蔡晓清， 吴寅琛，陈 劼， 卢桂贤，刘 威， 李 波

(1. 江苏华电仪征热电有限公司, 江苏 扬州 211400；2. 江苏华电戚墅堰发电有限公司, 江苏 常州 213011；3. 南京国源电气有限公司, 南京 210001)

进气过滤系统对燃气轮机是必不可少的。随着燃气轮机初温的不断升高和压气机叶片加工精度的提高，燃气轮机对进气质量变得越来越敏感，劣质的进口空气除了导致叶片积垢、腐蚀、冲蚀，堵塞高温部件的冷却通道引起热部件的失效，还极易引起压气机偏离设计运行工况，对燃气轮机的经济运行和使用寿命产生重大影响。为了最大限度地延缓进气品质引起的燃气轮机的性能老化，必须正确选择进气过滤系统。

目前，过滤器的选择均依据试验室条件中的检测方法来确定分组及分级。这种实验室检测方法，为不同过滤器的性能对比提供了一种共有的基础条件，具有可重复性。但试验条件是在特定的流速、颗粒大小、颗粒的类型、湿度、温度等进行的，检测的性能结果仅与此条件相关，如果这些条件中的一个因素发生变化，则过滤器将表现出不同的性能。而不同的地区，空气中所含污染物千差万别，导致同种组别、级别的过滤器在某地区性能较好，但在另一地区有可能性能表现较差，因此，测试结果并不能作为预测过滤器实际运行性能和使用寿命的依据。

基于以上因素，本文提出了一种新的空气过滤器的检测方法，设计和搭建一套新的空气过滤器性能检测装置。该装置可在过滤器的实际运用环境下进行性能检测，在全面、客观地反映空气过滤器实际运用中的过滤性能的同时，检测装置具有操作简便、无人值守、检测精度高和检测结果稳定可靠、且检测数据可远方传输的优点，为燃气轮机进气系统过滤器设计选型提供更可靠的决策依据。

1 空气过滤器检测方法的发展状况

过滤器的检测标准及方法是随着过滤器及其他相关检测技术的进步而逐步发展与演变的。针对一般通风用空气过滤器和HEPA/ULPA(高效/超低穿透率空气过滤器)的性能检测，大体上分为欧洲体系、美国体系和中国体系三类。对于一般通风用空气过滤器检测标准有以EN779[1]为代表的欧洲体系，以ASHARE52.2[2]为代表的美国体系，我国的GB/14295[3]基本上是借鉴ASHARE52.2。

欧洲标准化委员会EN779：2012根据计重效率和最低计数效率对空气过滤器进行分级，根据测试效率将过滤器评定为粗中细三档9个级别。计数测试采用0.4 μm液态未处理的纯净DEHS (一种用于产生试验气溶胶的液体，癸二酸二辛酯，DiEthylHexylSebacate)，或者其他具有相同特性的气溶胶，最低效率是初始效率、消除静电效率以及测试过程中的平均效率三者的最低者；计重效率及容尘采用ASHRAE人工尘。

美国标准ASHRAE52.2是根据不同粒径的KCl(氯化钾)固态气溶胶的过滤效率来评定空气过滤器。其过滤效率分别在过滤器清洁状态、五次容尘阶段进行测量的。KCl固态气溶胶的粒径范围在0.3 μm～10 μm之间，至少应包含12个粒径段。每个粒径段六次测量的最小值组成组合最小效率，然后取0.3～1、1～3、3～10 μm三个区间各4个粒径段的效率平均值，得到了三个组合平均效率，与标准进行比较，对过滤器进行分级。

GB/T—14295分别采用多分散固相氯化钾粒子气溶胶和人工尘测试过滤器的计数效率和计重效率，并据此对过滤器进行评定分级。氯化钾粒子粒径范围为 0.3 μm～10 μm，计数效率按大于或等于0.3 μm、大于或等于 0.5 μm、大于或等于 1.0 μm 和大于或等于2.0 μm四个粒径档进行测试，根据大于或等于 0.5 μm、大于或等于2.0 μm两个粒径档下的计数效率进行分级；计数效率低于2.0 μm粒径档的，采用人工尘按计重效率分级。

2 性能对比检测装置的设计

2.1 检测对象、目的

检测对象：基于燃气轮机进气系统2级过滤配置的现状，检测对象为2级过滤组合配置。为使检测结果具有可比性，检测装置按同时对四种组合进行检测而设计。检测目的：验证过滤器的使用寿命及其性能特征。

2.2 检测条件

在过滤器使用环境下对候选过滤器进行检测。为此，对比检测装置安装在集装箱内，可根据需要运至不同的地点。

尘源：自然尘源，即新建、已建、扩建燃气轮机电厂厂址下的尘源。

温湿度：电厂厂址下的温湿度。

风量：风机的额定风量为5 430 m3/h(标准工况下)，为保证试验风量与候选过滤器的设计工况及变工况风量一致性，试验风量可通过变频装置调节。

2.3 装置组成

图1为对比试验装置的P&ID图。图2为空气过滤器性能对比检测装置立体示意图，图3为远程传输拓扑图。

1. 防雨罩；2. 预过滤器；3. 二级过滤器；4. 引风机；5. 预过滤器差压变送器；6. 二级过滤差压变送器；7. 流量测量装置； 8. 颗粒粒径及浓度在线检测仪；9. 大气环境检测仪；10. 电控及数传柜。图1 空气过滤器性能对比检测装置P&ID

1. 防雨罩；4. 引风机；10. 电控及传输柜；11. 风道；12. 预过滤室；13. 二级过滤室；14. 稳流室；15. 变径管；16. 圆管；17. 排空管；18. 支架；19. 集装箱图2 空气过滤器性能对比检测装置立体示意图

图3 空气过滤器性能对比检测装置远程传输拓扑图

如图所示，检测装置由四个结构相同的风道11，大气环境检测仪9、电控及数传柜10、集装箱19、云服务器、无线互联网及客户端组成。四个风道11按两列布置，两列之间留有检修维护通道，每列分上下两个风道，上风道支撑在下风道上，下风道通过紧固件固定在钢支架18上，支架18为型材焊接件。四个风道11、电控及数传柜10布置在集装箱19中。

2.3.1 风道设计

为真实反映过滤器的实际运行效果，风道按照燃气轮机进气系统的常规配置进行设计。每一个风道由防雨罩1、预过滤器室12、二级过滤室13、稳流室14、变径管15、圆管16、引风机4及配套电机、排空管17及支架18组成。预过滤器2、二级过滤器3分别安装在预过滤器室12和二级过滤室13内。

预过滤器室12、二级过滤室13的结构尺寸为750 mm×750 mm的方型管，材料均为镀锌碳钢，厚度5 mm；为便于更换过滤器，预过滤器室12和二级过滤室13的四个面为法兰连接，一个侧面设置了观察窗；风机进口和风管之间借助于膨胀节实现柔性连接。引风机4额定流量、全压分别为5 430 m3/h，1 500 Pa，其配套电机的铭牌功率为5.5 kW,防护等级为IP65。

预过滤器室12、二级过滤室13的长度和结构充分考虑到待测过滤器的类型和尺寸，适用于安装袋式、板式和筒式过滤器等各种型式的过滤器。

过滤器下游的风道两侧配置有视窗玻璃，用于测量颗粒粒度和浓度[4]，视窗玻璃与圆管通过螺栓相连接。

2.3.2 配电系统

配电系统的设计覆盖了检测装置的强弱电系统，主要的电负荷有风机电机、照明灯具及其控制回路、PLC、一次仪表等。动力进线电源为AC 380 V，50 Hz，电机控制保护回路为AC 110 V，PLC及一次仪表为DC 24 V。

每台风机的电机配一台变频器，用于调节控制检测风量，目标风量可在操作面盘上设定。配电系统集成在电控及数模转化柜中。

2.3.3 数据采集、控制

数据采集包括预过滤器、二级过滤器压差变送器5与6、流量测量装置7、颗粒粒径及浓度在线检测仪8、大气环境检测仪9。预过滤器和二级过滤器压差变送器、流量测量装置、颗粒粒径及浓度在线检测仪每一风道各配一套，大气环境检测仪四个风道共用一套。各传感器的输出信号均为4～20 mA,送至PLC中。

颗粒粒度及浓度在线检测仪采用了激光前向小角散射方法,与此同时,颗粒浓度的在线检测则采用光透消光方法[4]，颗粒粒度及浓度在线检测仪的视窗玻璃安装在过滤器下游的风道两侧。

风量控制:风量控制的目的是保证试验风量与待测过滤器的设计风量相一致。借助于变频器调节风机电机的供电频率进而调节风机的转速而实现试验风量的控制。首先根据待测过滤器的设计风量设定目标风量，风量传感器测得的信号送至变频器，计算风量若不满足设定值，变频器据此调节风机转速，使运行风量达到设定风量。

2.3.4 远程传输

远程传输包括三部分:(1)现场实施部分：该部分主要包含PLC模块、数传模块；(2)云端服务器部分：该部分架设在阿里云上，主要包括数据库及网站服务器。(3)客户终端，可以是PC机或手机。

现场信号通过两线制信号进入PLC单元，组态后将模拟量转化为数字量，对数据进行编码、封装等处理后传输至数传单元，同时向云服务器发出数据传输请求，云服务器在收到传输请求后建立连接，数传模块向服务器发送数据，服务器接收并保存数据到相应的数据库；同时，云服务器等待接收客户端的连接请求，当有客户端连接请求时，接收、分析请求信息，解析出请求的方法、URL目标、可选的查询信息及表单信息等，同时根据请求做出相应处理，向客户端发送响应信息，实现数传单元与互联网的传输数据功能以及报文的显示功能。

PLC的编程语言为简易C语言，云端服务器租用时已预装windows系统，数据库采用SQL，主控单元与云服务器端的通信选择面向连接的TCP/IP协议进行数据传输。远程传输功能集成在电控及数模转化柜中。

3 检测过程及检测结果的整理

3.1 检测过程

首先根据待测过滤器的额定流量在变频器操作面盘上设定目标风量，分别将四个风道的风量设定到目标值，运行中变频器将根据风量设定值与反馈值的差距，不断调节风机电机的馈电频率，也就是调整风机的转速，使风机的流量与目标值一致。然后进行初始风量阻力检测，把目标风量依次调节到额定风量的50%、75%、100%和125%，相应风量下的过滤器的阻力值被传送储存至云端服务器，登录云端服务器下载相关数据后，可以绘制出过滤器的风量阻力曲线图。初始风量阻力曲线图需在现场进行。

初始风量阻力检测完成后，将风量目标值调整为100%的额定风量，进行过滤器寿命、容尘量和计重效率的检测。随着运行时间的不断增长，过滤器差压将持续升高，流量反馈值与目标值产生了偏差，变频器随之调整供电频率，使风机流量跟踪目标值而调整，因此，风机流量始终跟踪目标值。在此过程中，运行时间、过滤器的差压、环境空气的颗粒物浓度、湿温度以及待测过滤器(组)上下游的颗粒粒径、浓度等参数均通过PLC、数传模块传输至云端服务器。当过滤器差压达到终值时，此时累计运行的时间作为过滤器的实际运行寿命。

在客户终端登录云端服务器可以下载检测数据，根据需要整理出过滤器的差压、过滤效率随时间的变化曲线，估算不同差压下的容尘量和计重效率。

各种测量参数的上传频率是5 s 1次，为了方便起见，对下载的离散数据每1 min计算一次算术平均值，该值作为实时测量数据。

(1) 尘量和平均计重效率

尘量和平均计重效率分别按公式(1)、(2)估算：

(1)

(2)

式中：CDH为总的容尘量，mg；T为检测运行时间，h；qv为额定过滤风量，m3/s；PTS(t)为环境空气总悬浮物浓度，μg/m3；Wc(t):过滤后的空气颗粒物浓度，μg/m3；A:平均计重效率。

(2) 过滤效率的估算

计数效率是以待测过滤器上下游的不同粒径的实时数据为基础进行计算的。首先对下载的上下游颗粒浓度每1min计算一次算术平均值，按公式(3)计算过滤效率：

(3)

式中：nj是待测过滤器下游j档粒径颗粒数量，Nj是待测过滤器上游j档粒径颗粒数量。

3.2 检测初步结果

在调试阶段，空气过滤器性能对比检测装置布置在某一电厂空闲区域，该电厂东西两个方位均与化工园区或化工厂相邻。调试过程中，安装了市场出售的4种不同厂家的筒式过滤器(标称过滤等级均为 EN779:2012 F9级)，在额定流量运行了500 h，对四种过滤器的性能进行了初步测试。过滤器的压差随时间的变化曲线如图4所示，初始过滤效率和500 h下的过滤效率分别见图5和图6。

图4 四种过滤器的差压曲线

图5 四种过滤器的初始过滤效率

图6 过滤器运行500 h时的过滤效率

综合压差变化趋势和过滤效率两个性能指标，过滤器C的性能要优于A、B、D三种过滤器，且在连续20小时的高湿度环境运行时，过滤器C没有出现差压超标的现象，表现出较强的抗湿性。尽管过滤器B的运行差压变化平稳，但其过滤效率不及另外三种过滤器。

笔者认为随着测试仪器的不断完善和测试时间的不断增加，过滤器的实际运行寿命、容尘量以及过滤效率随时间或压差的变化将得到进一步的量化。

4 本装置的优越性

4.1 检测条件、检测结果更切合实际

在选择进气过滤器时，由于现有检测方法不能准确地评价过滤器对电厂环境的适应能力，因此常常导致过滤器的运行时间达不到设计寿命。本文提出的检测条件、检测对象的组合可与使用现场的完全一致，因此检测结果更能反映实际的运行性能，对过滤器的选型决策提供了科学的依据。另外,检测装置布置在一个标准的集装箱内，可通过汽车和火车将装置运输到不同的过滤器应用场所。

4.2 检测更方便

性能检测数据通过无线网络、云服务器，可远程传输、存储，做到无人值守。检测内容不再像以前那样由人工读取微压计数值,调整变频器输出频率,记录复杂的数据,而一切工作都自动完成,检测结果自动存入数据库中。检测操作非常方便,节省人力和检测时间。

4.3 可比性强

检测装置的四个风道均配置独立的引风机，且风量可调，检测结果具有可对比性，同时具备变工况性能对比检测能力。

5 结论

通过对4只同等级的过滤器样品试验证明，基于环境空气条件下的空气过滤器性能对比检测装置，能够较准确地反映出过滤器的性能，为空气过滤器的选型以及结构和工艺参数的优化提供了可靠的依据；数据的远传功能，实现了无人值守，减少了测试记录的环节，降低性能测试工作强度，为测试空气过滤器全寿命周期性能提供了可靠的手段。