市場趨勢
◎ 燃氣渦輪機性能 – 為什麼過濾器不能失效
燃氣渦輪機性能的重要性
燃氣渦輪機廣泛應用於發電領域，需要快速啟動、高可用性和可靠性，以滿足所有穩態和瞬態條件下不斷增長的電力需求。目前，燃氣渦輪機發電量佔全球發電量的四分之一。國際能源總署在最近的報告中強調，儘管近期經濟成長緩慢，但隨著景氣逐漸復甦，預計2024年需求將成長3.3%。燃氣渦輪機的性能成為評估發電量和減少停電造成經濟影響的最關鍵運行因素，例如：在高粉塵濃度和極端溫度的環境中運行的燃氣渦輪機會造成性能下降，發電廠和電網需提高冷卻能力以避免過載。
燃氣渦輪機在現代社會中發揮重要的作用，改善工業化世界的日常生活。
空調系統消耗的電力約佔全球發電量的五分之一，因此，更好的建築設計、更嚴格的建築規範和安裝高效的空調系統，將有助於降低對電力的需求。為了達成全球暖化控制在攝氏2度內的目標，必須採取高效且經濟的發電措施，以推動人類走向可持續、公平和繁榮的經濟。
聯合循環發電廠示意圖。
燃氣渦輪機運作的原理是透過增加氣體的比焓並將其轉化為動能來將氣體加速。大氣透過水平的過濾室吸入，然後空氣通過過濾階段及喇叭口進入壓縮機，淨化後的空氣被壓縮至高壓和高溫，進入燃燒室，在燃燒室中添加燃料並發生燃燒，然後將高壓和高溫廢氣降壓和冷卻。能量在渦輪機中轉換為功，其中50%至60%用來驅動壓縮機，其餘的用來驅動發電機、空壓機和泵浦。
燃氣渦輪機性能下降
燃氣渦輪機在不同的氣候下運行，面臨多種濃度不同的大氣汙染物，這些汙染物可能導致性能下降和零件劣化。
典型壓縮機組件中的喉部區域圖示。
所有燃氣渦輪發動機面臨的一個長期挑戰是壓縮機結垢。當各種汙染物沉積在壓縮機組件上，減少葉片之間的喉部面積時，就會發生這種情況。這種沉積會降低流量、壓力比、壓縮機效率和喘振線，導致性能下降並且必須燃燒更多的燃料才能維持功率輸出。因此，渦輪葉片將承受更高的燃燒溫度，由於離心力、振動和彎曲應力而產生高熱應力和機械應力，這會對渦輪葉片的蠕變壽命產生負面影響。
計畫停機期間從壓縮機葉片上取下的汙垢層。
燃氣渦輪機使用各種空氣過濾器，透過深度和表面沉積來分離和截流顆粒。另一方面，表面過濾透過在過濾材表面形成塵餅來促進過濾作用，並透過脈衝系統完成再生，產生新的過濾週期。不管採用哪種技術，均須提供燃氣渦輪機足夠的空氣流量。此外，結垢的壓縮機會降低引擎性能，降低功率輸出和燃氣渦輪機的可用性。根據研究，70%的性能下降歸因於壓縮機汙垢，凸顯出為引擎提供良好空氣品質以及壓縮機清洗的重要性。因此，選擇適當的空氣過濾器達到顆粒捕集和透氣性之間的平衡非常重要。
燃氣渦輪機中使用的靜態[左、中]和脈衝過濾器[右]的範例。
深度[左]和表面[右]顆粒沉積的照片。
脈衝過濾器在燃氣渦輪機中的安裝照片。
燃氣渦輪機空氣過濾的設計
影響空氣過濾器性能的幾個參數包括顆粒特徵(尺寸、形狀)、不同操作條件下的負載機制以及設計參數(褶數和有效表面積)。顆粒的尺寸和形狀決定主要捕集機制以及在過濾材上是深層過濾或表面沉積。同時，過濾材的孔隙結構也會影響過濾器的負載和堵塞表現。
當空氣流量較大時，任何低濃度的顆粒都將造成大量顆粒負載，導致更高的壓力降，這與透氣性成反比。在較高的流量下，同時會影響過濾材的結構穩定性和特性，摺景和打摺面板可能會變形，導致表面積與透氣性降低。因此，過濾材的物理特性和結構完整性需充分支撐空氣流量所造成的力量。從效率的角度來看，由於顆粒負載增加和/或過濾材選擇不當而導致透氣性降低，可能會影響整體過濾效率。
不同顆粒形狀的範例。
有效表面積的概念
透過增加打摺密度來增加濾芯的表面積並不是重點，重點是參與分離和捕集過程的有效表面積。除了過濾材特性以及操作和氣候條件之外，過濾器設計可以優化打摺濾芯的流體動力學，達到最佳過濾器性能。因此，優化的過濾器設計、適當的過濾材選擇有助於在不阻礙氣流的情況下讓燃氣渦輪機發揮效率，因此，燃氣渦輪機的空氣過濾器不能失效。
當前，在達成減碳目標的前提下，為了支持更環保的能源政策並擁抱永續的生活，當務之急是提高化石燃料的效率和提高再生能源的比例。
資料來源：
https://www.filtnews.com/gas-turbine-performance-why-filters-cannot-fail/
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
