官网注册后
http://www.gasheat.cn
免费下载论文
http://www.gasheat.cn/Periodical/index.html
作
者：
李军，杨文量，张文，郭宏伟，陈浩
第一作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司 城市燃气热力研究院
摘自《煤气与热力》2021年10月
刊
李军，杨文量，张文，等
.
燃气过滤器滤网流阻特性及压差评价
［J］.
煤气与热力，2021，41（10）：B01-B05，B21.
1
概述
燃气过滤器（以下简称过滤器）的核心部件为滤芯，滤芯使用的滤材主要分为两种：不锈钢丝网（以下简称滤网）和聚酯纤维材料。国内外专家学者多将研究重点放在纤维材料滤芯的寿命和过滤效率上
［
1-4
］
，对于滤网的研究多集中在液体介质
［
5-6
］
，对滤网流阻特性研究尚有欠缺。
过滤器用滤网的一个重要指标是过滤精度，过滤精度指滤网的网孔尺寸，即能通过滤网的杂质的最大粒径。国家标准
GB 27791
—
2020
《城镇燃气调压箱》第
5.1.5
条规定，过滤器装置的过滤精度不宜大于
50
μ
m
；
GB/T 38530
—
2020
《城镇液化天然气（
LNG
）气化供气装置》第
5.5.13
条规定，过滤器的过滤精度不宜大于
20
μ
m
。因此，过滤精度为
10
～
100
μ
m
的滤网是城市燃气管网中过滤器最常用的滤网。
在实际过滤器运行时，燃气通过滤芯中的滤网会产生压力损失，造成过滤器前后存在压差，压差过大时，会造成滤网撕裂或滤芯变形，使得过滤失效。本文通过试验的方法确定滤网的流阻特性，并基于其流阻特性，给出过滤器压差评价方法。
城市燃气管网常用过滤器为
T
形过滤器，见图
1
。带有杂质的燃气由入口流入过滤器腔体，杂质在滤芯处被滤芯上的滤网拦截，滞留于滤芯表面或掉入过滤器腔体底部，过滤后的气体进入下游。滞留在腔体底部的杂质可通过定期排污从排污口排出。流体经过过滤器会产生压差，滤芯前后压差过大时会造成滤芯损坏，因此，过滤器在使用过程中需配置差压表，进行过滤器的压差监测。
滤网流阻特性试验装置见图
2
。其中，滤网夹持组件中滤网截面积与前后连接管道截面积相同，均为直径为
50mm
的圆形，高效过滤器对试验粉尘的过滤效率大于
99
.
9%
。
本文试验中所用的滤网（编号为
1
～
4
）均为不锈钢丝网，过滤精度分别为
10
、
20
、
50
、
100
μ
m
，其主要参数见表
1
。表
1
中，网孔量指滤网行业通常用的目数。
试验介质为空气，涉及的流速均为工况流速。基准状态为
15
℃，
101.325 kPa
。
通过实际测量，燃气过滤器滤芯中滤网面积与过滤器入口截面积之比约为
35~50
，见表
2
。因此，当燃气过滤器入口流速为
10~30 m/s
时，对应流过滤网的流速（以下简称滤网流速）为
0.20~0.86 m/s
，考虑滤网表面速度分布不均匀的情况，在进行滤网试验时，滤网流速取
0.2~1.3 m/s
。
试验用
4
种滤网均为洁净不锈钢丝网，过滤精度分别为
10
、
20
、
50
、
100
μ
m
，入口压力为
2 kPa
。试验步骤如下：
②试验时，通过控制用调压器将滤网的入口侧压力控制为
2 kPa
。
③通过改变流量调节阀的开度来调节所需试验滤网流速，在
0.20
～
1.30 m/s
范围内至少有
10
个不同滤网流速的试验点。
④记录各个试验点的滤网流速、滤网前压力和滤网前后压差。
由于滤网
4
在进行滤网流速
0.2 m/s
的试验时，滤网前后压差小于
5 Pa
，因此，其试验滤网流速从
0.5 m/s
开始。
不同过滤精度滤网的流阻特性试验结果，即试验滤网前后压差Δ
p
f
与滤网流速
v
f
之间的关系见图
3
。
图
3
入口压力为
2 kPa
下洁净滤网的流阻特性试验结果
从试验结果来看，在相同流速下，随着过滤精度的减小，滤网前后压差增大，尤其是常用的
10
μ
m
滤网，其滤网前后压差是
50
μ
m
和
100
μ
m
滤网的
10
倍以上。滤网前后压差为惯性项与黏性项之和，基于惯性项和黏性项拟合系数可以计算燃气介质下的滤网前后压差。随着过滤精度的增大，惯性项在滤网前后压差中所占比例增大，黏性项反之变化，这是由于随着过滤精度变大，其自身孔径变大，流体受到边界层的黏性影响变小，表现为惯性项阻力增大。
其中工况下流体的压缩因子
Z
与压力和温度等因素有关，文献［
7
］给出了用于计算工况下压缩因子
Z
的普通化方程（
Redlich-Kwong
方程）和专用化方程（天然气
AGANX-19
方程）
［
7
］
21-25
。其中空气的压缩因子
Z
可以使用普通化方程计算，燃气的压缩因子
Z
可以使用专用化方程计算。在文献［
7
］给出的空气压缩因子图中，当空气的温度为
288
.
15 K
，工况压力小于
1.0 MPa
时，压缩因子
Z
处于
0.997
～
1
范围
［
7
］
258-259
，本文涉及的空气最高压力为
0.6 MPa
，为方便计算，
Z
取
1
。
选择洁净滤网
2
进行不同试验压力下的滤网流阻特性试验验证，通过控制用调压器将滤网的入口侧压力分别控制为
0.2
、
0.4
、
0.6 MPa
，通过改变流量调节阀的开度来调节至所需试验流速。
使用公式（
6
）和（
7
），根据表
3
中滤网
2
的惯性项和黏性项拟合系数，计算滤网入口侧压力为
0.2
、
0.4
、
0.6 MPa
时的滤网前后压差Δ
p
f
与
v
f
的关系曲线，将计算曲线与试验结果数据点绘制于图
4
中，图例中的
0.2 MPa
、
0.4 MPa
、
0.6 MPa
指滤网入口侧压力。
从图
4
可以看出，使用公式（
6
）和（
7
）计算得到滤网流阻特性结果与实测结果吻合，相对误差在±
5%
以内。
过滤器在实际运行中，滤网表面会随着运行时间的增加而附着杂质。为了确定实际运行滤网的流阻特性，在试验空气中通入
ISO 12103-A4
粗粒使洁净滤网
2
含尘，从而对含尘滤网
2
进行流阻特性试验。试验步骤具体如下。
②通过控制用调压器将洁净滤网
2
的入口侧压力控制为
2 kPa
，通过改变流量调节阀的开度来调节至所需滤网流速，在
0.20
～
1.30 m/s
范围内有
9
个不同滤网流速的试验点，记录各个试验点的滤网流速和滤网前后压差，并将数据绘制于图
5
中作为洁净滤网
2
的试验结果。
③通过控制用调压器将滤网的入口侧压力控制为
2 kPa
，将滤网流速控制为
1.30m/s
。启动粉尘发生器，使标准粉尘以
0.1 g/min
的质量流量进入试验管道，粉尘发生器运行
10 min
后，关闭粉尘发生器，将此时含尘状态的滤网定义为含尘滤网
2-10
。维持入口侧压力为
2 kPa
，通过改变流量调节阀的开度来调节至所需滤网流速，在
0.20
～
1.30 m/s
范围内有
9
个不同滤网流速的试验点，记录各个试验点的滤网流速和滤网前后压差，并将数据绘制于图
5
中作为含尘滤网
2-10
的试验结果。
④通过控制用调压器将滤网的入口侧压力控制为
6 kPa
，将滤网流速控制为
1.30 m/s
。再启动粉尘发生器，继续使标准粉尘以
0.1 g/min
的质量流量进入试验管道，粉尘发生器运行
10 min
后，关闭粉尘发生器，将此时含尘状态的滤网定义为含尘滤网
2-20
。维持入口侧压力为
6 kPa
，通过改变流量调节阀的开度来调节至所需滤网流速，在
0.20
～
1.30 m/s
范围内有
9
个不同滤网流速的试验点，记录各个试验点的滤网流速和滤网前后压差，并将数据绘制于图
5
中作为含尘滤网
2-20
的试验结果。
图
5
入口压力为
2~6 kPa
下滤网
2
的流阻特性
试验温度为
15
℃，工况下的空气动力黏度μ取
17.9
×
10
-6
Pa
·
s
；滤网入口侧压力为
2 kPa
时，空气密度ρ取
1.25kg/m
3
；滤网入口侧压力为
6 kPa
时，空气密度ρ取
1.30 kg/m
3
。使用公式（
6
）计算滤网的惯性项和黏性项拟合系数，计算结果见表
4
。
从图
5
和表
4
可以看出，含尘滤网
2-10
和含尘滤网
2-20
的流阻特性仍然符合公式（
6
）的多孔介质模型的形式。随着滤网含尘量的增大，其系数α和β显著增大。
通过上述对滤网的试验研究，为过滤器在不同流量、不同压力及不同含尘量的压差计算提供了理论支撑。
燃气过滤器压差可分为腔体结构压差和滤网前后压差，过滤器腔体结构压差Δ
p
s
可以用局部阻力系数的方程进行描述
［
8
］
，见式（
8
）和（
9
）。
随着数据远传技术的发展及过滤器日常巡检制度的日益完善，从过滤器所在厂站可以获取
p
r
、
q
、Δ
p
，根据获取的数据及公式（
10
）～（
13
），可以实现对在役燃气过滤器压差评价，评价流程见图
6
。
图
6
中，过滤器的滤芯更换压差限值Δ
p
max
指过滤器滤芯能够正常工作的最大过滤器压差。当过滤器压差超过Δ
p
max
时，会出现滤网撕裂或滤芯变形，使得过滤失效。
通过试验的方法确定了不同过滤精度（
10
、
20
、
50
、
100
μ
m
）洁净滤网的流阻特性，并对不同试验压力下洁净滤网和含尘滤网进行了流阻特性验证；基于滤网的流阻特性提出在役燃气过滤器压差评价方法，给出过滤器压差评价流程，进而有效评估过滤器压差的状态，避免出现过滤器滤芯失效。研究结果表明：
①滤网的过滤精度越小，滤网前后压差越大，尤其是常用的
10
μ
m
滤网，其滤网前后压差是
50
μ
m
和
100
μ
m
滤网的
10
倍以上。
②对洁净滤网，滤网前后压差随滤网流速的变化规律符合多孔介质模型的形式，为惯性项与黏性项之和，随着过滤精度的增大，惯性项在压差中所占比例增大，黏性项所占比例减小。
③对含尘滤网，滤网的流阻特性符合多孔介质模型的形式，随着含尘程度的增大，滤网前后压差变大。
［
1
］朱辉，付海明，亢燕铭
.
单纤维过滤阻力与惯性捕集效率数值分析［
J
］
.
中国环境科学，
2017
（
4
）：
1298-1306.
［
2
］袁惠新，董擎天，付双成，等
.
滤芯褶数对气体过滤器流体动力学性能影响的研究［
J
］
.
流体机械，
2018
（
1
）：
10-14.
［
3
］迟化昌，姬忠礼，韦荣方
.
天然气用纤维过滤器非稳态性能实验研究［
J
］
.
中国石油大学学报（自然科学版），
2007
（
6
）：
87-91
，
97.
［
4
］陈拼，
刘泽华，
刘剑桥，等
.
无纺布纤维汽车过滤器过滤效率及阻力特性研究［
J
］
.
流体机械，
2019
（
9
）
：
27-32.
［
5
］马俊，
孙中宁
.
多孔介质单相流阻力特性［
J
］
.
应用科技，
2012
（
2
）：
72-76.
［
6
］侯宗宗，
董炎锋，
邓杰
.
基于
FLUENT
的金属丝网流阻仿真分析［
J
］
.
过滤与分离，
2016
（
4
）：
15-19.
［
7
］孙淮清，
王建中
.
流量测量节流装置设计手册［
M
］
. 2
版
.
北京：化学工业出版社，
2006.
［
8
］巴鹏，
刘彭，
欧周华，等
.
褶型滤芯过滤阻力与结构参数关系的研究［
J
］
.
液压与气动，
2012
（
10
）：
117-120.
维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
日前，《煤气与热力》杂志社有限公司在维普网站
http://cqvip.com/
开通论文免费下载服务，论文刊出后两个月后，可在维普网站查询，并直接免费下载。在维普网站
免费下载《煤气与热力》论文
步骤如下：
1. 在维普网站注册会员。
2. 搜索出《煤气与热力》论文，点击进入。
3. 论文免费下载界面截图见上图。点击“免费下载”，可直接下载该论文。
声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。
PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！
更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。
