PG9351FA型燃机气体燃料控制系统与滑压运行

第33卷　第11期2005年11
月Vol.33　No.11 Nov.　2005
经验交流　PG9351FA型燃机气体燃料
控制系统与滑压运行
祝　俊
(上海电力股份有限公司,上海　200010)
摘　要:介绍了GE公司PG9351F A型燃机的气体燃料控制系统的构成和工作原理,并介绍了供气压力不足时的解决方案。

着重对F级燃机首次采用的滑压运行的优点、原理、实施及其与汽机滑压运行的区别进行了分析。

关键词:燃机;气体燃料;控制系统;滑压运行
中图分类号:T M611.31 文献标识码:B 文章编号:100129529(2005)1120095203
Ga s fuel con trol syste m and sli d i n g pressure opera ti on of PG9351FA ga s turb i n e
ZHU Jun
(Shanghai Electric Power Co.,L td.,Shanghai200010,China)
Abstract:The constituti on and working p rinci p les of the gas fuel contr ol syste m of PG9351F A gas turbine manufactured by GE Co mpany are intr oduced,and the s oluti on f or a lack of gas supp ly p ressure is ex p lained.The advantages,p rinci2 p les,and i m p le mentati on of the sliding p ressure operati on adop ted f or the first ti m e by F class gas turbines are ana2 lyzed,as well as the difference bet w een the sliding p ressure operati on of gas turbines and that of stea m turbines.
Key words:gas turbine;gas fuel;contr ol syste m;sliding p ressure operati on
随着国家天然气“西气东输”工程建设的开展,把西部地区丰富的天然气资源通过管道输送到经济发达但能源缺乏的东部地区,将有利于改变能源结构,减轻环保压力,改善投资环境。

燃气轮机及其联合循环是利用天然气发电的最佳途径,为了配合“西气东输”工程的建设,在东部地区建设了一批配套的燃机电站,部分机组已于2005年下半年投产。

上海漕泾热电有限责任公司所建的2台F级燃气—蒸汽联合循环机组就是其中之一,采用的是美国GE公司生产的PG9351F A型燃气轮机,以天然气为主燃料,由上海城市天然气管网接入,同时使用轻油作为备用燃料。

由于城市管网供气压力不足,燃机的正常调试运行受到了一定的影响,对此美国GE公司采用了独特的燃机滑压运行模式,这在F级燃机上还是首次应用。

1　气体燃烧控制系统的构成
PG9351F A是美国GE公司于1996年开始生产的F级燃气轮机,燃气温度达到1327℃,I S O 工况下简单循环的出力为256MW,效率36.9%,压气机压比达到15.4,安装18台DLN22.0+燃烧器。

气体燃料控制系统布置在气体燃料处理和加热模块后,经过滤和加热到一定温度的天然气在气体燃料控制系统内进行精确调节并分配到燃烧器。

气体燃料系统由辅助截止阀、速比阀、扩散燃烧(DGCV)调节阀、预混燃烧(P M4和P M1)调节阀组成,如图1所示。

(1)速比阀
速比阀有两个作用,首先是作为一个快速截止阀工作,使之成为保护系统的一部分。

当发生事故燃机跳闸或停机时,在液压弹簧驱动装置的作用下,速比阀快速关闭,迅速严密地切断流向燃烧器的燃料,确保机组安全停机。

另一个作用是作为精密的压力调节阀,根据燃机转速和负荷调整调节阀前的天然气压力p。

机组启动过程中,在达到额定转速之前,速比阀的
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图1　气体燃料控制系统
作用是使阀后的天然气压力p 随着转速的增加而
提高,从而改变输入的燃烧量。

在达到额定转速后,速比阀的作用就是维持天然气压力p 恒定。

(2)调节阀
调节阀包括DGCV 扩散燃烧调节阀、P M1预混燃烧调节阀和P M4预混燃烧调节阀。

这些调节阀的作用根据转速和负荷变化的要求,改变阀门开度,调节供给燃烧器的燃料量。

启动过程中,在转速达到额定转速之前,速比阀调节压力p 使调节阀的前后压差小于临界压力,此时流经调节阀的燃料量与阀门开度及气体参数有关。

一旦达到额定转速后,速比阀后的压力p 恒定不变,即燃机进入定压运行模式,此时调节阀的前后压差就会超过临界压力,气体在调节阀内以音速流动,流量只与调节阀的开度有关。

也就是说速比阀只在燃机变速过程中参与燃料流量调节,达到额定转速后燃料量只与调节阀开度有关。

3个调节阀出口各自形成一环形汇流管,连
接到18台DLN -2.0+燃烧器上。

每台燃烧器上有5个喷嘴,每个喷嘴又分别设有扩散燃料通道和预混燃料通道,如图2所示。

所有喷嘴的扩散燃烧通道均与扩散燃料汇流管相连,即这些喷嘴同时工作。

5个喷嘴的预混燃料通道中的4个与P M4预混燃料汇流管相连,另1个与P M1预混燃料汇流管相连,如图3所示。

(3)辅助截止阀
辅助截止阀的作用是在机组跳闸或停机时,与速比阀一起切断燃料供给,
防止燃料泄漏进入
图2　DLN -2.0+
燃烧器喷嘴结构
图3　DLN -2.0+燃烧器喷嘴分配
燃烧室,确保燃机的安全。

2　气体燃料控制系统的运行
DLN -2.0+燃烧系统共有3种燃烧模式,分
别是扩散燃烧模式、导向预混燃烧模式和预混燃烧模式。

以何种燃烧模式运行,与燃机的转速、燃料温度和燃烧参考温度有关。

所谓的燃烧参考温度是指由MARK Ⅵ控制系统根据燃机平均排气温度、压气机排气压力和压气机进口空气温度计算后得到的一个数值,而不是实际存在的温度。

3种燃烧模式之间的切换如图4所示。

(1)扩散燃烧模式在扩散燃烧模式下,气体燃料经DGCV 扩散燃烧调节阀、汇流管进入18台燃烧器,经5个喷嘴的扩散燃料通道喷入燃烧室燃烧。

此时P M1和P M4预混通道利用压气机的排气进行吹扫。

扩散燃烧模式对燃料温度要求低,所以从点
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图4　扩散燃烧、导向预混燃烧和预混燃烧模式之间的切换
火到加负荷至燃烧参考温度达到1093.3℃之前,采用这种燃烧模式。

此外,停机过程中,燃烧参考温度降到1062.2℃后,也采用这种燃烧模式。

(2)导向预混燃烧模式燃气启动过程中当燃烧参考温度在1093.3～1243.3℃,或者停机过程中燃烧参考温度在1215.6～1062.2℃时,进入导向预混模式。

此时燃料在G DVC 、P M1和P M43个调节阀之间分配,扩散燃烧的燃料量逐步减少,预混燃烧的燃料量逐步增加,P M1与P M4燃料量比例约为1:4。

通常以稍微偏离均匀分配的方式运行预混燃烧,以优化燃烧动力学,并减少排放物。

(3)预混燃烧模式
当燃料温度达到设定值,燃机负荷逐步增大,且燃烧参考温度超过1243.3℃时,进入预混燃烧模式。

DGCV 调节阀切断扩散燃烧的燃料供给,所有燃料经过P M1和P M4调节阀从燃烧器的预混燃料通道进入燃烧室燃烧。

此时,燃烧最充分,NO X 的排放量也较扩散和导向预混燃烧模式大幅降低,可达到25μL /L,如图5所示。

图5　NO X 排放量与燃机负荷的关系
若在预混燃烧模式下发生燃机甩负荷,则P M4调节阀关闭,继续通过P M1调节阀供给燃
料,维持燃机的全速空载运行。

3　对气体燃料压力的要求
根据气体燃料控制系统的工作原理,即调节阀在临界状态下调节燃料流量,因此速比阀后调
节阀前的压力p 能否稳定至关重要,直接影响到燃机的稳定燃烧和运行。

根据GE 公司提供的资料,PG9351F A 型燃机的典型设计是在燃机达到全转速后就维持压力p
为一定值,考虑到速比阀进行精确调节需要的压差,速比阀前的天然气压力FG 要求最小不低于3.137MPa 。

再加上气体燃料处理与加热模块的压损、厂内调压站的压损和输送管道的压损,要求厂界的气体燃料压力T 不低于4.2MPa 。

由于漕泾燃机电厂坐落在上海化学工业区内,所需天然气由上海城市管网提供,厂界实际压力仅能维持在3.5MPa 左右,这样速比阀前的燃料压力就无法满足燃机正常运行,甚至是点火的要求。

4　低气体燃料压力的解决方案—燃机滑
压运行
解决气体燃料压力偏低最简单的方法是设置增压站,但是设置1座满足2台F 级燃机供气要求的增压站,仅初期设备投资就高达5000万元,以后运行还要消耗一定的电力,加上维护运行费用,确是一笔不小的开支。

为此,经与GE 公司协商,GE 公司推荐了另一种解决方案,即燃机滑压运行。

该运行模式曾在GE 公司的1台H 级燃机上成功应用过,在F 级燃机上应用尚属首次。

(1)燃机滑压运行的优点
当气体燃料供应压力低于系统设计压力一定程度时,燃机定压运行就无法正常进行,系统会报警甚至停机。

采用了滑压运行模式后,系统就可将燃机设定在与燃料压力和环境温度相对应的部分负荷点稳定运行。

根据燃机的特性,夏季大气温度高,与I S O 工况(大气温度15℃)相比,空气密度减小,压气机排气压力降低、排气量减少,燃机出力降低,此时
所需的燃料量减少,燃料压力也降低。

冬季工况则正好相反,燃机出力提高,需要的燃料量增加,燃料压力也提高,如图6所示。

当燃料供应压力偏低时,采用滑压运行模式,可使燃机在夏季用电
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高峰时满负荷运行,在冬季则以部分负荷运行。

图6　大气温度与燃机出力、热耗和燃料消耗量的关系
(2)滑压运行原理
燃机负荷变化时,为了维持排气温度的稳定,需要调节压气机进口导叶的位置,从而改变压气机入口空气流量。

根据压气机的特性曲线,压比随着进气量成正比变化,压气机的排气压力在空载时不到满负荷时的50%。

燃机正常运行时,燃烧室内的压力等于压气机排气压力。

该压力加上天然气通过管道、汇流管和喷嘴进入燃烧室的沿途压损,构成了燃料调节阀的出口背压。

燃料调节阀正常工作的一个重要因素就是阀门前后的压差达到临界水平,使气体在流经调节阀内部时达到音速,从而使得流量仅与阀门开度有关。

利用部分负荷时调节阀背压随着压气机排气压力下降而降低的特点,以及调节阀调节流量的原理,就可适当降低速比阀后的天然气压力p ,但前提是仍需保证调节阀前后的压差以维持阀内的临界状态。

一旦气体燃料压力p 下降到一定程度,以至于调节阀无法继续维持临界状态,控制系统就会自动降低燃机的负荷,寻找到一个新的平衡点。

图7所示是不同燃机负荷和大气温度下定压运行与滑压运行对速比阀前气体燃料压力FG 的要求。

从图7可以看到,采取滑压运行模式,对冬季工况燃机最大出力而言,气体燃料的压力要求并没有任何降低。

但是随着环境温度升高,燃机的最大出力较冬季工况出现下降,对燃料压力的要求也随之下降。

部分负荷时,对燃料压力的要求同样下降。

(3)滑压运行的实施根据滑压运行的原理,只需要将速比阀后的天然气压力p
从定压运行的定值更改为随燃机负
图7　燃机定压与滑压运行模式下的气体燃料压力FG
荷和环境温度变化的变量就能实现滑压运行。

而压力p 由燃机的MARK Ⅵ控制系统通过速比阀进行控制,所以一切更改均在软件内进行,硬件无需任何变动,且日后待气体燃料供应压力提高后,仍能通过软件复原原来的定压控制模式。

漕泾项目1号燃机经美国GE 公司对MARK Ⅵ控制软件修改后,以滑压模式运行,已经顺利通过了调试和168h 试运行。

(4)燃机滑压运行与汽机滑压运行的比较燃机与汽机的滑压运行是不同的。

汽机滑压运行时,主蒸汽调节阀保持在全开的位置,允许阀后的蒸汽压力随着锅炉参数的变化而变化,以提高运行效率。

燃机滑压运行时,调节阀并未全开,阀门前后压差维持在临界状态,阀后压力不影响流量,燃料流量通过阀门开度来控制,滑压运行本身不会对燃机的效率产生任何影响。

5　结语
采用燃机滑压运行模式,使得燃机在气体燃料供应压力不足时仍能以部分负荷运行,在夏季甚至能带基本负荷运行。

由于利用了燃料调节阀临界状态的特性,该运行模式并没有对原有的控制系统进行原则性的改变,因此也就不会影响燃机的运行稳定性、寿命和效率等。

但是滑压运行并没有降低冬季工况燃机最大出力时对燃料供给压力的要求,也就是说没有改变原始设计参数,低气压的问题并没有从根本上得到解决。

部分负荷时燃机的效率下降非常明显,尽管可维持运行,但经济性变差。

所以,滑压运行只能是一种临时应急措施和权宜之计。

收稿日期:2005210217
作者简介:祝　俊(19702),男,工程师,从事燃机应用和燃煤电站环保方面的研究。