楊小軍，陶健，梁珊珊，何瑛

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

某重型燃氣輪機燃氣系統(tǒng)過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊小軍，陶健，梁珊珊，何瑛

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

某電廠燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)項目調(diào)試過程中，由于用戶的燃料系統(tǒng)管道清潔度不夠，燃氣系統(tǒng)中的燃氣過濾器在冷態(tài)時產(chǎn)生間隙，燃氣中的細小顆粒通過過濾器間隙泄漏到下游，導(dǎo)致噴嘴堵塞，致使調(diào)試工作不能順利進行。在此情況下，對燃氣過濾器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，使過濾器在冷態(tài)和熱態(tài)2種工況下均達到理想的過濾效果，得到了用戶的肯定。

過濾器，優(yōu)化，燃氣系統(tǒng)，彈簧墊片

0 引言

燃氣系統(tǒng)是燃氣輪機最重要的輔助系統(tǒng)之一，燃料依次通過燃氣系統(tǒng)的各個設(shè)備以及管道并達到燃氣輪機的運行要求后，進入燃燒器燃燒。近年來，隨著燃氣輪機燃燒效率的提高以及降低NOx排放水平的環(huán)保要求，燃燒器的燃料噴嘴孔徑變得越來越小，對進入燃燒器的燃料的清潔度要求也變得越來越高?；诖耍剂瞎苈废到y(tǒng)中所配置的終端過濾器的作用就顯得尤為重要，它將是機組正常運行期間，燃料進入燃氣輪機噴嘴的最后一道防線。在某聯(lián)合循環(huán)電廠項目的系統(tǒng)調(diào)試階段，由于用戶的燃料系統(tǒng)管道清潔度相當(dāng)差，達不到燃氣輪機制造商要求的天然氣清潔度。于此同時，燃氣終端過濾器在機組冷態(tài)和熱態(tài)運行過程中，由于熱變形產(chǎn)生間隙，燃氣中的雜質(zhì)通過間隙進入到下游燃氣輪機中，最終導(dǎo)致燃氣輪機噴嘴堵塞，燃機停機。在此情況下，對該過濾器進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以保證機組在任何工況下運行時，過濾器均能夠滿足作為燃氣系統(tǒng)中最后一道防線的要求。

1 燃氣系統(tǒng)及過濾器介紹

燃氣系統(tǒng)用于接收來自用戶提供的燃料，同時對燃料進行溫度、壓力調(diào)節(jié)和過濾后，將合適的燃料送入燃氣輪機進行燃燒。為了滿足以上功能，燃氣系統(tǒng)配置有燃氣加熱器、燃氣過濾器、燃氣流量計和管道、閥門、儀表等。簡略示意如圖1所示。

圖1 燃氣系統(tǒng)流程圖

為了盡可能減少固體顆粒進入燃氣輪機，防止閥門構(gòu)件、噴嘴等受到損壞和堵塞，在燃氣加熱器的下游設(shè)置有2個終端過濾器 （200目），采用一用一備方式，以濾掉燃氣中可能存在的雜質(zhì)。

過濾器采用Y型 （見圖2～3），水平安裝，在過濾器法蘭板下方配有疏水口。過濾器閥體和濾網(wǎng)之間采用金屬纏繞墊片密封。過濾器前后配有隔離閥，以保證過濾器出現(xiàn)故障時可以在線檢修，不影響機組運行。過濾器配備有壓差傳感器，用來測量過濾器進出口壓降。當(dāng)壓差上升到設(shè)定值時，將會觸發(fā)控制系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

圖2 過濾器剖面圖

圖3 過濾器外形

燃氣系統(tǒng)管路中采用Y型過濾器，它有以下優(yōu)點：

（1）能滿足作為燃氣輪機最后一道過濾的精度和過濾能力的要求。

（2）采用不銹鋼材質(zhì)能滿足高溫環(huán)境運行。具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐壓性以及耐磨性。

（3）結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊。具有結(jié)構(gòu)先進、壓損小、排污方便的特點。

（4）清洗和維護方便，濾芯更換方便。

（5）整個過濾系統(tǒng)配置簡單，不需要其他的輔助設(shè)備，降低了整個系統(tǒng)的運行成本。

2 過濾器的要求和規(guī)范

由于終端過濾器安裝在燃料加熱器的出口側(cè)，因此該過濾器在設(shè)計過程中必須考慮高溫、高壓的運行條件。基于系統(tǒng)的運行要求，過濾器應(yīng)達到以下要求：

（1）能夠過濾掉燃氣中大于75 μm的固體顆粒，以防止燃氣噴嘴受到侵蝕、結(jié)垢和堵塞。

（2）有足夠的通流能力。最大通流能力要求滿足燃氣輪機最大流量的需求，同時考慮一定的堵塞率。

（3）壓損應(yīng)滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。燃氣輪機噴嘴前的燃氣壓力是有要求的，如果低于某個壓力，將導(dǎo)致機組跳機。因此，為了防止過濾器堵塞后壓損增加，導(dǎo)致供氣壓力降低而跳機，對過濾器的壓損進行監(jiān)控并設(shè)置報警信號，當(dāng)達到阻塞壓損后，應(yīng)更換或清洗濾芯。

（4）強度滿足設(shè)計要求。保證在高溫高壓以及高流速沖刷下，濾芯以及筒體不會發(fā)生腐蝕以及破損的情況。

（5）濾芯與閥體，濾芯與端法蘭之間的接觸面密封緊密，在冷態(tài)和熱態(tài)均能滿足過濾精度的要求。

3 某電廠調(diào)試階段燃氣過濾器現(xiàn)狀

從引進首臺M701F燃氣輪機項目以來，燃氣系統(tǒng)管路均配置Y型終端過濾器。該過濾器不僅能作為燃氣系統(tǒng)的最后一道防線，同時還有體積小、安裝和檢查維護方便、系統(tǒng)配置簡單、運行成本低的優(yōu)點。

用戶的天然氣一般來自燃氣公司，在燃料入口，用戶配置有燃料過濾系統(tǒng)和調(diào)壓站。調(diào)壓站出來的燃氣通常都能滿足燃氣輪機的運行要求。但是由于從調(diào)壓站到燃氣輪機廠房一般會有較長距離的輸送管道，且該部分管道一般采用碳鋼材質(zhì)的地埋管。在安裝過程中，由于安裝工作的不規(guī)范，通常會有焊渣、沙石等留在管道內(nèi)；同時，碳鋼管道在吹掃后充氮保護工作做的不到位、不規(guī)范，也會發(fā)生銹蝕現(xiàn)象。因此，經(jīng)常會發(fā)生在燃氣輪機點火運行期間，大量的雜質(zhì)被帶入到燃氣輪機燃料系統(tǒng)中。

燃氣輪機在正常運行情況下，為了提高燃燒效率并降低NOx排放，需要將燃氣溫度從低溫（通常為5～60℃）加熱到200℃。但是，在機組啟動階段進入燃氣輪機的燃氣溫度為用戶提供的低溫天然氣 （通常5～60℃）。由于終端過濾器設(shè)置在燃料加熱器的出口側(cè)，因此要在冷態(tài)和熱態(tài)2種工況下運行。

某電廠在燃氣輪機點火調(diào)試過程中，由于燃氣雜質(zhì)太多，燃氣過濾器在冷態(tài)時產(chǎn)生間隙，燃氣中的細小固體顆粒通過間隙泄漏到下游，導(dǎo)致噴嘴堵塞，致使燃氣輪機調(diào)試不能順利進行。

4 原因分析及解決方法

導(dǎo)致燃氣中雜質(zhì)進入燃氣過濾器下游有以下3個方面的原因：

（1）業(yè)主提供的燃氣清潔度不夠

由于上游燃氣公司管線為新建管線，未經(jīng)過充分的吹掃和清潔，導(dǎo)致提供到電廠的燃氣較臟。同時，業(yè)主的燃氣調(diào)壓站中的過濾器未能夠安裝和調(diào)試好，導(dǎo)致部分雜質(zhì)進入下游管道。

（2）業(yè)主的調(diào)壓站至燃氣輪機廠房之間的管道清潔度不夠

由于電廠廠區(qū)內(nèi)管道為碳鋼地埋管道，在施工時正逢雨季，安裝后管道內(nèi)殘留了很多泥漿、沙石、焊渣等，同時也造成了管道內(nèi)部銹蝕。然而由于管道較長，在燃氣輪機啟動前對管道的吹掃已無法清理干凈。

（3）燃氣過濾器在冷態(tài)時存在間隙

（a）因為加工和焊接后濾網(wǎng)變形，濾網(wǎng)端面不能與閥體嚴密接觸。

（b）在安裝時未能按照圖紙要求控制濾網(wǎng)和閥體之間的間隙。

（c）由于燃氣過濾器從冷態(tài) （環(huán)境溫度）加熱到熱態(tài) （200℃）的大溫差工況下工作，而且由于濾網(wǎng)為薄壁鋼板結(jié)構(gòu)，閥體為厚壁鑄鋼結(jié)構(gòu)，在冷熱態(tài)轉(zhuǎn)換時，熱膨脹變化不一致，導(dǎo)致濾網(wǎng)與閥體在冷態(tài)和熱態(tài)時不能同時保證其嚴密性。這也就導(dǎo)致在濾網(wǎng)和閥體之間會存在間隙，燃氣中的雜質(zhì)通過這些間隙泄漏到過濾器下游，隨著燃氣進入到燃機堵塞噴嘴，如圖4所示。

圖4 泄漏間隙示意圖

針對以上原因，由于管道已經(jīng)安裝完成，無法對管道進行再次的清潔工作。所以，現(xiàn)場提出了以下處理方法：（1）立即對調(diào)壓站的精過濾器進行調(diào)試和檢查，讓精過濾器發(fā)揮其應(yīng)有的功能，該部分工作由業(yè)主自主完成；（2）對燃氣過濾器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

5 燃氣過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對以上原因分析，對燃氣過濾器工作工況和過濾器結(jié)構(gòu)，電廠現(xiàn)場的條件以及工期考慮了以下幾種燃氣過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，經(jīng)過篩選確定了最終的實施方案。

優(yōu)化方案一：

在閥座上加工凹槽，將濾網(wǎng)一端裝入卡槽，這樣產(chǎn)生U型通道，減少雜質(zhì)的通過量。但由于該設(shè)備已經(jīng)在現(xiàn)場安裝完成，如果補充加工，需要合適的機床和合理加工工藝，再加上工期緊張，無法實施。

優(yōu)化方案二：

在過濾器濾芯端面增加金屬纏繞墊片，在冷態(tài)時壓緊濾網(wǎng)與閥體。冷態(tài)時燃氣系統(tǒng)中燃氣為常溫，這樣在冷態(tài)就能將濾網(wǎng)與閥體之間進行很好地密封，解決了冷態(tài)運行時雜質(zhì)泄漏到下游去的問題。但是，如預(yù)想的一樣，當(dāng)正常運行時燃氣系統(tǒng)中溫度逐漸上升到200℃，在熱應(yīng)力作用下，濾網(wǎng)產(chǎn)生變形，將不能重復(fù)使用，變?yōu)橐淮涡援a(chǎn)品。更擔(dān)心的是，如果濾網(wǎng)由于嚴重變形破損，損失將更嚴重。大量的雜質(zhì)和破損的濾網(wǎng)進入下游管道和控制閥組，造成管道堵塞和設(shè)備損壞。所以，本方案也不是理想的解決辦法。

優(yōu)化方案三：

將濾網(wǎng)一端用堵板封閉，在端部增加蝶形彈簧，如圖5所示。這樣在冷態(tài)時通過彈簧將濾網(wǎng)和閥體之間壓緊，同時在熱態(tài)時通過彈簧變形承受熱應(yīng)力引起的變形。這樣同時滿足了冷態(tài)和熱態(tài)的工況，保證了過濾器的密封性，濾網(wǎng)與閥體密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 濾網(wǎng)一端法蘭密封結(jié)構(gòu) （蝶形彈簧）

圖6 濾網(wǎng)與閥體密封結(jié)構(gòu)

通過以上方案比較，最終選擇優(yōu)化方案三。這種方案改動最小，不用修改過濾器閥體，也最容易實施，優(yōu)化后過濾器解剖圖如圖7所示。

在采用了優(yōu)化后的燃氣過濾器以后，達到了非常理想的過濾效果。濾網(wǎng)沒有出現(xiàn)變形和泄漏情況，使機組順利完成了機組調(diào)試，并投入商業(yè)運行。

在后期的用戶調(diào)訪中，再次了解關(guān)于優(yōu)化后燃氣過濾器的使用情況，用戶反映其使用情況良好，沒有出現(xiàn)燃氣中雜質(zhì)進入下游導(dǎo)致燃機噴嘴堵塞情況。

圖7 優(yōu)化后過濾器解剖圖

6 總結(jié)

綜上所述，對燃氣過濾器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是有效的，它達到了理想的過濾效果，保證了機組順利調(diào)試完成和商業(yè)運行的需求，保證了用戶的工期，得到了用戶的肯定。該過濾器優(yōu)化是在電廠調(diào)試過程中完成的，時間緊迫，現(xiàn)場條件受限。在短時間內(nèi)完成了該濾網(wǎng)的優(yōu)化工作也是非常難得的。

針對國內(nèi)燃氣輪機項目在調(diào)試階段的燃氣和管道的清潔度不佳的情況，該過濾器的優(yōu)化改進對于后續(xù)燃氣輪機項目的安裝調(diào)試、試運行是有重要意義的；在縮短調(diào)試時間，保證工期方面起到了積極的作用，同時也防止了燃燒器噴嘴以及透平高溫部件在正常運行階段受到損壞。

[1]何語平.大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站工程的設(shè)計特點[J].中國電力,2001,34（2）：4-6,31

[2]焦樹建.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2000

[3]M.Ishikawa,S.Uchida,K.Okada,et al.Mitsubishi F Series Gas Turbine Combined Cycle Operating Experience[R]. Technical Reports of Gas Turbine,Mitsubishi Heavy Industries,2002,10:2-3-4

[4]戴天翼.過濾器-設(shè)計、制造和使用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009

Structure Optimization for Gas System Filter of A Gas Tubine

Yang Xiaojun，Tao Jian，Liang Shanshan，He Ying

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

During commissioning process of a gas-steam combined cycle project,fine particles of fuel gas leak to the downstream through the filter's gap and nozzle is clogged,because fuel system piping in owner scope is not clean and the gas filter has gap in the cold state.It leads to the commission work can not be carried out smoothly.For this case,the gas filter structure is optimized, the improved filter has reached to the desired filtering effect in the cold and hot state.Owners are very satisfied with the new filter.

filter,optimization,gas system,spring gasket

TK284

B

1674-9987（2015）03-0059-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.014

楊小軍 （1979-），男，工學(xué)學(xué)士，2004年畢業(yè)于太原科技大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事燃汽輪機設(shè)計工作。