張秋池，張棟芳

(1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200030;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠燃機部，上海 200240)

SGT5-2000E(LC)型燃氣輪機是西門子公司為迎合上世紀90年代IGCC 市場需求而推出的一款適用于低熱值燃料(合成氣)的重型燃氣輪機，自1999年在意大利的ISB Energy，Priolo Gargallo 電廠首次成功應(yīng)用以來，目前已取得了超過670 000 h 的運行經(jīng)驗［1］，并且在中國唯一的IGCC 示范項目中獲得成功應(yīng)用［2］。相對于燃用常規(guī)天然氣燃料的燃氣輪機，SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機及其輔助設(shè)備具有兩個顯著的特點:一是燃料熱值低、流量大、燃燒特性不同;二是需增加相關(guān)的燃料控制系統(tǒng)。本文將結(jié)合以上兩個特點，對SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機及其輔助系統(tǒng)所進行的改進工作進行詳細的介紹與分析，為低熱值燃氣輪機設(shè)計提供參考，本文對改造為燃用低熱值燃料的燃氣輪機的改進具有借鑒意義。

1 設(shè)計改進

SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機(設(shè)計工況出力約為175 MW，排氣溫度為554.4℃［3］)的原型機為燃用天然氣的SGT5－2000E 型燃氣輪機，其結(jié)構(gòu)特點詳見圖1。

同燃用天然氣的燃氣輪機相比，燃燒低熱值合成氣的SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機會產(chǎn)生一些特殊問題，主要有:

1)由于合成氣燃料熱值低，為維持透平初溫水平不變，低熱值燃料流量需大幅增加［4］，這將造成透平通流阻塞系數(shù)增大，使燃氣輪機偏離原設(shè)計工況運行，導(dǎo)致壓氣機喘振邊界偏移;

圖1 SGT5-2000E(LC)型燃氣輪機的主要特點［3］

2)與天然氣相比，合成氣燃料中的氫含量多，由于成分上的區(qū)別，燃料的燃燒特性發(fā)生了變化。由于合成氣中氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，富氫燃料在燃燒中容易發(fā)生回火、燃燒振蕩現(xiàn)象［5］，進而危害燃機的安全運行;

3)由于合成氣主要成分CO 的著火下限高，當合成氣中含有較多的CO 時，點火會比較困難。這就要求合成氣燃燒器應(yīng)具備點火迅速、燃燒穩(wěn)定、燃燒效率高的特點;同時需增大燃燒橫斷面積，增加燃燒室長度，進而增加CO 的停留時間以保證其充分燃燒，有利于降低尾氣中CO 的排放;

4)由于合成氣中氫氣具有燃點低、燃燒快的特點，通常低熱值燃氣中所含的氫氣會在燃燒器出口的前部完全燃燒，并以較快的速度釋放熱量，致使噴嘴出口位置出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，進而造成熱部件使用壽命降低;燃燒區(qū)域局部過熱還會導(dǎo)致NOx排放過高。

鑒于上述分析，在燃燒天然氣改為合成氣的燃氣輪機改型設(shè)計中，西門子公司就以下兩方面展開重點技術(shù)攻關(guān):

1)解決壓氣機喘振邊界偏移的問題;

2)解決合成氣燃燒不穩(wěn)定及NOx排放高的問題。

為解決上述問題，同時兼顧燃氣輪機使用合成氣長期運行的要求，西門子公司對SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機進行了以下兩方面的改進設(shè)計。

1.1 壓氣機的改進設(shè)計

為能夠滿足機組的正常運行，同時解決因合成氣燃料量的增加而造成進入透平通流中的高溫氣體流量增大，必須改變透平通流結(jié)構(gòu)。SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機在常規(guī)SGT5－2000E 型燃氣輪機壓氣機的第10 級后增加一級，即壓氣機級數(shù)由原來的16 級改為17 級;同時調(diào)整進口導(dǎo)葉的工作角度，使壓氣機在壓縮空氣質(zhì)量流量不變的情況下加大喘振裕度，在同樣壓比的情況下降低由于合成氣燃料量的增加對透平通流造成的不良影響。以上改進解決了燃用合成氣的燃機的第一個技術(shù)問題。

1.2 燃燒器的改進設(shè)計

為解決燃用合成氣時易發(fā)生的燃燒回火、燃燒不穩(wěn)定以及NOx排放高的技術(shù)問題，SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機的燃燒器在原型機燃燒器的基礎(chǔ)上，通過對燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改進，使得燃燒器出口稀釋后的低熱值燃氣與壓縮空氣能夠得到更加充分、有效的混合，進而使燃燒火焰穩(wěn)定;另外，通過對合成氣燃料注入蒸汽的方式稀釋燃氣，減少過熱現(xiàn)象，從而達到控制燃燒溫度并抑制NOx產(chǎn)生的目的。通過以上改進，使新型燃燒器能適應(yīng)原型機筒形燃燒室而不必對燃燒室結(jié)構(gòu)進行改進。圖2 為燃燒器改進示意圖。

圖2 燃燒器改進示意圖

在燃燒器噴嘴的改進設(shè)計中，除了對燃料管路分布進行優(yōu)化改進外，還對燃燒器噴嘴的出口結(jié)構(gòu)進行了改進:一是在噴嘴出口采用整流片的結(jié)構(gòu)形式，加強燃燒器噴嘴出口混合氣體的旋流強度，使得壓縮空氣和燃料氣得到充分的混合;二是在噴嘴出口采用擴展錐的設(shè)計，最大限度地防止燃燒沉淀物在噴嘴出口堆積而導(dǎo)致局部過熱現(xiàn)象發(fā)生，同時進一步加強了燃燒的穩(wěn)定性。燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)的改進詳見圖3。

圖3 燃燒器噴嘴的改進示意圖

1.3 結(jié)構(gòu)未改動部分

圖4 合成氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)示意圖［7］

除上述結(jié)構(gòu)改進外，SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機其余部分基本采用SGT5－2000E 型燃氣輪機的原有結(jié)構(gòu)設(shè)計［6］，這樣既保持了原機組的設(shè)計特點，又大大提高了運行的可靠性。

2 燃氣輪機輔助設(shè)備的改進

由于燃料的差異，SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機除了需要配備燃用天然氣的燃機所配備的常規(guī)輔助系統(tǒng)外，還需要改進燃料供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計，即增加三個輔助系統(tǒng):合成氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)、合成氣注N2系統(tǒng)以及燃料注蒸汽系統(tǒng)。以下分別對這三個輔助系統(tǒng)作簡要的介紹。

2.1 合成氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)

合成氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)的主要功能:(1)調(diào)節(jié)通往燃燒室的主燃料管路和次燃料管路中的合成氣流量;(2)在緊急情況下迅速切斷燃料氣;(3)提供與氮氣注入系統(tǒng)和蒸汽注入系統(tǒng)的接口;(4)留有氣體放散點接口。系統(tǒng)示意圖詳見圖4。

上述系統(tǒng)功能通過以下流程實現(xiàn):

1)合成氣燃料由氣化島供應(yīng)至系統(tǒng)接口法蘭處。燃料首先進入合成氣分析儀進行成份測定，之后流經(jīng)過濾器。過濾器的主要功能是通過過濾燃料氣中的污染物來保護閥門、儀表、燃燒室噴嘴和其他燃燒室組件。合成氣流經(jīng)過濾器后分成兩路管路供應(yīng)燃料:主管路和次管路。在主管路和次管路上分別設(shè)置有1 套調(diào)節(jié)閥和一用一備的2 套關(guān)斷閥。

2)系統(tǒng)與合成氣注N2系統(tǒng)有4 個接口:2 個接口位于合成氣調(diào)節(jié)閥的下游，主要作用為注N2后置換管路中的殘留可燃氣體;另外2 個位于關(guān)斷閥門和調(diào)節(jié)閥之間，注N2后起到系統(tǒng)隔離與密封的作用。

3)注蒸汽系統(tǒng)接口位于次合成氣管路調(diào)節(jié)閥的下游，主要作用為注入一定比例的蒸汽量進而調(diào)節(jié)燃料與蒸汽的混合比率。在特定條件下，注入蒸汽以滿足次管路中燃料的最小運行壓力要求。

4)與天然氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)相同，合成氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)在系統(tǒng)閥門之間的管道上均配有燃氣放散管道及閥門。

2.2 合成氣注N2系統(tǒng)

合成氣注N2系統(tǒng)的主要功能:(1)向合成氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)注入惰性氣體(氮氣)用于在燃機啟動過程中吹掃管道中殘留的可燃氣體，防止管道內(nèi)發(fā)生氣體燃燒;(2)注入氮氣起到保持合成氣和空氣的隔離與密封作用，避免合成氣與空氣混合產(chǎn)生爆炸的危險，同時注入的氮氣壓力較高可確保閥門燃氣側(cè)的可燃氣體不發(fā)生向管道內(nèi)泄流的現(xiàn)象;(3)在次合成氣管路中氣體溫度超過最大值時注入N2可起到冷卻管網(wǎng)的作用。系統(tǒng)示意圖詳見圖5。

圖5 合成氣注N2系統(tǒng)示意圖［7］

2.3 燃料注蒸汽系統(tǒng)

燃料注蒸汽系統(tǒng)的主要功能:用于稀釋合成氣燃料，降低在合成氣燃燒過程中產(chǎn)生的NOx。蒸汽僅注入到次級合成氣管路中，在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下注入相應(yīng)的蒸汽量與合成氣燃料充分混合。為防止整套燃料系統(tǒng)中水的凝結(jié)，所注入的蒸汽為過熱蒸汽。系統(tǒng)示意圖詳見圖6。

2.4 其它輔助系統(tǒng)設(shè)備

SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機的其它輔助系統(tǒng)如進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、潤滑油與頂軸油系統(tǒng)、降噪設(shè)備與消防系統(tǒng)等，均與常規(guī)燃用天然氣的SGT5－2000E 型燃氣輪機所需的輔助系統(tǒng)相似，本文不另作介紹。

圖6 燃料注蒸汽系統(tǒng)示意圖［7］

3 結(jié)論

本文分析了SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機及其輔助系統(tǒng)的特點，詳細介紹了SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機相對于SGT5－2000E 型燃氣輪機在壓氣機、燃燒系統(tǒng)上的改進，并對SGT5－2000E(LC)型燃氣輪機輔機所進行改進或新增的三個系統(tǒng)的功能及流程進行了介紹與分析。本文通過分析可為低熱值燃氣輪機設(shè)計提供參考，對改進燃用低熱值燃料的燃氣輪機具有借鑒意義。

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