CN103768876B - 燃气多层过滤器及其设计工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层燃气过滤器，其系由六层网组成的复合网，其中从外至内依次包括第一层不锈钢冲孔网、第一层筛网、第二层筛网、第三层筛网、第四层筛网、第二层不锈钢冲孔网。本发明还提出了一种多层燃气过滤器的设计工艺，通过设计工艺优化对滤网孔目的精心选择和不同孔目的滤网的适配，确保了拦截管道内介质中的杂质的粒径和压降的要求。采用本发明结构的燃气多层过滤器，其结构合理，流量、压降满足设计要求。在厂家试用，燃烧室的喷嘴的使用寿命大大提高，单位时间可发电数量增加，大大提高了生产效益，深受厂家好评。

Description

燃气多层过滤器及其设计工艺

技术领域

本发明涉及一种过滤器，尤其涉及一种用于重型燃气轮机中输送燃气管道内的燃气过滤器。

本发明还涉及一种燃气多层过滤器的设计工艺。

背景技术

燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的内燃式发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，具有效率高、功率大、体积小、建设周期短、运行成本低和寿命周期较长等优点。其效率可高达58％，远远高于常规的火力发电设备，而且联合循环电站污染极低，具有良好的环保效益，是国家鼓励和支持发展的高新技术产业，符合国家的可持续发展战略和新型工业化道路。

燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机，轻型燃气轮机为航空发动机的转型。重型燃气轮机为工业型燃机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。目前重型燃气轮机燃气轮机已逐步成为21世纪世界主要发电设备和重要军工动力设备，是全世界公认的具有发电效率高、调峰能力强、回收投资快、建设周期短、占地面积小、污染程度低的新一代发电设备。

重型燃气轮机装置的燃气供应系统输送的燃气介质，必须经过燃气过滤器过滤，以保护设备的正常工作。常用的燃气介质为天然气，该气体中常含有大尺寸固体颗粒、小固体颗粒、微小液滴。大尺寸固体颗粒进入燃烧室，将直接引起燃烧器喷咀堵塞，情况严重者甚至引起燃气轮机叶片损伤；小固体颗粒也会对燃气轮机的系统设备造成磨损，刮伤管道上的阀门密封面，造成泄漏；天然气中参杂的微小液滴会引起燃烧不稳定，损坏设备等。为了去除这些杂质，燃气管道系统中的上游过滤装置一般设置有旋风分离器，它可以过滤掉燃气中99.99%的大于10μm的固体颗粒和液滴。但将天然气中大于等于5μm的固体颗粒全部过滤掉，必须在燃气管道系统的终端设置过滤器。

为了更好的保护燃烧器，过滤器必须满足燃气供应系统对过滤器精度、过滤能力以及具有一定机械强度的要求。

过滤器的过滤精度是指燃气通过过滤器时，能够滤除的最小杂质颗粒度的大小，其直径的公称尺寸以μm为单位表示。颗粒度越小，过滤器的精度要求越高。过滤器的过滤能力是指在一定的压差下，允许通过过滤器的最大流量。通常最大流量是由燃气轮机主机特性设计给定，再根据滤网的层数和目数计算出复合网的开通率，从而计算出滤网的有效面积系数和阻力系数。压差，是指介质通过过滤器后的压力损失。在保证滿足流量要求的前提下，压损越小越好，通常情况下根据工艺要求，由设计给定。设计还同时给定了滤芯被阻塞后必须清洗的压降值。

但过滤器的过滤精度和过滤能力是一对矛盾体，保证过滤精度，难免降低过滤能力，一旦压降太大，无法保证燃烧室里面的单位燃气供应量，发电量不足。但保证过滤能力，过滤精度又可能无法达到要求，造成燃气里面的杂质多。

此外，目前的过滤器的筛网的设计常采用经验进行设计。设计完毕后再通过试验进行测试。该方法存在较大的不确定性。容易造成设计性能难以满足设计要求，同时造成设计返工量大，从而增加了设计成本。

发明内容

本发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种燃气多层过滤器。以及上述燃气多层过滤器的设计工艺。

本发明技术方案如下：所述燃气过滤器由六层网组成的复合网，其中从外至内依次包括第一层不锈钢冲孔网、第一层筛网、第二层筛网、第三层筛网、第四层筛网、第二层不锈钢冲孔网；

所述燃气多层过滤器结构优选为底部开口的圆锥筒形结构。

根据过滤器的型号规格，其中第一层不锈钢冲孔网、第二层不锈钢冲孔网的开通率均为0.52（根据孔径和间距的不同，或均为0.53、或均为0.62等）；第一层筛网、第二层筛网、第三层筛网、第四层筛网的目数依次为：20目，80目，200目，100目，其开通率依次对应为：0.64、0.462、0.41、0.36；

上述技术方案的设计工艺包括如下步骤：

（a）计算多层网组成的复合网的开通率：由各层网的开通率相乘即得。

上述由不锈钢冲孔网和筛网组成的复合网，不同规格型号对应的开通率分别为

0.52*0.64*0.462*0.41*0.36*0.52=0.011801

0.53*0.64*0.462*0.41*0.36*0.53=0.012259141

0.62*0.64*0.462*0.41*0.36*0.62=0.011800896

（b）由复合网开通率确定有效面积系数

（c）对上述复合网按照以下公式计算压降：

压降ΔP=ξ*ρ*W*W/2

其中ξ为阻力系数，可以通过查找阻力系数图表获得；

    ρ为工作状态时的相对密度，单位为kg/m³；

    ρ的计算公式如下表：

ρ=标准密度ρ₀*（273+To）*压力P/［(压力Po)*（273+T）］

ρ₀为天然气在To温度为0℃，压力Po为1bar的标准密度，

To为天然气给定的标准温度，单位为℃。

Po为天然气给定的标准压力，单位为bar。

T为天然气工作时的温度，单位为℃。

P为天然气工作时的设定压力，单位为bar

W为流速，单位为kg/m³，W的计算公式如下：

W=Q/3600/ρ/A

Q为设计流量，单位为kg/m³

ρ为相对密度;

A为输送天然气管道的横截面积;

阻力系数可以按照以下公式计算阻力系数图表中的ξ

$\mathrm{\ξ}=1.3(1-\stackrel{\‾}{f})+{(\frac{1}{\stackrel{\‾}{f}}-1)}^2$

为有效面积系数，由复合网开通率来确定。

上述燃气多层过滤器中，使用材料较佳为不锈钢滤网。它具有以下优点：

（1）良好的过滤性能，对2μm—200μm的过滤精度可发挥均一的过滤性能。

（2）耐蚀性、耐热性、耐压性和耐磨性好。

（3）不锈钢滤网气孔均匀，过滤精度很高。

（4）不锈钢滤网单位面积的流量大。

（5）不锈钢滤网适用于高温环境。

（6）便于清洗维护，便于更换。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明实施例的产品使用状态示意图。

图2是本发明产品结构示意图。

图3是图2的B部放大示意图。

图4是型号DN50的燃气多层过滤器送检流量-压差曲线图。

图5是型号DN150的燃气多层过滤器送检流量-压差曲线图。

图6是型号DN200的燃气多层过滤器送检流量-压差曲线图。

图7是阻力系数图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1至图3所示的不锈钢燃气多层过滤器2，为底部开口的圆锥筒形结构，其底部焊接固连于天然气管道1内，上述燃气多层过滤器的筒身和筒顶为由六层网组成的复合网，从筒外至筒内依次包括第一层不锈钢冲孔网3、第一层筛网4、第二层筛网5、第三层筛网6、第四层筛网7、第二层不锈钢冲孔网3。

根据本发明技术方案设计的产品，列举三种规格型号的产品，其参数如下表：

上述尺寸单位均为毫米。

其中DN50规格型号的第一层、第二层不锈钢冲孔网的开通率均为0.52（DN150规格型号的第一层、第二层不锈钢冲孔网开通率为0.53，DN200规格型号的第一层、第二层不锈钢冲孔网开通率为0.62）；每种规格型号的产品的第一层筛网、第二层筛网、第三层筛网、第四层筛网的目数依次为：20目，80目，200目，100目，其开通率依次为：0.64、0.462、0.41、0.36；上述各种规格筛网可拦截的粒径尺寸可在GB/T5330《工业用金属丝编织方孔筛》中查取。冲孔网的网孔尺寸系列可在GB/T10611中查取。

上述由不锈钢冲孔网和筛网组成的六层复合网，DN50、DN150、DN200其开通率对应分别为：

0.52*0.64*0.462*0.41*0.36*0.52=0.011801

0.53*0.64*0.462*0.41*0.36*0.53=0.012259141

0.62*0.64*0.462*0.41*0.36*0.62=0.011800896

根据上述三种规格型号的产品DN50、DN150、DN200的复合网开通率确定有效面积系数对应为0.0886、0.0815、0.1022。

通过有效面积系数，查找如图7所示的阻力系数表，可知型号为DN50、DN150、DN200的产品的阻力系数为37、40、30。

可以按照以下公式计算阻力系数图表中的阻力系数ξ

$\mathrm{\ξ}=1.3(1-\stackrel{\‾}{f})+{(\frac{1}{\stackrel{\‾}{f}}-1)}^2$

为有效面积系数，由复合网开通率来确定。

对上述三种规格的复合网按照以下公式计算压降：

压降ΔP=ξ*ρ*W*W/2

其中ξ为阻力系数，可以通过查找阻力系数图表获得；

    ρ为工作状态时的相对密度，单位为kg/m³；

    ρ的计算公式如下表：

ρ=标准密度ρ₀*（273+To）*压力P/［(压力Po)*（273+T）］

ρ₀为天然气在To温度为0℃，压力Po为1bar的标准密度，

To为天然气给定的标准温度，单位为℃。

Po为天然气给定的标准压力，单位为bar。

T为天然气工作时的温度，单位为℃。

P为天然气工作时的设定压力，单位为bar

W为流速，单位为kg/m³，W的计算公式如下：

W=Q/3600/ρ/A

Q为设计流量，单位为kg/m³

ρ为相对密度;

A为输送天然气管道的横截面积;

以本发明实施例规格型号为DN50为例，按照本发明提出的压降计算公式进行计算，表中所列明的一些数据还包括已知的天然气工作时的温度和设定压力输送天然气管道的横截面积等（以下同，不再赘述）。并列表如下：

以本发明实施例规格型号为DN150为例，按照本发明提出的压降计算公式进行计算。

以本发明实施例规格型号为DN200为例，按照本发明提出的压降计算公式进行计算。

将上述三种规格型号的产品送检“合肥通用机电产品检测院有限公司国家泵阀产品质量监督检验中心”进行流量压差检验，数据如下：

工况说明:试验环境温度:6℃

工况说明:试验环境温度:6℃

工况说明:试验环境温度:6℃

上述三种型号规格产品的流量-压差曲线图分别见图4、图5、图6。

从以上检测报告和计算表计算数据可以看出，通过对滤网孔目的选择和不同孔目的滤网的精心设计和适配，可以确保过滤器满足需拦截杂质的粒径和压降的要求。采用本发明结构的燃气多层过滤器，其结构合理，流量、压降满足设计要求。在厂家试用，燃烧室的喷嘴的使用寿命大大提高，单位时间可发电数量增加，大大提高了生产效益，深受厂家好评。本发明提出的过滤器设计工艺，其计算的理论值与检测值接近。通过该计算公式的计算，可以确保过滤器的压降等参数满足使用性能要求，在产品设计阶段返工量减少，设计成本大大降低。

尽管已经根据优选实施例对本发明进行了示例和描述，但应认识到，本发明并不局限于前述的具体实施方式。在不背离权利要求书中所阐述的本发明的情况下，可对此作出变更和改变，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种燃气多层过滤器，其特征在于：系由六层网组成的复合网，其中从外至内依次包括第一层不锈钢冲孔网、第一层筛网、第二层筛网、第三层筛网、第四层筛网、第二层不锈钢冲孔网；

其中第一层不锈钢冲孔网和第二层不锈钢冲孔网的开通率为0.52；第一层筛网、第二层筛网、第三层筛网、第四层筛网的目数依次为：20目，80目，200目，100目，其开通率依次为：0.64、0.462、0.41、0.36。

2.一种如权利要求1所述的燃气多层过滤器，其特征在于：其中第一层不锈钢冲孔网和第二层不锈钢冲孔网的开通率替换为0.53。

3.一种如权利要求1所述的燃气多层过滤器，其特征在于：其中第一层不锈钢冲孔网和第二层不锈钢冲孔网的开通率替换为0.62。

4.一种如权利要求1-3任一权利要求所述的燃气多层过滤器，其特征在于：复合网采用材料为不锈钢网。

5.一种如权利要求1-3任一权利要求所述的燃气多层过滤器，其特征在于：所述燃气多层过滤器为底部开口的圆锥筒形结构。

6.一种燃气多层过滤器的设计工艺：其特征在于，包括如下步骤：

(a)计算多层网组成的复合网的开通率：由各层网的开通率相乘即得；

(b)由复合网开通率确定有效面积系数

(c)对上述复合网按照以下公式计算压降：

压降ΔP＝ξ*ρ*W*W/2，

其中ξ为阻力系数，可以通过查找阻力系数图表获得；

ρ为工作状态时的相对密度，单位为kg/m³；

ρ的计算公式如下表：

ρ＝标准密度ρ₀*(273+To)*压力P/[(压力Po)*(273+T)]，

ρ₀为天然气在To温度为0℃，压力Po为1bar的标准密度，

To为天然气给定的标准温度，单位为℃；

Po为天然气给定的标准压力，单位为bar；

T为天然气工作时的温度，单位为℃；

P为天然气工作时的设定压力，单位为bar；

W为流速，单位为kg/m³，W的计算公式如下：

W＝Q/3600，ρ/A；

Q为设计流量，单位为kg/m³；

ρ为相对密度；

A为输送天然气管道的横截面积。

7.如权利要求6所述的燃气多层过滤器的设计工艺，其中步骤(c)中，按照以下公式计算阻力系数图表中的阻力ξ：

，

为有效面积系数。