某重型燃气轮机燃气系统过滤器结构优化

杨小军，陶健，梁珊珊，何瑛

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

某重型燃气轮机燃气系统过滤器结构优化

杨小军，陶健，梁珊珊，何瑛

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

某电厂燃气-蒸汽联合循环项目调试过程中，由于用户的燃料系统管道清洁度不够，燃气系统中的燃气过滤器在冷态时产生间隙，燃气中的细小颗粒通过过滤器间隙泄漏到下游，导致喷嘴堵塞，致使调试工作不能顺利进行。在此情况下，对燃气过滤器结构进行了优化，使过滤器在冷态和热态2种工况下均达到理想的过滤效果，得到了用户的肯定。

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0 引言

燃气系统是燃气轮机最重要的辅助系统之一，燃料依次通过燃气系统的各个设备以及管道并达到燃气轮机的运行要求后，进入燃烧器燃烧。近年来，随着燃气轮机燃烧效率的提高以及降低NOx排放水平的环保要求，燃烧器的燃料喷嘴孔径变得越来越小，对进入燃烧器的燃料的清洁度要求也变得越来越高。基于此，燃料管路系统中所配置的终端过滤器的作用就显得尤为重要，它将是机组正常运行期间，燃料进入燃气轮机喷嘴的最后一道防线。在某联合循环电厂项目的系统调试阶段，由于用户的燃料系统管道清洁度相当差，达不到燃气轮机制造商要求的天然气清洁度。于此同时，燃气终端过滤器在机组冷态和热态运行过程中，由于热变形产生间隙，燃气中的杂质通过间隙进入到下游燃气轮机中，最终导致燃气轮机喷嘴堵塞，燃机停机。在此情况下，对该过滤器进行了结构优化，以保证机组在任何工况下运行时，过滤器均能够满足作为燃气系统中最后一道防线的要求。

1 燃气系统及过滤器介绍

燃气系统用于接收来自用户提供的燃料，同时对燃料进行温度、压力调节和过滤后，将合适的燃料送入燃气轮机进行燃烧。为了满足以上功能，燃气系统配置有燃气加热器、燃气过滤器、燃气流量计和管道、阀门、仪表等。简略示意如图1所示。

图1 燃气系统流程图

为了尽可能减少固体颗粒进入燃气轮机，防止阀门构件、喷嘴等受到损坏和堵塞，在燃气加热器的下游设置有2个终端过滤器 （200目），采用一用一备方式，以滤掉燃气中可能存在的杂质。

过滤器采用Y型 （见图2～3），水平安装，在过滤器法兰板下方配有疏水口。过滤器阀体和滤网之间采用金属缠绕垫片密封。过滤器前后配有隔离阀，以保证过滤器出现故障时可以在线检修，不影响机组运行。过滤器配备有压差传感器，用来测量过滤器进出口压降。当压差上升到设定值时，将会触发控制系统发出报警信号。

图2 过滤器剖面图

图3 过滤器外形

燃气系统管路中采用Y型过滤器，它有以下优点：

（1）能满足作为燃气轮机最后一道过滤的精度和过滤能力的要求。

（2）采用不锈钢材质能满足高温环境运行。具有良好的耐腐蚀性、耐热性、耐压性以及耐磨性。

（3）结构简单，尺寸紧凑。具有结构先进、压损小、排污方便的特点。

（4）清洗和维护方便，滤芯更换方便。

（5）整个过滤系统配置简单，不需要其他的辅助设备，降低了整个系统的运行成本。

2 过滤器的要求和规范

由于终端过滤器安装在燃料加热器的出口侧，因此该过滤器在设计过程中必须考虑高温、高压的运行条件。基于系统的运行要求，过滤器应达到以下要求：

（1）能够过滤掉燃气中大于75 μm的固体颗粒，以防止燃气喷嘴受到侵蚀、结垢和堵塞。

（2）有足够的通流能力。最大通流能力要求满足燃气轮机最大流量的需求，同时考虑一定的堵塞率。

（3）压损应满足系统设计的要求。燃气轮机喷嘴前的燃气压力是有要求的，如果低于某个压力，将导致机组跳机。因此，为了防止过滤器堵塞后压损增加，导致供气压力降低而跳机，对过滤器的压损进行监控并设置报警信号，当达到阻塞压损后，应更换或清洗滤芯。

（4）强度满足设计要求。保证在高温高压以及高流速冲刷下，滤芯以及筒体不会发生腐蚀以及破损的情况。

（5）滤芯与阀体，滤芯与端法兰之间的接触面密封紧密，在冷态和热态均能满足过滤精度的要求。

3 某电厂调试阶段燃气过滤器现状

从引进首台M701F燃气轮机项目以来，燃气系统管路均配置Y型终端过滤器。该过滤器不仅能作为燃气系统的最后一道防线，同时还有体积小、安装和检查维护方便、系统配置简单、运行成本低的优点。

用户的天然气一般来自燃气公司，在燃料入口，用户配置有燃料过滤系统和调压站。调压站出来的燃气通常都能满足燃气轮机的运行要求。但是由于从调压站到燃气轮机厂房一般会有较长距离的输送管道，且该部分管道一般采用碳钢材质的地埋管。在安装过程中，由于安装工作的不规范，通常会有焊渣、沙石等留在管道内；同时，碳钢管道在吹扫后充氮保护工作做的不到位、不规范，也会发生锈蚀现象。因此，经常会发生在燃气轮机点火运行期间，大量的杂质被带入到燃气轮机燃料系统中。

燃气轮机在正常运行情况下，为了提高燃烧效率并降低NOx排放，需要将燃气温度从低温（通常为5～60℃）加热到200℃。但是，在机组启动阶段进入燃气轮机的燃气温度为用户提供的低温天然气 （通常5～60℃）。由于终端过滤器设置在燃料加热器的出口侧，因此要在冷态和热态2种工况下运行。

某电厂在燃气轮机点火调试过程中，由于燃气杂质太多，燃气过滤器在冷态时产生间隙，燃气中的细小固体颗粒通过间隙泄漏到下游，导致喷嘴堵塞，致使燃气轮机调试不能顺利进行。

4 原因分析及解决方法

导致燃气中杂质进入燃气过滤器下游有以下3个方面的原因：

（1）业主提供的燃气清洁度不够

由于上游燃气公司管线为新建管线，未经过充分的吹扫和清洁，导致提供到电厂的燃气较脏。同时，业主的燃气调压站中的过滤器未能够安装和调试好，导致部分杂质进入下游管道。

（2）业主的调压站至燃气轮机厂房之间的管道清洁度不够

由于电厂厂区内管道为碳钢地埋管道，在施工时正逢雨季，安装后管道内残留了很多泥浆、沙石、焊渣等，同时也造成了管道内部锈蚀。然而由于管道较长，在燃气轮机启动前对管道的吹扫已无法清理干净。

（3）燃气过滤器在冷态时存在间隙

（a）因为加工和焊接后滤网变形，滤网端面不能与阀体严密接触。

（b）在安装时未能按照图纸要求控制滤网和阀体之间的间隙。

（c）由于燃气过滤器从冷态 （环境温度）加热到热态 （200℃）的大温差工况下工作，而且由于滤网为薄壁钢板结构，阀体为厚壁铸钢结构，在冷热态转换时，热膨胀变化不一致，导致滤网与阀体在冷态和热态时不能同时保证其严密性。这也就导致在滤网和阀体之间会存在间隙，燃气中的杂质通过这些间隙泄漏到过滤器下游，随着燃气进入到燃机堵塞喷嘴，如图4所示。

图4 泄漏间隙示意图

针对以上原因，由于管道已经安装完成，无法对管道进行再次的清洁工作。所以，现场提出了以下处理方法：（1）立即对调压站的精过滤器进行调试和检查，让精过滤器发挥其应有的功能，该部分工作由业主自主完成；（2）对燃气过滤器结构进行优化。

5 燃气过滤器结构优化

针对以上原因分析，对燃气过滤器工作工况和过滤器结构，电厂现场的条件以及工期考虑了以下几种燃气过滤器结构优化方案，经过筛选确定了最终的实施方案。

优化方案一：

在阀座上加工凹槽，将滤网一端装入卡槽，这样产生U型通道，减少杂质的通过量。但由于该设备已经在现场安装完成，如果补充加工，需要合适的机床和合理加工工艺，再加上工期紧张，无法实施。

优化方案二：

在过滤器滤芯端面增加金属缠绕垫片，在冷态时压紧滤网与阀体。冷态时燃气系统中燃气为常温，这样在冷态就能将滤网与阀体之间进行很好地密封，解决了冷态运行时杂质泄漏到下游去的问题。但是，如预想的一样，当正常运行时燃气系统中温度逐渐上升到200℃，在热应力作用下，滤网产生变形，将不能重复使用，变为一次性产品。更担心的是，如果滤网由于严重变形破损，损失将更严重。大量的杂质和破损的滤网进入下游管道和控制阀组，造成管道堵塞和设备损坏。所以，本方案也不是理想的解决办法。

优化方案三：

将滤网一端用堵板封闭，在端部增加蝶形弹簧，如图5所示。这样在冷态时通过弹簧将滤网和阀体之间压紧，同时在热态时通过弹簧变形承受热应力引起的变形。这样同时满足了冷态和热态的工况，保证了过滤器的密封性，滤网与阀体密封结构如图6所示。

图5 滤网一端法兰密封结构 （蝶形弹簧）

图6 滤网与阀体密封结构

通过以上方案比较，最终选择优化方案三。这种方案改动最小，不用修改过滤器阀体，也最容易实施，优化后过滤器解剖图如图7所示。

在采用了优化后的燃气过滤器以后，达到了非常理想的过滤效果。滤网没有出现变形和泄漏情况，使机组顺利完成了机组调试，并投入商业运行。

在后期的用户调访中，再次了解关于优化后燃气过滤器的使用情况，用户反映其使用情况良好，没有出现燃气中杂质进入下游导致燃机喷嘴堵塞情况。

图7 优化后过滤器解剖图

6 总结

综上所述，对燃气过滤器结构的优化是有效的，它达到了理想的过滤效果，保证了机组顺利调试完成和商业运行的需求，保证了用户的工期，得到了用户的肯定。该过滤器优化是在电厂调试过程中完成的，时间紧迫，现场条件受限。在短时间内完成了该滤网的优化工作也是非常难得的。

针对国内燃气轮机项目在调试阶段的燃气和管道的清洁度不佳的情况，该过滤器的优化改进对于后续燃气轮机项目的安装调试、试运行是有重要意义的；在缩短调试时间，保证工期方面起到了积极的作用，同时也防止了燃烧器喷嘴以及透平高温部件在正常运行阶段受到损坏。

[1]何语平.大型燃气-蒸汽联合循环电站工程的设计特点[J].中国电力,2001,34（2）：4-6,31

[2]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京:机械工业出版社, 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.过滤器-设计、制造和使用[M].北京:化学工业出版社,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.

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TK284

B

1674-9987（2015）03-0059-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.014

杨小军 （1979-），男，工学学士，2004年毕业于太原科技大学工程力学专业，现主要从事燃汽轮机设计工作。