(华能太原东山燃机热电有限责任公司 山西太原 030043)
摘要：天然气，作为优质洁净的能源，在世界上被公认为三大支柱能源之一，在发电行业也有着广泛的运用。随着我国西气东输工程的实施，给天然气发电带来了机遇，三菱公司生产的F级燃机是当今世界上先进并且成熟的燃机，F级燃机天然气为燃料联合循环运行时，其ISO工况下的效率近58%，而且天然气用于燃机发电有优势包括调峰能力强，启停迅速，环境保护等方面，当然燃机对天然气燃料有着严格的要求。天然气管道中的杂质历来就是天然气行业难处理的大问题，因一些气源问题，采出来的气质相对较差，其中主要的杂质有气体（H2S、CO2等）、液体（水、油）和固体杂质（沙、岩石颗粒、硫化亚铁等）；如何保证供应天然气的清洁度，不发生因天然气管线堵塞甚至燃机燃烧器烧损等事故，是我们要解决的重点问题。
关键词：天然气；清洁度；过滤；杂质；燃烧器；燃机
1.引言
华能太原东山燃机热电项目是由东方电气集团与日本三菱重工合作生产的一套总容量859MW(年平均纯凝工况)“二拖一”F级燃气-蒸汽联合循环热电联产直接空冷机组。电厂燃料为煤层气，并采用低氮燃烧技术，实现烟尘和二氧化硫零排放；电厂用水为东山煤矿的矿井疏干水，工业废水和生活污水经处理后回用，基本实现废水零排放。该项目于2014年6月开工建设，2015年10月试运投产，同年11月1日正式向太原市民供热。为1200万平方米区域集中供热，对进一步改善太原城市环境质量具有重要的意义。
1.1立项背景
天然气，作为优质洁净的能源，在世界上被公认为三大支柱能源之一，在发电行业也有着广泛的运用。随着我国西气东输工程的实施，给天然气发电带来了机遇，三菱公司生产的F级燃机是当今世界上先进并且成熟的燃机，F级燃机天然气为燃料联合循环运行时，其ISO工况下的效率近58%，而且天然气用于燃机发电有优势包括调峰能力强，启停迅速，环境保护等方面，当然燃机对天然气燃料有着严格的要求。
天然气管道中的杂质历来就是天然气行业难处理的大问题，因一些气源问题，采出来的气质相对较差，其中主要的杂质有气体（H2S、CO2等）、液体（水、油）和固体杂质（沙、岩石颗粒、硫化亚铁等）；如何保证供应天然气的清洁度，不发生因天然气管线堵塞甚至燃机燃烧器烧损等事故，是我们要解决的重点问题。
1.2项目概述
华能太原东山燃机热电项目总体配置为：两台东方三菱生产的M701F4+燃气轮发电机组、两台东方日立生产的BHDB-M701F4-Q1型余热锅炉、一台东方电气生产的260B型11.89Mpa/538℃/566℃供热蒸汽轮机发电机组。燃机燃料天然气目前主要为西气东输管线，从山西天然气大盂首站至东山燃机电厂为长度40公里新投运DN813管线和一条长度40多公里的DN600管线。
华能太原东山燃机热电作为山西省转型综改的重大项目，采用煤层气清洁能源替代燃煤机组供热，并在项目设计上首次采用天然气多级过滤技术，最大限度的保证了到燃气轮机中天然气的清洁度。
2技术应用介绍
2.1天然气过滤装置布置
东山燃机天然气系统清洁过滤装置设置如下：
大禹分输站→东山分输站（旋风分离器→粗精一体过滤式分离器）→厂内管线（旋风分离器→粗精一体过滤式分离器→前置模块T型过滤器→前置模块Y型过滤器→FGH（天然气加热装置）→燃料间值班临时滤网）共七道滤网，一套天然气加热装置。
2.2电厂过滤器状况
燃气的清洁度对燃气轮机及其附件的寿命影响较大。燃气在输送管道中混入的杂质，会造成燃气轮机的燃烧室喷嘴堵塞或磨损，同时也对燃气轮机的附件如燃气压力控制阀、燃气流量控制阀等造成磨损或卡涩，降低了燃气轮机调节性能并增加了非停风险。燃气混有凝结的液体碳氢化合物并被带入燃气轮机燃料系统，那将会造成燃气轮机的高温烟气通道部件如燃烧室、气体燃料喷嘴、涡轮转子和静子的寿命的的减少。因为液体碳氢化合物爆燃释放出大量的辐射热能，使得高温烟气通道部件暴露在过高温度条件下而损坏。
电厂配置的燃气过滤设备，确保了我厂机组在调试至今没有发生过由于燃气滤网差压大、燃气清洁度低而导致机组非停的事故。
2.3各过滤器效果和作用如下
（1）旋风分离器，全厂天然气管线配置一个旋风分离器。当含有杂质的燃气进入旋风分离器时，由于导流叶片的作用，气流将由直线向前运动转变为带有圆周运动的向前运动。含杂质的气体在旋转过程中产生离心力，将离心力大于气体作用力的颗粒甩向器壁，颗粒一旦与器壁接触，颗粒径向速度立即减小，这时颗粒的切向速度和轴向速度起主要作用，颗粒沿壁面滑行，当流经除杂口处被排除。
型号：SH450/C
型式：立式
清除效率：8μ以上的颗粒
位置：天然气调压站
（2）粗精一体过滤式分离器，全厂天然气管线配置两个粗精一体过滤式分离器。
运行方式：一运一备
型号：ST450/C
型式：立式
清除效率：5μ以上的颗粒
位置：天然气调压站
（3）T型过滤器，每台机组配置两个T型滤网，属于改造后设计增加的天然气过滤环节部分。
运行方式：一运一备
清除效率：300目的颗粒
位置：天然气前置模块入口
（4）Y型过滤器，每台机组配置两个Y型滤网，Y型滤网初始设计为200目，后改设为300目，保证过滤后燃气的清洁度。
型号：600LB-200A Y
运行方式：一运一备
清除效率：300目的颗粒
位置：天然气前置模块出口
（5）分管线临时滤网，每台机组燃气管线在进入FG单元时，经过燃气关断阀、燃气压力控制阀后分为四大燃气管线（值班管线、主A管线、主B管线、顶环管线），每一路燃气管线都设置流量控制阀。在流量控制阀后都设置临时滤网（燃气清洁度的最后一道屏障）。
清除效率：200目
位置：燃气流量控制阀后
（6）天然气加热装置（FGH），天然气中往往含有重碳氢化合物（C6+），其含量的高低对天然气的热值有很大的影响。一定压力和浓度的C6+，当温度低到一定程度时会结露，C6+的含量即使很少，也会大大提高碳氢化合物的露点温度，因此，它是碳氢化合物露点的至关因素。另外，天然气中如果有水析出的话也是很有害的，因为它会与甲烷或其他碳氢化合物结合成固体状水化合物。
天然气在流经管道和设备时会造成压力的下降，压力下降必须导致温度的下降。一般来说，天然气每下降1000KPa压力，温度将下降5.6℃（当然还与天然气成分和换热情况有关）。当天然气流过燃料压力控制阀时，尤其在低负荷的情况下，由于节流作用的增大，压力和温度下降较大，瞬时的温降往往会导致结露。
3设计思路及创新点
3.1燃机对天然气燃料品质的要求
（1）对微量金属元素含量的要求
天然气中含有多种微量金属元素，有些微量金属元素对燃机是十分有害的，主要是会对燃机的热部件造成腐蚀（也称为高温腐蚀），三菱公司对燃料中这些元素的含量有着严格的要求。燃气中的Na盐、K盐、V和Pb等有害物质在燃烧过程中会形成融点较低的氧化物，这些融点低的物质会粘在叶片的表面，并吸附燃气中的灰份形成结垢，这种结垢一方面改变了通道的形状，使气动性能下降，效率下降，另一方面对叶片起腐蚀作用。
（2）对含硫量的要求
一般来说，三菱公司对天然气中硫(S)含量的要求主要是针对联合循环而言的，因为从运行的经验来看，当硫的含量超过1%时，并不会对燃机热通道部件产生直接的、更为严重的腐蚀影响。天然气中的硫对电厂造成的危害主要有是硫经过燃烧后会形成SO2（有5%-10%会形成SO2），SOx一方面与烟气中的H2O结合形成酸，当温度低到一定程度时会结露，造成余热锅炉低温端（包括烟囱）的腐蚀。硫的含量越高，结露的温度也就越低。这是硫对设备造成的最主要的危害。另外，国家对排放的烟气中SOx的含量有明确的规定，不能超标。再有，天然气中，硫在很低的浓度下（<100ppbv）都会形成硫蒸汽，在一定的条件下，如在调压站后或气体燃料控制阀后，当天燃气通过这些设备时，由于节流的效应，其压力和温度会有明显的降低，这时硫元素会析出并沉结，对设备造成很大的影响。
（3）对热值的要求
不管是天然气还是煤层气，其热值相差很大，但都可以用于燃机。就某一指定的燃气轮机来说，由于其燃料喷嘴面积、喷嘴前后燃料的压比和燃烧状况的设计是针对某一具体压力和热值的燃料来设计的。因此，一旦完成设计，其允许燃料热值变化的范围是有限的。热值过大的变化，对燃机的出力、排放、热部件寿命和燃烧的稳定都会造成影响，有时不得不通过更换燃料控制系统的硬件来满足要求。
（4）对天燃气清洁度的要求
进入燃机的燃料必须是洁净的，然而，天然气中往往含有许多颗粒杂质，如：固体状水化合物；砂、泥土及灰尘；铁锈；硫化铁、硫化铜；焦油、焦炭；焊渣铁削等等，这些颗粒杂质对燃机造成的危害主要是堵塞喷嘴，部件被高速颗粒冲蚀以及杂质沉积。喷嘴的堵塞对燃机运行来说后果是十分严重的。由于干式低NOx燃烧系统（DLN）其喷嘴的孔比一般扩散燃烧式燃烧系统喷嘴的孔小，所以它更容易被堵塞。喷嘴被堵塞后会导致各个喷嘴之间和各个燃烧室之间燃料分配上的不均匀，从面导致排放超过标准以及排烟分散度增大，温度场的不均匀造成局部超温对热通道部件的影响是致命的。因此，喷嘴一旦发生堵塞，就必须清洗，然而，三菱燃机喷嘴的拆装清洗是非常复杂的过程。燃料规范中要求10μm以上的颗粒必须被去除。
燃料中含有的颗粒对气流通中部件的磨损也是很明显的，颗粒的性质、大小、含量和流速的不同其磨损程度也不同。就燃料控制阀而言，其设计是在节流状况下运行的，那里天然气的流速超过了当地音速，而研究表明，冲蚀的速率与颗粒的速度成指数关系，因此，在如此高的速度下，节流孔与阀座极易被磨损。根据颗粒的性质和含量的不同，也会在喷嘴和叶片造成沉积，即使颗粒的大小小于10μm。
所以，天然气的洁净度在燃机电厂的影响十分巨大，天然气过滤技术在燃气电厂中的应用也是我们要解决的重要问题。
3.2设计风险考虑：
（1）同类型燃机电厂均发生了因天然气各类滤网堵塞造成机组停机的事件，严重的造成燃烧器烧损。严重影响机组安全运行。
（2）调压站粗精一体过滤器虽然有8套滤芯（4套国产、4套进口）滤芯。但国产滤芯过滤精度不能达到设计要求，运行中杂质容易造成后续滤网堵塞，造成机组停运。
（3）Y型过滤器、T型过滤器设计过滤精度300目，但过滤效果不明显。其他电厂均反映Y型过滤器过滤效果差，杂质在临时滤网处造成堵塞。所以增加Y型过滤器、T型过滤器的过滤精度，保证不发生临时滤网堵塞，避免机组停机才能清理滤网。
（4）Y型过滤器、T型过滤器隔离阀之间设计充氮及放散装置，实现滤芯的在线更换。一旦滤网堵塞，机组不必停运，前置模块进行氮气置换方可处理。
（5）我厂旋风过滤器排污管道管径DN25，如果杂质多容易将排污管堵塞。旋风分离器只有1台，一旦排污管堵塞需停机清理。
（6）调压站设备不能像管道进行吹扫，因此必须在制造过程中，设备内表面防腐处理工艺上严格控制。
3.3设计说明
天然气过滤技术不是简单的多加几级滤网，滤网设计不易过多，多了影响设备的可靠性。滤网选择和布置要有针对性，不能盲目，要科学合理。设计时要考虑到天然气的过滤效果，天然气压力的不能损失太大，过滤的杂质要有针对性，布置合理。
山西某同类型燃气电厂调试以来，一直受到天然气滤网堵的困扰，华能太原东山燃机针对该厂发生的问题，进行了系统优化及改进，过滤器的布置重新分配，考虑燃气的过滤效果，燃气压力的损失，合理设计分配。在调压站增加两台旋风分离器，在前置模块流量计前增加两台粗精一体过滤器，从设计上解决天然气过滤系统堵塞的问题，其中T型滤网更是首次大胆是在燃气电厂天然气系统中的应用。这种燃气过滤系统的布置、设计，也是首次在天然气电厂中的首次应用，按功能，过滤原理不同，合理布局，极大的保证了天然气的清洁度，将天然气的压损降至最低。
现在，华能太原东山燃机电厂的天然气过滤系统，对3μm以上固体颗粒的过滤达100%，0.5到3μm的颗粒也达99.8%
4技术对比
4.1分输站内滤网设置
燃机电厂通常临近天然气分输站站，因此天然气分输站就成为保证天然气品质合格的第一道防线，与其他燃机电厂相比东山分输站内滤网设置更加丰富、合理，充分考虑到滤网泄漏、堵塞等情况，共设置3台旋风分离器、3台粗精一体过滤器，两种过滤器两两一组并列运行，对直径5微米以上的杂质以及烃化物清除度达到100%，保证清洁的天然气进厂。
4.2增设T型滤网
国内燃机电厂调试过程或运行过程中大多发生过因燃烧器喷嘴前临时滤网堵塞，造成机组跳机甚至设备损坏。
针对这种情况，在性能加热器前增设两台T型滤网，T型滤网纳污量更大、耐压能力更强，而且拆装、清洗滤芯更加方便，可以有效保护Y型滤网，大大减少维护检修工作量。
4.3改进Y型滤网
临时滤网堵塞主要因为Y型滤网过滤效果不好，主要原因有两点，一是Y型滤网精度不够，二是由于工艺以及热胀冷缩的原因导致滤网顶部存在缝隙，使杂质穿过Y型滤网使临时滤网堵塞。针对以上两种情况，改进Y型滤网，提高精度至300目，在滤网顶部增加带有一定弹性的复合垫圈，并将滤网底部封闭，从而最大程度减少缝隙的存在。
4.4系统操作更灵活
粗滤、精滤、T型滤网以及Y型滤网，均带有前后截门和充氮、放散点，在发生滤网堵塞的情况下不用停机，可实现在线更换清理滤网。
4.5兄弟电厂天然气系统调试以来主要发生的问题：
（1）临时滤网堵塞严重，临时滤网损坏严重。调试以来先后使用了6套进口临时滤网（含厂家随机供应的2套）、6套国产临时滤网。近期又采购了进口、国产临时滤网各一套。
以下图片是报废的临时滤网：
顶端变形、脱落
（2）调试以来调压站内粗精一体过滤器堵塞严重。调试期间，粗精一体过滤器只能运行3-4小时，压差报警，更换滤芯。调试期间，共使用12套滤芯，进口10套，国产2套。国产滤芯过滤精度达不到设计要求。为防止现粗精一体过滤器过滤精度不足，堵塞临时滤网，现滤芯过滤精度改为3μm。另外由于频繁隔离粗精一体过滤器滤芯，粗精一体过滤器进出口阀磨损严重，现已存在内漏。
（3）调试期间旋风分离器运行10天后清出杂质50公斤（主要成分是泥沙），旋风分离器曰φ50的排污管堵塞，现将旋风分离器排污管改粗并直排，不易堵塞排污罐。
旋风分离器排污管改造情旋风分离器排除的杂物（墙面上黄色物体）
（4）Y型过滤器过滤效果差，基本上无法拦截细微杂物。
5社会效益和经济效益
5.1社会效益
天然气过滤多级过滤技术的应用，使机组运行更可靠，使集中供热更稳定，为使华能太原东山燃机热电厂成为城市供热示范电厂奠定了坚实的基础。燃机电厂具有启停迅速，电网应急调峰能力突出的特点，为山西电网的可靠性提供保障。
5.2经济效益
天然气过滤装置的稳定运行，一方面保证机组顺利通过调试并顺利投产盈利，另一方面节省了因过滤装置堵塞而需维护检修所产生的人工、材料、机组停运等费用。天然气过滤装置是影响机组调试进度、投产后机组长周期运行很关键的因素。同类型燃机电厂均发生了因天然气各类滤网堵塞造成机组停机的事件，严重的造成燃烧器烧损,严重影响机组168完成时间。华能太原东山燃机热电厂没有因为天然气滤网堵塞而造成机组非停的电厂。
6技术推广与应用前景
天然气多级过滤装置是影响机组调试进度、投产后机组长周期运行关键的因素之一。同类型燃机电厂均发生了因天然气各类滤网堵塞造成机组停机的事件，甚至造成燃烧器烧损，严重影响机组的稳定运行。而华能太原东山项目依靠天然气系统的多级过滤技术，滤网装置、天然气加热装置的合理配置与用心维护，实现了从调试到投入商业运行，未发生一起因天然气含杂质、天然气品质差造成停机的事故。不仅大大节省了机组调试需要的时间，又避免了多次更换容易造成隔离阀门的内漏，在清理过滤器、更换滤芯时发生天然气泄漏、火灾等风险。
华能太原东山燃机为今后同类型燃气机组研究如何提高天然气过滤装置可靠性方面提供了一种正确的思路，树立了示范作用。
7附图
参考文献：
[1] 华能太原东山燃机热电有限公司集控热机运行规程.2015年08月第一版
论文作者:梁佼鹏,史成宇,孔庆龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/21
标签：天然气论文; 滤网论文; 机组论文; 过滤器论文; 燃气论文; 东山论文; 杂质论文; 《电力设备》2018年第25期论文;