CN106644494A - 一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的方法和装置，评价方法中将加湿后的空气经过进气过滤器，测得进气过滤器阻力ΔP，再将阻力ΔP根据公式1修正成ΔP1.203，根据进气过滤器在一定时间内ΔP1.203的变化值或ΔP1.203达到一定数值经历的时间对进气过滤器划分等级，评价进气过滤器抗湿性能。本发明提供的方法在国内和国际上均属于第一次提出，从过滤器本身入手，量化过滤器阻力受高湿空气胁迫时随时间的变化过程，以此来评价过滤器抗湿性能的优劣，该方法适用于一般通风过滤器的评价，对解决燃机进气过滤器面临的“湿堵”难题、规范空气过滤器制造厂家的生产都具有重要的意义。

Description

一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的方法和装置
技术领域
本发明涉及燃气轮机空气进气***领域，可以扩展到使用一般通风过滤器的旋转机械、暖通等领域，具体涉及一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的方法和装置。
背景技术
传统评价一般通风过滤器的方法和依据主要按照GB14295(空气过滤器)、EN779(一般通风过滤器-过滤性能的测定)、ASHRAE52.2(根据颗粒大小的效率测试一般通风过滤器的方法)和ISO29461-1-2013(一般通风过滤器-过滤性能的测定)等标准，随着滤纸技术和生产工艺的进步，传统标准中阻力、效率和容尘量等评价方法已经无法满足生产的实际需要，特别当过滤器在较高湿度的环境中使用时。
燃机空气进气过滤器作为外界空气进入燃机的唯一一道防线，对燃机安全运行和工作效率有着举足轻重的影响。我国地面燃机主要分布在油气管道沿线以及京津、长三角、珠三角等地区，其进气过滤***普遍存在遇潮湿天气阻力急剧升高的现象，致使燃机被迫降负荷运行或者停机。
究其原因在于一直以来缺失过滤器抗湿性能评价的方法和标准，导致没有办法针对高湿环境评价或选用抗湿性能较好的过滤器。当抗湿性能较差的过滤器在低温季节以及高湿天气运行时，由于高速气流经过滤器时被拦截下的液态雾滴和节流效应析出液态水的综合作用，导致过滤器压差短时间大幅升高，严重影响机组安全经济运行。
过滤器抗湿性能的评价方法无论在国际还是在国内都属于空白，故本专利的方法对解决燃机进气过滤器面临的“湿堵”难题、规范空气过滤器制造厂家的生产都具有重要的意义。
发明内容
针对现有过滤器检测技术和评价标准的缺失，本发明第一目的在于提供一种能够评价燃机进气空气过滤器抗湿性能的方法，从过滤器本身入手，量化过滤器阻力受高湿空气胁迫时随时间的变化过程，以此来评价过滤器抗湿性能的优劣；
本发明第二目的在于提供一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的装置。
上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的方法：将加湿空气连续通过待测试进气过滤器，实时测定待测定过滤器进气侧与出气侧的压力差，即待测试过滤器进气阻力ΔP，再将阻力ΔP根据公式1修正成ΔP1.203，根据进气过滤器在设定时间内ΔP1.203的变化值或ΔP1.203达到设定数值经历的时间对进气过滤器划分等级，评价进气过滤器抗湿性能；公式1如下：
其中，ρ1.203＝1.203kg/m3，u1.203＝17.853×10-6Pa·s，ρ和u分别根据公式2和公式3计算：
其中，pv根据公式4计算：
其中，为加湿空气的相对湿度，ps根据公式5计算：
其中，公式2、3、5中的t和p代表加湿空气的温度和压力；
上述公式1指数中n的计算方法为：测得进气过滤器入口处的空气体积流量qv和进气过滤器阻力ΔP，根据公式Δp＝c(qv)n、c＝k×u2-n×ρn-1，用最小二乘法求得；其中，k为常数。
进一步地，相对湿度为的加湿空气经过相对湿度为的未加湿空气加湿而得，加湿量ml通过公式6计算确定：
ml＝qvρ0(d-d0) (公式6)
其中，qv为未加湿空气的体积流量，d0和d分别为未加湿空气和加湿空气的含湿量，依次通过公式7和公式8计算得到；ρ0为未加湿空气的密度，通过公式9计算得到；
其中，ps0和ps通过公式10和公式11计算得到：
其中，公式7、8、9中的p0和p分别代表未加湿空气和加湿空气的压力；公式10和公式11中t0和t分别代表未加湿空气和加湿空气的温度。
进一步地，加湿空气的相对湿度大于95％。
设定时间优选为0.5-10小时，也可以根据实际标准要求设定相应值；所述设定数值优选为200-800Pa，也可以根据实际标准要求设定相应数值。
一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的装置：包括大气进气室、湿空气预混室、待测过滤器管段、流量计和风机；所述大气进气室内布置有压力、温度、湿度传感器，大气进气室与湿空气预混室之间通过管道连接，管道内设有由多个雾化喷嘴组成的大气加湿器；所述待测过滤器管段与湿空气预混室相连，内部布置有待测过滤器，待测过滤器之前和之后分别布置有压力、温度、湿度传感器；所述待测过滤器管段之后的管道内设有流量计和风机。
进一步地，所述大气进气室的进气面布置有过滤器。
进一步地，所述大气进气室内布置有一次回风***。
进一步地，所述大气加湿器连接有PID控制器。
进一步地，雾化喷嘴的布置方向与大气流动方向相反。
进一步地，所述待测过滤器管段设有观察窗。
进一步地，所述风机为轴流风机。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的方法在国内和国际上均属于第一次提出，从过滤器本身入手，量化过滤器阻力受高湿空气胁迫时随时间的变化过程，以此来评价过滤器抗湿性能的优劣，该方法适用于一般通风过滤器的评价，对解决燃机进气过滤器面临的“湿堵”难题、规范空气过滤器制造厂家的生产都具有重要的意义；
2、本发明提供的装置选用卧式***，布置合理，可保证水雾与空气充分快速混合，可靠地用于研究评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能。
附图说明
图1为本发明评价方法的逻辑框图；
图2为本发明评价装置的结构示意图；
图3为抗湿性能变化曲线；
图2中，1-进气面(布置高效过滤器)；2-大气进气室(可含一次回风***)；3-大气压力、温度、湿度传感器；4-雾化喷嘴；5-PID控制器；6-湿空气预混室；7-滤前压力、温度、湿度传感器；8-待测过滤器管段；9-观察窗；10-滤后压力、温度、湿度传感器；11-流量计；12-轴流风机。
具体实施方式
下面结合附图具体介绍本发明的技术方案。
一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的方法：将加湿后的空气经过进气过滤器，测得进气过滤器阻力ΔP，再将阻力ΔP根据公式1修正成ΔP1.203，根据进气过滤器在一定时间内ΔP1.203的变化值或ΔP1.203达到一定数值经历的时间对进气过滤器划分等级，评价进气过滤器抗湿性能。试验所测数据按标准空气密度1.203kg/m3进行修正，此密度对应标准状态的大气经加湿达到饱和状态下的密度。试验验证，空气密度在1.16kg/m3～1.24kg/m3间时不需修正。
公式1如下：
其中，ρ1.203＝1.203kg/m3，u1.203＝17.853×10-6Pa·s，ρ为温度t(℃)、大气压p(Pa)和相对湿度下的空气密度(kg/m3)，根据公式2计算；u为温度t(℃)下的动力粘度(Pa·s)，根据公式3计算：
其中，pv为空气中的水蒸汽分压，根据公式4计算：
其中，为加湿空气的相对湿度；
ps(Pa)为空气温度t(℃)时的饱和蒸汽压，根据公式5计算：
其中，公式2、3、5中的t和p代表加湿空气的温度和压力；
上述公式1指数中n的计算方法为：测得进气过滤器入口处的空气体积流量qv(单位m3/s)和进气过滤器阻力ΔP(单位Pa)，根据公式Δp＝c(qv)n、c＝k×u2-n×ρn-1，用最小二乘法求得；其中，k为常数；μ为气体动力粘度(单位Pa·s)；ρ为空气密度(单位kg/m3)。
最小二乘法计算方法为公知的计算方法，简单介绍如下：
原式为幂函数
取对数得到：
lnΔp＝lnk+(2-n)lnu+(n-1)lnρ+nlnqv
lnΔp-2lnu+lnρ＝lnk+n(lnqv+lnρ-lnu)
在不同进气温度下，可以获得Δp、u、ρ和qv试验数据；
可以确定简化的线性拟合函数：
进而通过最小二乘解求得n值。
进一步地，相对湿度为的加湿空气经过相对湿度为的未加湿空气加湿而得，加湿量ml通过公式6计算确定：
ml＝qvρ0(d-d0) (公式6)
其中，qv为未加湿空气的体积流量，d0和d分别为未加湿空气和加湿空气的含湿量，依次通过公式7和公式8计算得到；ρ0为未加湿空气的密度，通过公式9计算得到；
其中，ps0和ps通过公式10和公式11计算得到：
其中，公式7、8、9中的p0和p分别代表未加湿空气和加湿空气的压力；公式10和公式11中t0和t分别代表未加湿空气和加湿空气的温度。
一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的装置，如图2所示，包括大气进气室、湿空气预混室、待测过滤器管段、流量计和风机；所述大气进气室内布置有压力、温度、湿度传感器，大气进气室与湿空气预混室之间通过管道连接，管道内设有由多个雾化喷嘴组成的大气加湿器；所述待测过滤器管段与湿空气预混室相连，内部布置有待测过滤器，待测过滤器之前和之后分别布置有压力、温度、湿度传感器；所述待测过滤器管段之后的管道内设有流量计和风机。其中，所述大气进气室的进气面布置有过滤器；所述大气进气室内布置有一次回风***；所述大气加湿器连接有PID控制器；雾化喷嘴的布置方向与大气流动方向相反；所述待测过滤器管段设有观察窗；所述风机为轴流风机。
评价动态高中效过滤器实施案例：
利用本发明卧式试验台，待评价的过滤器A水平放置。室内进气空气温度为20℃，相对湿度为65％，设定通风流量为3400m3/h，预设空气状态为100％相对湿度饱和状态。
由该装置根据进气空气温湿度计算和控制目标空气状态所需加湿量的，由上述公式计算加湿量为6.85kg/h，使得进气空气相对湿度达到100％。抗湿性能变化曲线如图3，过滤器A初始压差为120Pa，经历三个小时湿空气后压差逐渐增大至320Pa。
动态高中效过滤器评价指标(EF)如表1所示，根据EF＝f(Δp,ml,T)，ml＝6.85kg/h时，进一步设定三小时压差变动数值EF0、EF1、EF2为150Pa、300Pa和500Pa三档(此为经过大量试验，推荐数值)。如低于三小时达到500Pa，则按照达到500Pa的时间分档(时间和阻力，先到者为准)。过滤器A的抗湿试验中三小时压差升高200Pa，根据推荐评价指标抗湿等级为EF1，抗湿性能在同类产品中为优。
表1动态高中效过滤器评价指标(ml＝6.85kg/h，RH＝100％)
等级 三小时压差变化值(Pa) 变化500Pa时间(h) 评价
EF0 小于150 优+
EF1 小于300 优
EF2 小于500 优-
EF3 N/A 2h≤T<3h 良+
EF4 N/A 1h≤T<2h 良
EF5 N/A 0.5h≤T<1h 良-
EF6 N/A <0.5h 差
综上，本发明实际应用中包括如下四个步骤，逻辑如图1所示：
步骤1，确定本方法的测试装置。前文所提及的国内外相关标准中一般通风过滤器的性能测试试验台均为水平布置的试验装置。同样在国内发电用气轮机进气***多采用选用卧式***，进气***中的过滤器水平布置。本发明专利以水平布置的试验台对抗湿性能试验进行描述，如图2所示。试验台中主要包含干空气进气室、雾化装置、湿空气预混室、待测过滤器管段及轴流风机。整套试验装置采用负压进气。为了保证水雾与空气充分快速混合，喷嘴喷雾方向与干空气气流方向相反。雾化装置包含洁净水***、高压水泵、雾化喷嘴、传感器(3和7)及PID控制***。干空气室(大气进气室2)可为空气自由进气，或设置回风***。湿空气预混室6截面为方形，或渐扩圆形截面。试验台中有几截方形风道管段，安装过滤器的管段(待测过滤器管段8)名义内径在616mm～622mm之间。该管段的最小长度至少为待测过滤器深度的1.1倍。其他管段以利于试验为基准。风道材料应导电并接地，并具有光滑的内表面，且具有足够的强度以保证工作压力下不变形。为了观察过滤器和设备，试验风道中的局部可以采用透明的玻璃或塑料材料。
步骤2，确定空气进气温度和流量。进气空气的温度和流量影响待测过滤器的压差。本方法按国际标准ISO8778，选择空气标准状态(ANR)(温度为20℃、相对湿度为65％、压力为0.1MPa、空气的密度ρ＝1.185kg/m3)为基准。标准空气经加湿达到饱和后，温度为15.15℃，空气密度为1.203kg/m3。对不同温度下湿空气的试验，过滤器差压的修正见上述公式。
前文所提及的国内外相关标准中一般通风过滤器的进气流量为3400m3/h。本发明中对一般通风过滤器进气流量选用为3400m3/h，实验结果可作为国内外相关标准的有效补充。
步骤3，进行加湿量控制，模拟高湿环境。本发明测试装置中包括PID控制加湿与雾化装置，可实现相对湿度较大的未饱和湿空气、饱和湿空气及过饱和携水雾空气的精确控制，加湿量控制计算方法见上述公式。该步骤考虑到并可以满足在不同湿度下对过滤器抗湿性能的评价。根据大量研究试验，建议相对湿度控制大于95％。
步骤4，过滤器阻力随时间的变化进行量化。以上三步确定之后，对待测过滤器样品通湿空气进行测试，记录过滤器阻力和时间的变化关系曲线。命名评价指标为EF，则EF＝f(Δp,ml,T)，其中Δp为压差变化值，定义时充分考虑过滤器的过滤效率；ml为加湿量，与环境温湿度关系较大；T为到达一定阻力的时间，综合过滤器过滤效率和完成本评价方法可承受的时间确定T的合理取值。过滤器阻力随时间的变化进行量化的意义在于可用于单个检测样品的评价，同样可以用于多个检测样品的横向比较。
本发明提供的方法在国内和国际上均属于第一次提出，从过滤器本身入手，量化过滤器阻力受高湿空气胁迫时随时间的变化过程，以此来评价过滤器抗湿性能的优劣，该方法适用于一般通风过滤器的评价，对解决燃机进气过滤器面临的“湿堵”难题、规范空气过滤器制造厂家的生产都具有重要的意义；
本发明提供的装置选用卧式***，布置合理，可保证水雾与空气充分快速混合，可靠地用于研究评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能。
上述实施例的作用仅在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

Claims (10)

1.一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的方法，其特征在于：将加湿空气连续通过待测试进气过滤器，实时测定待测定过滤器进气侧与出气侧的压力差，即待测试过滤器进气阻力ΔP，再将阻力ΔP根据公式1修正成ΔP1.203，根据进气过滤器在设定时间内ΔP1.203的变化值或ΔP1.203达到设定数值经历的时间对进气过滤器划分等级，评价进气过滤器抗湿性能；公式1如下：
其中，ρ1.203＝1.203kg/m3，u1.203＝17.853×10-6Pa·s，ρ和u分别根据公式2和公式3计算：
其中，pv根据公式4计算：
其中，为加湿空气的相对湿度，ps根据公式5计算：
其中，公式2、3、5中的t和p代表加湿空气的温度和压力；
上述公式1指数中n的计算方法为：测得进气过滤器入口处的空气体积流量qv和进气过滤器阻力ΔP，根据公式Δp＝c(qv)n、c＝k×u2-n×ρn-1，用最小二乘法求得；其中，k为常数。
2.根据权利要求1所述的方法，相对湿度为的加湿空气经过相对湿度为的未加湿空气加湿而得，其特征在于：加湿量ml通过公式6计算确定：
ml＝qvρ0(d-d0) (公式6)
其中，qv为未加湿空气的体积流量，d0和d分别为未加湿空气和加湿空气的含湿量，依次通过公式7和公式8计算得到；ρ0为未加湿空气的密度，通过公式9计算得到；
其中，ps0和ps通过公式10和公式11计算得到：
其中，公式7、8、9中的p0和p分别代表未加湿空气和加湿空气的压力；公式10和公式11中t0和t分别代表未加湿空气和加湿空气的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：加湿空气的相对湿度大于95％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述设定时间优选为0.5-10小时；所述设定数值优选为200-800Pa。
5.一种评价燃机轮机空气进气过滤器抗湿性能的装置，其特征在于：包括大气进气室、湿空气预混室、待测过滤器管段、流量计和风机；所述大气进气室内布置有压力、温度、湿度传感器，大气进气室与湿空气预混室之间通过管道连接，管道内设有由多个雾化喷嘴组成的大气加湿器；所述待测过滤器管段与湿空气预混室相连，内部布置有待测过滤器，待测过滤器之前和之后分别布置有压力、温度、湿度传感器；所述待测过滤器管段之后的管道内布置有流量计和风机。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述大气进气室的进气面布置有过滤器。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述大气进气室内布置有一次回风***。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述大气加湿器连接有PID控制器。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：雾化喷嘴的布置方向与大气流动方向相反。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述待测过滤器管段设有观察窗。
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