王冠霖 （中國石油西部管道公司生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊 830011）

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天然氣長輸管道燃?xì)廨啓C燃料氣調(diào)節(jié)閥替換技術(shù)研究

王冠霖 （中國石油西部管道公司生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊 830011）

摘要：燃?xì)廨啓C被廣泛的應(yīng)用在天然氣長輸管道?？刂迫?xì)廨啓C運行的關(guān)鍵設(shè)備燃料氣調(diào)節(jié)閥替換技術(shù)的研究，在管道行業(yè)尚數(shù)首次，打破了燃?xì)廨啓C廠商的技術(shù)壟斷，為涉及燃?xì)廨啓C控制專業(yè)的同行提供了技術(shù)借鑒，更重要的是對提高管道行業(yè)燃?xì)廨啓C運維質(zhì)量、降低運維成本提供了明確的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C；燃料氣調(diào)節(jié)閥；替換；控制系統(tǒng)；流量系數(shù)；燃料氣供應(yīng)需求

1　引言

西氣東輸一線、二線工程起新疆，分抵上海、香港，途徑十余省，兩條干線全長近萬公里。以甘肅古浪為界，西氣東輸一線、二線西段共計81臺機組，其中燃驅(qū)機組67臺，均為進口機型。伴隨著燃驅(qū)機組的廣泛應(yīng)用，作為控制燃?xì)廨啓C運行的關(guān)鍵設(shè)備燃料氣調(diào)節(jié)閥在實際運維中逐步暴露出一系列的問題，直接影響到機組的平穩(wěn)、高效運行。

燃料氣調(diào)節(jié)閥由燃機廠商提出技術(shù)要求，第三方廠商定制供貨，面向最終用戶的相關(guān)技術(shù)支持由燃機廠商負(fù)責(zé)提供。由于外方公司技術(shù)壟斷，我方在燃料氣調(diào)節(jié)閥運行和維護方面的工作難以深入開展，運維中出現(xiàn)的技術(shù)問題乃至備件采購，均需燃機廠商經(jīng)手。面對解決問題周期長、技術(shù)服務(wù)費用高、備件采購成本不具備談判條件等矛盾，燃?xì)廨啓C燃料氣調(diào)節(jié)閥替換技術(shù)研究就顯得極為迫切。

2　技術(shù)前提

燃?xì)廨啓C在某一工況下運行時，其所需要的燃料氣供應(yīng)量為固定值。根據(jù)燃料氣供應(yīng)量需求，監(jiān)測燃料系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)（燃料氣調(diào)節(jié)閥閥前壓力、閥后壓力，燃料氣供氣溫度等），同時結(jié)合燃料氣調(diào)節(jié)閥閥組特性相關(guān)系數(shù)：燃料組分（根據(jù)現(xiàn)場天然氣情況實際測量）、閥門通流特性（由閥體供貨廠家提供），就可以得到對應(yīng)此工況條件下的燃料氣調(diào)節(jié)閥的開度指令。

不同廠家的閥組特性不同，開度與流量的對應(yīng)關(guān)系亦不同。無論開度與流量的對應(yīng)關(guān)系如何改變，都需要燃料氣調(diào)節(jié)閥滿足特定工況下的燃料氣流量需求，方可保證燃?xì)廨啓C的正常運行。

由此，在進行燃料氣調(diào)節(jié)閥替換時，控制程序部分無需更改燃?xì)廨啓C原有燃料控制邏輯（運行工況對應(yīng)所需燃料氣供應(yīng)量），而是需要根據(jù)不同閥組特性差異，變更燃料氣流量與調(diào)節(jié)閥開度對應(yīng)關(guān)系，使新的燃料氣調(diào)節(jié)閥開度指令與燃?xì)廨啓C所需的燃料氣流量相對應(yīng)。

3　技術(shù)分析

燃料氣調(diào)節(jié)閥是根據(jù)燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速、功率等要求，按照自動控制系統(tǒng)的信號，遵照一定的燃料氣供給規(guī)律，向燃?xì)廨啓C燃燒室燃料管供應(yīng)一定數(shù)量的氣體燃料，同時實現(xiàn)緊急情況下，快速中止燃料的供給并排空燃料管內(nèi)的氣體燃料。考慮到天然氣燃料的特殊性，新的燃料氣調(diào)節(jié)閥需要性能可靠，保證燃?xì)廨啓C運行安全穩(wěn)定。

3.1工作要求

西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃?xì)廨啓C在ISO條件下，壓比21.5，輸出功率31.6MW，效率41%。該燃?xì)廨啓C燃燒室為環(huán)形常規(guī)非低排放燃燒室，通過一根燃料總管給裝有30個燃料噴嘴的燃燒室供燃料氣。該型燃?xì)廨啓C現(xiàn)有燃料系統(tǒng)工作要求為：

（1）燃料系統(tǒng)為單路供燃料氣，過濾精度25um；

（2）天然氣供給壓力3.5～4MPa，供給溫度40℃；

（3）點火時燃料氣消耗量170kg/h，燃料氣調(diào)節(jié)閥閥后壓力0.215MPa，燃燒室壓力0.198MPa；

（4）額定工況燃料氣耗量6200kg/h，最大耗量7200kg/h。

3.2燃料氣調(diào)節(jié)閥選型

在燃料氣調(diào)節(jié)閥選型過程中，對應(yīng)最大燃料流量時燃料氣調(diào)節(jié)閥的前后壓差，以通常燃?xì)鈬娮靽娚鋲罕葹?.2進行估算。

于是，在最大燃料氣耗量時，燃料氣調(diào)節(jié)閥的閥后壓力，即燃料噴嘴前的壓力為：

進一步可知，最大燃料流量時燃料控制閥的前后壓差為：

根據(jù)燃料氣調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv，得出以下計算表達式，時，燃料控制閥出口為亞音速流動，有：時，燃料控制閥出口為超音速流動，有：

式中，Cv為流量系數(shù)，gpm；Qm為燃料流量，kg/h；P1為燃料閥閥前絕對壓力，MPa；P2為燃料閥閥后絕對壓力，MPa；為燃料氣溫度，℃；u為天然氣分子量，g/mol；Vcr為臨界壓比；K為天然氣絕熱指數(shù)，通常取1.3。

根據(jù)現(xiàn)場天然氣組分，如表1所示，可知天然氣分子量約為17.135，密度約為0.765kg/Nm3。

于是，針對供氣壓力3.5MPa和4.0MPa兩種情況，由式（3）～（5）計算出機組在點火狀態(tài)和最大燃料量狀態(tài)時的燃料閥流量系數(shù)及開度如表2所示。

表1　天然氣組分一覽表

表2　燃料控制閥選型計算一覽表

從表2計算結(jié)果可以看出，選擇流量系數(shù)Cv為30的燃料閥可以滿足西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃?xì)廨啓C對燃料氣的調(diào)節(jié)要求，并留有足夠余量。

3.3燃料氣調(diào)節(jié)閥性能

本技術(shù)研究結(jié)合首臺國產(chǎn)燃?xì)廨啓C對燃料氣調(diào)節(jié)閥的選型，用流量系數(shù)Cv為30的某公司非定制產(chǎn)品B型燃料氣調(diào)節(jié)閥與現(xiàn)西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃?xì)廨啓C配套A型燃料氣調(diào)節(jié)閥進行技術(shù)比對，如表3所示。

表3　燃料氣調(diào)節(jié)閥技術(shù)對比一覽表

從表3可以看出，同A型燃料氣調(diào)節(jié)閥相比，B型調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍更寬，但其對環(huán)境溫度要求范圍較窄，對氣體過濾精度要求較高?？傮w而言，用B型燃料氣調(diào)節(jié)閥去替換A型調(diào)節(jié)閥，在技術(shù)應(yīng)用上是可行的。

4　特性試驗

4.1試驗原理

采用空氣介質(zhì)進行燃料氣調(diào)節(jié)閥的流量特性試驗，試驗原理如圖1所示。將壓縮空氣供應(yīng)至燃料氣調(diào)節(jié)閥流量特性試驗臺的管道入口，依次經(jīng)過入口球閥、過濾器、切斷閥、質(zhì)量流量計最終到達燃料氣調(diào)節(jié)閥前，通過操控臺設(shè)置燃料氣調(diào)節(jié)閥開度。在流量特性試驗臺出口設(shè)置帶有調(diào)節(jié)閥的排空管，通過操控臺設(shè)置排空管上調(diào)節(jié)閥開度，以此建立燃料氣調(diào)節(jié)閥前后壓差。通過采集燃料氣調(diào)節(jié)閥不同開度下的閥前壓力、閥后壓力、閥前溫度，以及通過燃料氣調(diào)節(jié)閥的氣體流量，從而建立開度I與流量系數(shù)Cv的函數(shù)關(guān)系。

圖1　流量特性試驗原理圖

4.2試驗內(nèi)容

對燃料氣調(diào)節(jié)閥進行流量特性試驗，一是對供貨廠家提供的燃料氣調(diào)節(jié)閥進行復(fù)檢，確保其合格、可靠；二是對燃料氣調(diào)節(jié)閥在不同開度條件下的通流能力進行標(biāo)定，為燃料氣調(diào)節(jié)閥的整機配試提供可靠依據(jù)。試驗內(nèi)容如下：

（1）不同開度下的流量特性試驗，建立起開度與流量系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式；

（2）燃料氣調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)試，包括就地控制模式調(diào)試、PLC控制程序編譯調(diào)試等，檢驗控制系統(tǒng)的可靠性。

4.3試驗過程

試驗總體過程如下：

（1）使用氮氣進行氣體置換、吹掃管道，確保無雜質(zhì)顆粒存在；

（2）使用專用支架、管路、密封件等將燃料氣調(diào)節(jié)閥安裝就位；

（3）將專用的測控接線、元器件與燃料氣調(diào)節(jié)閥連接；

（4）燃料氣調(diào)節(jié)閥安裝完成后，進行閥位歸零操作；

（5）使用氮氣對流量特性試驗臺進行密封性試驗；

（6）調(diào)節(jié)燃料氣調(diào)節(jié)閥開度（初步定為10點，根據(jù)實際情況可增加試驗狀態(tài)點），并設(shè)置排空管上調(diào)節(jié)閥的開度，進行流量特性試驗，采集系統(tǒng)采集并記錄試驗數(shù)據(jù)。

具體各項試驗內(nèi)容如下：

（1）就地控制模式調(diào)試

·在燃料氣調(diào)節(jié)閥就地控制器上自動或手動設(shè)置燃料氣調(diào)節(jié)閥最大及最小設(shè)定點，使控制器輸出信號與燃料氣調(diào)節(jié)閥相應(yīng)閥位對應(yīng)；

·在燃料氣調(diào)節(jié)閥就地控制器給出數(shù)組等值遞增開度信號，檢查燃料氣調(diào)節(jié)閥開度反饋值是否相應(yīng)作等值變化；

·檢查燃料氣調(diào)節(jié)閥反饋值與給定信號之間的誤差是否在允許范圍內(nèi)，否則重新標(biāo)定控制器輸出信號與燃料氣調(diào)節(jié)閥閥位；

（2）控制程序編譯調(diào)試

·依據(jù)燃料氣調(diào)節(jié)閥控制器特性進行通道組態(tài)及量程標(biāo)定；

·進行控制器程序變量對應(yīng)匹配；

·輸入燃料氣調(diào)節(jié)閥特性公式。

（3）與現(xiàn)場流量計配合，反復(fù)試驗校正燃料氣調(diào)節(jié)閥特性曲線

·依據(jù)廠家提供的燃料氣調(diào)節(jié)閥特性曲線進行試驗；

·試驗臺起動后，等值遞增燃料閥閥位開度信號；

·當(dāng)流量穩(wěn)定五分鐘后，記錄現(xiàn)場流量計的示數(shù)，建立燃料氣調(diào)節(jié)閥閥位開度與實際流量之間的對應(yīng)關(guān)系；

·依據(jù)燃料氣調(diào)節(jié)閥閥位開度與實際流量之間的對應(yīng)關(guān)系，在控制系統(tǒng)中，重新標(biāo)定燃料氣調(diào)節(jié)閥特性曲線；

·依據(jù)標(biāo)定后的燃料氣調(diào)節(jié)閥特性曲線，再次進行校正，反復(fù)試驗，直至燃料氣調(diào)節(jié)閥曲線滿足控制要求。

4.4 試驗數(shù)據(jù)處理

燃料氣調(diào)節(jié)閥出口氣體流動狀態(tài)分為亞音速和超音速兩種情況，其流量系數(shù)Cv計算方法如式（3）和式（4）。由于試驗介質(zhì)采用的是空氣，而實際工作介質(zhì)為天然氣，因此，需對由空氣介質(zhì)試驗計算出的流量系數(shù)Cv進行修正，以確定天然氣工作介質(zhì)下的真實流量系數(shù)cV。

流量系數(shù)修正方法為：

式中，Cv為空氣介質(zhì)試驗得出的流量系數(shù)，gpm；Cv為天然氣工作介質(zhì)對應(yīng)的流量系數(shù)，gpm；u為天然氣分子量，g/mol。

根據(jù)試驗設(shè)定的燃料氣調(diào)節(jié)閥開度I，以及經(jīng)修正后的流量系數(shù)Cv，建立燃料氣調(diào)節(jié)閥開度與流量系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，即：

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合式（3）和式（4），進一步建立起燃料氣調(diào)節(jié)閥開度與燃料流量、前后壓力、燃料溫度以及燃料組分（即平均分子量）的函數(shù)關(guān)系，即：

5　整機配試

為檢驗燃料氣調(diào)節(jié)閥在試驗臺上試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時確保燃料氣調(diào)節(jié)閥能根據(jù)燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速、功率等的要求，按照自動控制系統(tǒng)信號，依給定的燃料供給規(guī)律，向燃?xì)廨啓C燃燒室供給定量的燃料氣，需將燃料氣調(diào)節(jié)閥安裝在燃料系統(tǒng)上，與燃?xì)廨啓C一起進行配試。

為實現(xiàn)B型燃料氣調(diào)節(jié)閥在西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃?xì)廨啓C燃料系統(tǒng)上的安全、可靠使用，需實施以下主要調(diào)試內(nèi)容。

（1）校正燃料氣調(diào)節(jié)閥不同開度下與流量系數(shù)的特性關(guān)系；

（2）驗證燃料氣調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的可行性和可靠性，包括就地控制模式調(diào)試、控制程序編譯調(diào)試、遠程遙控模式調(diào)試等。

5.1控制系統(tǒng)就地控制模式

（1）在燃料氣調(diào)節(jié)閥就地控制器上自動或手動設(shè)置燃料氣調(diào)節(jié)閥最大及最小設(shè)定點，使控制器輸出信號與燃料氣調(diào)節(jié)閥相應(yīng)閥位對應(yīng)；

（2）在燃料氣調(diào)節(jié)閥就地控制器給出數(shù)組等值遞增開度信號，檢查燃料氣調(diào)節(jié)閥開度反饋值是否相應(yīng)作等值變化；

（3）檢查燃料氣調(diào)節(jié)閥反饋值與給定信號之間的誤差是否在允許范圍內(nèi)，否則重新標(biāo)定控制器輸出信號與燃料氣調(diào)節(jié)閥閥位。

5.2控制程序編譯調(diào)試

（1）依據(jù)燃料氣調(diào)節(jié)閥控制器特性進行通道組態(tài)及量程標(biāo)定；

（2）進行控制器程序變量對應(yīng)匹配；

（3）輸入燃料氣調(diào)節(jié)閥特性公式。

5.3控制系統(tǒng)遠程控制模式

（1）在燃料氣調(diào)節(jié)閥就地控制器給出數(shù)組等值遞增開度信號，檢查燃料氣調(diào)節(jié)閥開度反饋值是否相應(yīng)作等值變化；

（2）檢查燃料氣調(diào)節(jié)閥反饋值與給定信號之間的誤差是否在允許范圍內(nèi)，否則重新標(biāo)定控制器輸出信號與燃料氣調(diào)節(jié)閥閥位。

5.4流量計配合校正特性曲線

（1）燃料氣調(diào)節(jié)閥依據(jù)試驗臺校正后的特性曲線進行配機試驗；

（2）燃?xì)廨啓C起動后，以閥位開度信號等值遞增（如漸次增加10%）的控制策略，漸升工況；

（3）每一個工況點穩(wěn)定五分鐘后，記錄現(xiàn)場流量計的示數(shù)，建立燃料氣調(diào)節(jié)閥閥位開度與實際流量之間的對應(yīng)關(guān)系；

（4）全部工況點完成后，正常停機；

（5）依據(jù)燃料氣調(diào)節(jié)閥閥位開度與實際流量對應(yīng)關(guān)系，在控制系統(tǒng)中，重新標(biāo)定燃料氣調(diào)節(jié)閥特性曲線；

（6）依據(jù)標(biāo)定后的燃料氣調(diào)節(jié)閥特性曲線，重新起機測試，反復(fù)試驗，直至特性曲線滿足燃機控制要求。

6　結(jié)語

在充分了解機組運行特性、燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃?xì)廨啓C燃料氣調(diào)節(jié)閥的替換技術(shù)深入研究，結(jié)合工作要求、設(shè)備選型、性能比對、特性試驗及整機配試環(huán)節(jié)，證明對現(xiàn)有燃料氣調(diào)節(jié)閥的替換是完全可行的。

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-0492（2016）04-0086-04中圖分類號：TE832

作者簡介

王冠霖（1979-），男，新疆烏魯木齊人，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，現(xiàn)就職于中國石油西部管道公司生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心。

Replace Technology Research of Gas Turbine Fuel Gas Regulating Valve for Long Distance Natural Gas Pipeline

Abstract:Gas turbine driven compressor unit is widely used in natural gas long transmission pipeline. It is the first time in the pipeline industry to make research on the fuel gas control valve replacement operation of the key equipment. It breaks the technological monopoly of gas turbine manufacturers, and provides technical reference for professional counterparts in the gas turbine control domain. Moreover, it provides a clear technical route for improving the quality of operation and maintenance of pipeline gas turbine industry and reducing operation and maintenance costs.

Key words:Gas turbine; The fuel gas regulating valve; Replace; Control system; Flow coefficient; The fuel gas supply demand