Выбор класса воздушных фильтров КВОУ ГТУ

С. А. Гынденов – ООО «СитиЭнерго»
А. Р. Богдан, Д. Е. Круговых – ООО «Пауэр Инжиниринг Технолоджиз»

В статье представлен первый в России положительный опыт работы газотурбинной установки SGT-800 с фильтрами тонкой очистки класса HEPA.

Целесообразность применения любого оборудования и расходных материалов, независимо от отрасли, достигается путем технико-экономического обоснования. На сегодня определяющим фактором сравнительной оценки любой продукции на конкурсных торгах является ее стоимость. При этом довольно часто не проводится оценка реальных технических характеристик продукции и качества ее изготовления. Сложившиеся тенденции, направленные на экономию закупочных средств и приобретение оборудования и материалов невысокого качества, значительно снижают надежность, долговечность и эффективность работы целых промышленных комплексов.
При выборе того или иного производителя системы фильтрации циклового воздуха, поступающего в ГТУ, не следует ограничиваться стоимостными показателями и заявленными паспортными характеристиками. Указанные в подтверждающих документах параметры фильтров, согласно DINEN 779, определены при испытаниях на тестовой пыли. Реальная пыль существенно отличается от лабораторной по химическому и фракционному составу.
Как показал уже существующий опыт эксплуатации ГТЭС в России, использование низкотехнологичных материалов при изготовлении фильтров грубой и тонкой очистки приводит к колоссальным убыткам, связанным с простоями и дорогостоящими ремонтами ГТУ. Речь идет о механическом износе, перегреве и поломке отдельных элементов проточной части машины, вызванными проникновением атмосферных загрязнений через систему фильтрации, установленной в КВОУ.
Отсутствие технического понимания данных вопросов у проектных и эксплуатирующих организаций препятствует эффективному внедрению современных технологий в этой области. Кроме того, при стандартных решениях заводов-изготовителей основного оборудования не учитываются реальные климатические условия и особенности местоположения газотурбинных электростанций.
При выборе производителя нужно ориентироваться на реальные показатели работы фильтров и положительный опыт их применения. Для этого обозначим основные требования к системам фильтрации КВОУ ГТУ:
1. Основная задача при проектировании и изготовлении современной системы фильтрации (СФ) заключается не в улавливании загрязнений определенных размеров с заданной эффективностью, а в минимизации проскока частиц в проточную часть турбины, чтобы предотвратить снижение технико-экономических показателей ГТУ и надежности оборудования. Другими словами, вопрос «сколько фильтр задержал частиц», следует переформулировать: «почему он столько пропустил через себя»? Пылеемкость является количественным показателем, характеризующим работу ФГО, а проницаемость – качественно-количественным показателем ФГО и ФТО, определяющим эффективность работы ГТУ.
Например, анализ эффективности работы системы фильтрации КВОУ газотурбинной уста-новки SGT5-4000F, проведенный специа-листами ООО «Сити-Энерго» и ООО «Пауэр Инжиниринг Технолоджиз» на Яйвинской ГРЭС, показал, что с 1.09.2011 по 12.03.2012 гг. наблюдалась недовыработка электроэнергии в объеме 6942,71 МВт.ч (в денежном эквиваленте 9,18 млн рублей при тарифе 1321,63 р./МВт.ч). Снижение выработки электрической мощности ГТУ и внутреннего относительного КПД компрессора вследствие загрязнения проточной части представлены на рис. 1. На фото 1 показаны следы износа проточной части компрессора.
2. Работа ступеней грубой и тонкой фильтрации должна предусматривать равномерное распределение фильтрационного потенциала и эквидистантный рост перепада давления. Имеется в виду, что функция ФГО заключается в предотвращении попадания частиц пыли крупных и средних размеров на ступень тонкой очистки и тем самым продлевать ресурс ее работы. Подбор комбинаций классов фильтрации на ступенях должен производиться строго индивидуально под конкретные условия эксплуатации. Основой в выборе оптимального сочетания может служить либо протокол испытаний, учитывающий метеоусловия и анализ концентраций загрязнений за целый год исследования, либо опытная статистика.
Например, опыт применения одного и того же комплекта (влагоотделитель PoretPPI 10D мм; ФГО S45 KR-6/500SG класса G4; ФТО MPK39-23 GT класса F9) на объектах: ТЭС «Международная» и предприятия №3 филиала №9 «Северо-Западный» ОАО «МОЭК», расположенных на западе г. Москвы, показал, что внешние условия эксплуатации ГТУ SGT-800 играют большую роль в выборе сочетания классов очистки. Ресурс работы данного комплекта на ТЭС «Международная» составил 10 месяцев, а на РТЭС «Строгино» около 6 месяцев. По мнению специалистов ООО «СитиЭнерго» и «Пауэр Инжиниринг Технолоджиз» это связано с преобладанием в воздухе на высоте расположения КВОУ частиц различной концентрации и фракционного состава.
Решить вопрос о продлении ресурса работы фильтров без наличия информации о среднегодовом фракционном составе загрязнений в воздухе в этой ситуации возможно лишь опытным, итеративным путем.
3. Фильтрация циклового воздуха, поступающего в ГТУ, защищает от загрязнений ее проточную часть. В основу выбора класса фильтрации для комбинации ступеней очистки следует закладывать критерий минимума online- и offline-промывок и ресурс работы СФ. Российский и зарубежный опыт показал, что поддерживать первоначальную чистоту проточной части ГТУ за счет эффективной очистки более целесообразно, чем возвращать в состояние чистоты за счет промывок. Кроме того, добиться исходного состояния рабочих и сопловых лопаток турбины существующими моющими средствами полностью не удается.
На фото 2а-в показано состояние проточной части компрессора на параллельно работающих ГТУ V84.3А с системами фильтрации различных классов.
У многих эксплуатирующих организаций возникает вопрос: как сравнить фильтры и с кем из производителей заключать контракты, какой класс очистки выбрать, сэкономить и сохранить надежность работы оборудования? Ниже предлагается методика, разработанная ООО «СитиЭнерго» и «Пауэр Инжиниринг Технолоджиз» на основе критерия минимума эксплуатационных затрат и упущенной выгоды электростанции (табл. 1). Данная методика имеет следующее выражение:
DЗi=(n•XiВЛО+m•XiФГО+k•XiФТО)+SYi+(SDЭэiзагрязнение+SDЭэiсопротивление+SDЭэiупущ. выгода)•Sээ,
где n, m, k – количество замен (регенераций) влагоотделителей ФГО и ФТО;
i – идентификация турбины;
Sээ – отпускной тариф на электроэнергию, р./кВт.ч (остальные буквенные обозначения приведены в табл. 1).
В качестве примера рассмотрим реальный эксперимент, реализованный ООО «СитиЭнерго» совместно с ООО «Пауэр Инжиниринг Технолоджиз» на ТЭС «Международная». Эксперимент продолжался несколько лет и может быть условно разделен на два основных этапа. За время проведения первого этапа удалось продлить ресурс системы фильтрации с ФТО класса F9 в три раза за счет оптимально подобранной конфигурации и типов фильтрующих элементов. Работа второго этапа, выполнявшегося в течение года, заключалась в выборе оптимального сочетания ступеней очистки СФ с позиции эффективности и ресурса. Заказчиком были поставлены следующие задачи:
• сократить издержки на промывки проточной части ГТУ;
• предотвратить снижение технико-экономических показателей ГТУ, связанных с заносом загрязнений в ее проточную часть;
• минимизировать затраты на закупку фильтров грубой/тонкой очистки, установленных в КВОУ ГТУ;
• продлить ресурс работы фильтров грубой и тонкой очистки.
За расчетный период исследования был принят временной диапазон с 30.08.2010 г. по 6.09.2011 г. Газотурбинные установки №№1, 2, 4, 5 эксплуатировались с системами очистки различных производителей, использующих собственные инновационные технологии в разработке конструкции фильтроэлементов и фильтрационных материалов. В КВОУ ГТУ №№1, 2, 4, 5 применялись двух- и трехступенчатые системы фильтрации. Класс очистки финишной ступени на газовых турбинах №№1, 2 и 4 – F9, на турбине №5 – H10 в соответствии с последними рекомендациями компании Siemens для ГТУ типа SGT. Графическая интерпретация работ по заменам фильтроэлементов и проведения промывок ГТУ представлена на рис. 2.
Для анализа технической информации в виде дискретных значений параметров, в зависимости от времени, применялся метод приведения результатов к гарантийным условиям. Основой приведения служили значения, представленные в поправочных кривых для ГТУ SGT-800 (Siemens). В качестве базового варианта сравнения принята ГТУ №5 с трехступенчатой системой фильтрации. На ступени тонкой очистки впервые в России использовались кассетные фильтры типа HEPA класса Н10. Ресурс работы системы воздухоочистки полностью соответствует расчетному периоду исследования: 30.08.2010–6.09.2011 гг., наработка ГТУ №5 при этом составила 8331 ч.
Сравнение результатов основано на моделировании процесса выработки электрической мощности на четырех ГТУ с подачей одного и того же количества топлива на каждую из них, равного приведенному расходу ГТУ №5 (базовый вариант). При анализе систем фильтрации учитывался фактор загрязнения проточной части ГТУ, характеризующийся эффективностью очистки циклового воздуха в динамической модели.
Для наглядности все основные затраты электростанции, определяющие эффективность работы систем фильтрации, разнесены по статьям в соответствии с табл. 1. Результаты анализа работы систем фильтрации на ГТУ №№1, 2, 4, 5 представлены в табл. 2.
Процесс загрязнения проточной части ГТУ можно наблюдать на критических режимах работы агрегатов в условиях относительно высоких температур наружного воздуха при угле ВНА®max. Поэтому на этих режимах – с достаточно низкой плотностью циклового воздуха, поступающего в компрессор, – массовый расход достигает минимально критических значений, при которых весь запас по производительности ГТУ полностью нивелируется.
Другим немаловажным фактором, усиливающим влияние загрязнения на снижение электрической мощности, является запыленность атмосферного воздуха. Именно в летний период работы ГТУ запас по производительности практически исчерпан, а концентрация пыли в сухую жаркую погоду максимальна.
Приведение эксплуатационных характеристик ГТУ за счет корректирующих поправок на основные воздействия (температура, давление, влажность, перепад давления на КВОУ и КУ, cosj) при aВНА » max (80 % для SGT-800) позволяет оценить падение электрической нагрузки в зависимости от реального времени эксплуатации. Снижение мощности ГТУ №№1, 2, 4, 5 можно проследить по графикам на рис. 3а-г.

Прокомментируем полученные результаты:
ГТУ №1
15.07.2011 г. на ГТУ произведена промывка компрессора и замена ступеней фильтрации грубой очистки и влагоотделения. Уровень падения мощности в зависимости от времени характеризует эффективность работы системы фильтрации в целом углом наклона аппроксимирующей прямой. Из графика видно, что мощность ГТУ после промывки ее проточной части 15.07 возросла на 0,7 МВт и продолжила снижаться. За период с 1.06 по 31.08 загрязнение проточной части ГТУ-1 привело к недовыработке около 270 МВт.ч электроэнергии. Электростанция недополучила примерно 351000 р.
ГТУ №2
Аналогичная ситуация происходила на ГТУ-2 с использованием на ступени конечной очистки фильтроэлементов с классом очистки F9. ФГО и ФТО производителей 1 и 4 заменены фильтрами производителя 5. Мощность ГТУ после промывки проточной части 15.07 возросла на 0,8 МВт, загрязнение проточной части за период с 1.06 по 31.08 привело к недовыработке 486 МВт.ч электроэнергии, эквивалентной примерно 631800 р.
ГТУ №4
Промывка компрессора ГТУ проведена 22.07.2011 г., фильтры грубой и тонкой очистки производителя 5 не менялись (ФТО класса F9). Рассматривая тренд падения мощности в зависимости от времени до и после промывки, можно отметить, что угол наклона аппроксимирующей прямой сохранился, эффективность очистки при этом не изменилась. Мощность ГТУ после промывки проточной части 22.07 возросла на 0,9 МВт, загрязнение проточной части за период с 01.06 по 31.08 привело к недовыработке 594 МВт.ч электроэнергии, эквивалентной 772000 р.
ГТУ №5
Промывка компрессора выполнялась 22.07.2011 г. В качестве ступени тонкой очистки на этой турбине применялись фильтры класса HEPA (H10). Анализируя уровень падения мощности в зависимости от времени, можно отметить, что угол наклона аппроксимирующей прямой до и после промывки существенно меньше углов, характеризующих степень снижения электрической мощности ГТУ №№1, 2, 4. Этот факт подтверждает целесообразность использования ФТО класса H10 вместо F9. Мощность ГТУ после промывки проточной части возросла незначительно – на 0,3 МВт (если сравнивать с увеличением мощности после промывок на других турбинах), загрязнение проточной части ГТУ за период с 01.06 по 31.08 привело к недовыработке 216 МВт.ч электроэнергии, эквивалентной 280 000 р.

Выводы
1. При выборе той или иной системы очистки циклового воздуха необходимо обязательно проводить технико-экономический анализ существующей системы фильтрации и руководствоваться не только стоимостью комплекта фильтрации, но и учитывать срок службы его работы и положительное влияние на показатели ГТУ.
2. Применение системы фильтрации с равномерно распределенным фильтрационным потенциалом и своевременная замена ФГО позволяют продлить ресурс работы ФТО в 2–3 раза. Срок службы ФГО определяется предельным значением перепада давления на ступени, при достижении которого дальнейшего увеличения перепада в процессе эксплуатации не происходит (5–7 мес. при эксплуатации в Москве). Предельное значение перепада давления может быть ниже рекомендуемого конечного перепада давления, указанного в паспортных данных на фильтры.
3. Установка системы фильтрации с более высоким классом очистки (HEPA) является оправданным техническим решением, несмотря на ее относительно высокую стоимость по сравнению с системой класса F9.
4. Современные технологии в области фильтрации позволяют отказаться от промывок проточной части ГТУ (см. графики рис. 3а-г).
5. Эксплуатационные затраты, вызванные загрязнением проточной части ГТУ, вносят более существенный вклад в статью «упущенной выгоды», чем перепад давления на системе фильтрации. Недовыработка электроэнергии ГТУ №№1, 2, 4, связанная с загрязнением их проточной части, по отношению к ГТУ №5 составляет 1938 МВт.ч, а положительный эффект за счет более низкого перепада давления – 574 МВт.ч. В денежном эквиваленте преимущество «чистого компрессора» над влиянием перепада давления составляет: (1938–574)•1300=1,773 млн рублей.Турбины и Дизели