超过限定值，并且测量和传输信号没有问题，则发出⼀个预跳机警报信号。

如果测量或相关的仪表出现故障，同样触发预跳机警报。

2.2 ⽔洗模块
SX-S-7.2/0.6G型⽔洗装置专为西门⼦燃⽓轮机设计制造，整个装置安装在底盘上，作为⼀个独⽴模块，能够对燃⽓轮机的压⽓机进⾏离线和在线清洗。

⽔洗模块的系统图如图1所⽰。

主要设备加压泵和⽔箱固定在底盘上。

⽔箱中有电动搅拌器，可将除盐⽔和清洗剂混合均匀。

⽔箱安装有液位计显⽰⽔位。

⽔箱侧⾯低位安装排污球阀。

如需添加除盐⽔可打开⼿动门，如需添加清洗剂可通过⽔箱顶部注⼊。

⽔箱内装有电加热器，在环境温度
加压泵⽤于o清洗液升压，并将其输送⾄压⽓机进⽓室内的雾化喷嘴或射流喷嘴。

泵出⼝装有球阀和压⼒表。

加压泵出⼝连接电磁阀，再通过⼀道滤⽹，最终连接⾄压⽓机进⽓室处，通过离线喷嘴或者在线喷嘴将液体输⼊压⽓机。

加压泵出⼝管道上安装⼀块压⼒表。

加压泵出⼝另有⼀路再循环管路返回⾄⽔箱，管路上安装有球阀，利⽤加压泵及该在循环管路，⼀则可将⽔箱中的除盐⽔及清洗剂搅拌均匀，同时也保证加药泵出⼝压⼒保持在0.7MPa左右，剩余的溶液及时溢流回⽔箱。

2.3 在线⽔洗
压⽓机⽔洗可分为在线⽔洗和离线⽔洗，离线⽔洗在燃机启动变频装置SFC带动下进⾏，整个清洗过程长达8～10⼩时，其中燃机冷机长达6⼩时。

⼀般情况下离线⽔洗分四个步骤：准备、清洗、漂洗和⼲燥。

在线⽔洗来主要在燃⽓轮机全速或者全负荷（部分负荷）的运⾏状态下进⾏。

通过进⽓喇叭⼝的喷射环，在适当的温度下，以⼀定的压⼒和流量将预先配好的清洗液均匀地喷⼊压⽓机，然后进⾏清洗。

在整个⽔洗过程中，⾸先⽤清洗剂与除盐⽔掺混的溶液对压⽓机进⾏冲洗，然后⽤除盐⽔按照同样的清洗⽅式进⾏漂洗。

此过程的⽔洗效果往往取决于进⼝处喷⼊液体雾化颗粒⼤⼩，⽔洗模块在控制⽔温的同时，可以把喷⼊压⽓机的雾化颗粒⼤⼩准确地控制在特定范围之内，并且可以使喷⼊的溶液沿圆周均匀分布，以提⾼⽔洗效果。

在线⽔洗可有效的延长离线⽔洗的间隔以减少停机次数。

清洗液为除盐⽔或者除盐⽔和清洗剂的混合物，清洗过程⼀般约为5⾄10分钟。

在线⽔洗的⼀般步骤为：
Step1 检查⽔洗装置各设备、仪表、电⽓连接是否正常，⽔箱内清洁⽆异物，加压泵出⼝电磁阀、⽔箱排污球阀处于关闭状态；
Step2 通过⽔箱顶部向⽔箱内添加适当⽐例的清洗液。

为使得清洁剂充分的溶解，需起动电动搅拌器约3分钟，使除盐⽔与清洗剂混合均匀。

也可使⽤循环管路搅拌约3分钟，但此过程中应保持加压泵出⼝电磁阀关闭、再循环管路阀门打开；
Step3 按要求降低燃机负荷并把IGV调整到相应的位置，其余需调整的运⾏参数也需满⾜⽔洗要求；
Step4 打开在线⽔洗喷嘴管路关断阀，同时保离线⽔洗喷嘴管路关断阀、加压泵出⼝电磁阀和再循环管路阀门及⽔箱排污阀关闭；
Step5 将⽔洗装置连接⾄电源上，并通过控制柜上的启动按钮启动加压泵，观察加压泵运⾏是否正常，观察加压泵出⼝压⼒表达到约0.8MPa时打开加压泵出⼝电磁阀，并调整再循环管路阀门开度，是加压泵出⼝压⼒表读数稳定在0.7MPa左右；
Step6 等所有的清洗液喷射完后关闭加压泵；
Step7 接着关闭在线⽔洗喷嘴管路关断阀、加压泵出⼝电磁阀，断开⽔洗装置电源；
Step8 打开⽔箱排污球阀，排出剩余的清洗液；
Step9 在线⽔洗过程完成。

3 压⽓机在线⽔洗运⾏分析
3.1 压⽓机在线⽔洗效果的量化分析
众所周知，燃⽓轮机的基本结构分为三部分：压⽓机、燃烧器和透平，因此其整体效率也受到三⽅⾯效率的共同作⽤：压⽓机效率、燃烧效率和透平效率[1]。

理论上，⼀般轴流式压⽓机的性能可以由以下这些参数来描述：空⽓流量Ma、压缩⽐ε*和等熵压缩效率ηy*。

在转速恒定（3000转）的条件下，压缩⽐ε*和等熵压缩效率ηy*随空⽓流量Ma的变化⽽变化，其函数关系曲线称为压⽓机特性曲线。

具体关系如式（3-1）所⽰：
式中，p1* 和T1* 分别为进⼊压⽓机的空⽓总压和总温，为折合流量，为折合转速。

由（3-1）式，可以得出如下结论：对于发电燃⽓轮机组，在相同⼤⽓温度下⼯作，折合流量和折合转速可基本可以视为恒量。

因此，压缩⽐ε*和压⽓机效率ηy*有明显的正⽐关系。

简单的说，压缩⽐越⼤，压⽓机级数越多，则压⽓机的效率越⾼。

进⼀步说，在进⽓参数恒定的情况下，压⽓机的压缩⽐越⾼，则其⼯作效率相应也就越⾼，即燃⽓轮机的效率越⾼。

由以上结论可知，压⽓机⽔洗后压⽓机出⼝压⼒p2*和压缩⽐ε*的增加直观地反映在燃机负荷和机组总出⼒的提升上，可以进⼀步理解为燃机效率提升，直接引起机组天然⽓耗率下降。

另外，随着压⽓机出⼝压⼒p2*的增⼤，透平所获得的冷却空⽓压⼒相应增⼤。

即在压⽓机进⼝压⼒p1*不增加的情况下，增加了透平叶⽚的冷却效果；同时提⾼了透平运⾏的稳定性，从⽽保证了整个联合循环的效率。

综上所述，压⽓机长时间运⾏后进⾏⽔洗，可以在不增加压⽓机进⼝压⼒的前提下，⼀定程度上提升机组负荷；降低燃⽓消耗率；使联合循环的效率有所提升，对电⼚运⾏的经济性具有显著意义。

3.2 压⽓机在线⽔洗效果的实际验证
本⼚装备3台SGT5-4000F（+）型燃⽓轮机，单台燃机额定出⼒300MW。

现由运⾏⼈员于某⽉18⽇（当天环境温度满⾜燃机⽔洗条件）4时⾄5时逐个对3台燃机进⾏在线⽔洗，现对⽔洗前后的燃机负荷与进⽓压⼒的变化情况进⾏分析。

考虑到机组运⾏的绝对安全，本组数据采集于燃机运⾏于60%～70%额定负荷时。

由于燃机并⽹运⾏，所以燃机出⼒基本为定值。

此时考虑衡量在线⽔洗效果的衡量标准，采⽤压⽓机进⼝压⼒来度量，即在相同的负荷下，如果压⽓机进⼝压⼒p1*较低，说明压⽓机的压缩⽐越⾼，则其⼯作效率相应也就越⾼，即燃⽓轮机的效率越⾼。

⽽压⽓机进⼝压⼒p1*可以通过压⽓机进⼝可调导叶（IGV）的开度来衡量，IGV开度越⼩，说明此时压⽓机进⼝压⼒p1*也就越⼩，达到相同的压⽓机出⼝压⼒p2*的情况下，IGV开度越⼩，说明燃⽓轮机的效率越⾼。

如图2所⽰，#1燃机进⾏在线⽔洗的实时参数曲线。

图中，绿⾊线条描绘了#1燃机的实时有功输出，单位MW；红⾊曲线描绘了压⽓机进⼝可调导叶（IGV）的实时开度。

图2中，T1时刻为#1燃机进⾏在线⽔洗前稳定运⾏状态，其出⼒为242.9605MW，IGV开度为63.2644%；T2时刻为⽔洗过程中IGV开度最⼤值时刻，此时燃机出⼒为244.8105MW，IGV开度为77.0346%；T3时刻为⽔洗过程基本结束时刻，此时燃机出
⼒为244.5442MW，IGV开度为62.3146%；T4时刻为⽔洗过程结束后稳定运⾏时刻，此时出⼒为245.3263MW，IGV开度为
62.2363%。

通过上⾯的阐述，在燃机出⼒稳定运⾏的情况下，⽐较#1燃机进⾏在线⽔洗前运⾏过程中T1时刻的IGV开度为
63.2644%，和#1燃机进⾏在线⽔洗后运⾏过程中T4时刻IGV开度为62.2363%，会发现，T4时刻IGV开度⽐T1时刻IGV开度有约1%的减⼩幅度，说明了此时燃⽓轮机的效率有了⼀定幅度的提⾼。

对#2燃机和#3燃机进⾏在线⽔洗前后的参数对⽐曲线的分析，也会得到类似的结论，不再赘述。

表1、表2、表3分别为在线⽔洗前后，#1、#2、#3号燃机的IGV开度数值与压⽐数值的对⽐情况，图3、图4、图5分别为#1、#2、#3号燃机的IGV开度数值的变化曲线。

4 在线⽔洗在运⾏时的注意事项
⽔洗装置⼯作环境的最⼤环境温度为55℃。

当环境温度⼩于8℃时，为了防⽌结冰，不能直接使⽤⽔洗装置进⾏⽔洗。

为了解决环境低的问题，可使⽤加热器将除盐⽔或者混合溶液加热后⾄合格温度后再进⾏⽔洗操作。

⾸先将除盐⽔和清洗剂加⼊⽔箱，并混合搅拌均匀。

然后启动电加热器并连续加热80分钟左右，此时⽔箱温度升⾼8℃左右。

在加热过程中，可同时启动搅拌器，使溶液受热均匀。

加压泵运⾏的同时加热器⽆法投运，当⽔箱内溶液温度达到25℃时，加热器会⾃动停⽌加热。

为了保证清洗喷嘴的最佳雾化效果，压⽓机进⽓系统接⼝处应满⾜：压⼒约6bar，流量⼤⼩为7.2m3/h。

在线⽔洗过程中，为了防⽌⾼温⽓体外泄，意外烫伤⼈员或者损害设备部件，应确保疏⽔系统的阀门关闭。

燃⽓轮机的疏⽔是⼿动运⾏的。

在对压⽓机离线⽔洗时积聚的清洁剂必须要排⼊母管中。

为了完成疏⽔，必须打开疏⽔管路中的⼿动关断阀，在液体排净以后，再把这些阀门关上。

在线⽔洗时应将燃机的基本负荷降低3～5%，以确保IGV执⾏机构在⽔洗过程中可以实时进⾏温度控制。

为了降低溶液残留在叶⽚上产⽣腐蚀的风险，在线⽔洗时IGV应尽可能的打开。

由于在线清洗过程需要的清洗时间短，因此相较于离线⽔洗其清洗效果不够显著，所以机组在启动前还需要进⾏必要的离线清洗。

在⽇常维护中，对于连续运⾏状态的机组，应以在线清洗为主，同时实时停机进⾏离线清洗[2]。

鉴于在线⽔洗除污能⼒有限，在燃机连续运⾏超过350⼩时后应进⾏⼀次或多次离线⽔洗。

在线⽔洗可能会导致NOx、CO等排放发⽣变化。

5 总结
本⽂介绍了SGT5-4000F（+）型燃⽓轮机的在线⽔洗过程，并通过电⼚实际运⾏中的案例，分析了燃机在⽔洗前后的参数变化情况，论证了在线⽔洗可以提⾼燃⽓轮机的运⾏效率。

最后，总结了在线⽔洗过程中需要注意的⼀些问题。

最后，对不同的电⼚所处的环境，决定其燃机机组⽔洗的频率与种类。

电⼚运⾏⼈员应该根据电⼚的⽇常运⾏经验，或者突发事件综合考虑，适当调整⽔洗⽅法和⽔洗周期。

参考⽂献：
[1]熊少军，宋馨等.V94.3A型燃汽轮机压⽓机离线⽔洗及其技术[J].河南科技，2015，555（01）：59-61.
[2]李靖.燃⽓轮机的清洗原因及其对策浅析[J].价值⼯程，2015（04）：55-56.
注：本⽂为⽹友上传，不代表本站观点，与本站⽴场⽆关。

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