楊 強，冉軍輝，孔慶毅，張春梅

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

雙燃料燃氣輪機是利用雙燃料燃燒技術(shù)，在燃氣輪機不停機情況下，實現(xiàn)不同燃料的無擾動在線切換。通過在燃氣輪機中實施雙燃料燃燒技術(shù)，可以提高燃氣輪機對燃料的適應(yīng)性，拓寬燃氣輪機應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，海上平臺用燃氣輪機幾乎全部采用雙燃料燃燒技術(shù)。以現(xiàn)有中海油為例，其海上平臺及處理廠共有各型燃氣輪機機組174臺套，全部依賴進口，其中80%以上均為雙燃料機組。未來5年，該公司對單機功率20 MW級以上的雙燃料機組需求量在10臺以上。由于缺少國內(nèi)替代資源，海上平臺發(fā)電用雙燃料燃氣輪機逐步形成美國Solar公司、德國Siemens公司和美國GE公司等少數(shù)幾家國外廠家壟斷市場的勢態(tài)。這些廠家掌握海上平臺用雙燃料燃氣輪機發(fā)電機組的設(shè)備供貨、維修保養(yǎng)、產(chǎn)品定價等話語權(quán)，造成設(shè)備使用和維護成本居高不下，進度受制于人，一旦產(chǎn)生利益沖突，將直接威脅到海上平臺的電力供應(yīng)，進而對油氣生產(chǎn)造成極大影響。

現(xiàn)國內(nèi)暫無真正意義上實現(xiàn)工程化應(yīng)用的國產(chǎn)化雙燃料燃氣輪機，其原因主要在于雙燃料燃燒技術(shù)處于瓶頸階段。為解決這一難題，需調(diào)研大量國外先進的雙燃料燃氣輪機相關(guān)文獻資料及實地考察，并通過分析、消化、改進等方式創(chuàng)新設(shè)計適合自身的雙燃料燃燒技術(shù)。為實現(xiàn)雙燃料燃氣輪機國產(chǎn)化，打破雙燃料燃燒技術(shù)瓶頸，現(xiàn)主要對國外具有先進雙燃料燃燒技術(shù)的幾家代表性公司產(chǎn)品進行文獻資料收集，并對其技術(shù)難點進行分析，為國產(chǎn)雙燃料燃氣輪機設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 美國GE公司燃氣輪機PGT25+G4

美國GE公司燃氣輪機PGT25+G4功率為33 MW，其燃燒室屬于環(huán)形燃燒室。它由噴嘴、內(nèi)外罩殼、內(nèi)外火焰筒等組成。罩殼用于連接壓氣機后機匣與火焰筒，同時分配來自高壓壓氣機的氣流，使進入燃燒室的氣流穩(wěn)定，罩殼由環(huán)、內(nèi)外罩組成，內(nèi)外罩分別焊接在火焰筒內(nèi)外壁面；燃機共有30個空氣霧化噴嘴，沿軸向均勻分布，每個噴嘴后部安裝有軸向旋流葉片，主要用于火焰穩(wěn)定燃燒和混合燃料與空氣，旋流葉片內(nèi)表面通過氣膜冷卻結(jié)構(gòu)保護，防止燃燒室高溫氣體燒蝕葉片，噴嘴頂端安裝有文式里管裝置，可有效避免燃燒時在噴嘴表面附著積碳。PGT25+G4燃氣輪機剖面圖和三維圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 PGT25+G4燃氣輪機剖面圖Fig. 1 PGT25+G4 gas turbine

圖2 PGT25+G4燃氣輪機三維圖Fig. 2 PGT25+G4 gas turbine nozzle

2.2 烏克蘭Zorya-Mashproekt公司燃氣輪機DG80L3

烏克蘭Zorya-Mashproekt公司燃氣輪機DG80L3功率為25 MW，現(xiàn)運行于伊朗北阿地區(qū)，其燃燒室屬于回流式環(huán)管燃燒室。它是由殼體、16個火焰筒、16個3通道的燃料噴嘴、天然氣總管、燃油總管、空氣總管、16支天然氣管、16支燃油管、16支空氣管、閉環(huán)空氣供應(yīng)管、2個點火器、4個放氣閥（通常為關(guān)閉狀態(tài)）和32個定位器等組成。16個火焰筒組裝成環(huán)安裝于渦輪一級導(dǎo)向器上，并通過32個定位器固定；16個噴嘴通過高壓壓氣機承力機匣上的安裝孔插入，與16個火焰筒裝配；外殼位于火焰筒外部，并與高壓壓氣機承力機匣和高壓渦輪承力機匣通過螺栓連接；內(nèi)殼位于火焰筒內(nèi)部，一端與高壓壓氣機承力機匣通過螺栓連接，另一端與擴壓器搭接；2個點火器通過外殼上的安裝孔插入2個火焰筒間的聯(lián)焰管內(nèi)。DG80L3燃氣輪機燃燒室剖面圖如圖3所示。

2.3 美國Solar公司燃氣輪機Titan130

圖3 DG80L3燃氣輪機燃燒室剖面圖Fig. 3 DG80L3 gas turbine combustor

美國Solar公司燃氣輪機Titan130功率為15 MW，現(xiàn)運行于海上平臺，其燃燒室屬于環(huán)形燃燒室。它是由噴嘴、外殼、火焰筒及可變空氣閥等組成，其中噴嘴數(shù)量共有14個，燃燒室上有14個空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置。Titan130燃氣輪機及燃燒室剖面圖如圖4和圖5所示。德國Siemens公司燃氣輪機SGT500。

圖4 Titan130燃氣輪機剖面圖Fig. 4 Titan130 gas turbine

圖5 Titan130燃氣輪機燃燒室剖面圖Fig. 5 Titan130 gas turbine combustor

德國Siemens公司燃氣輪機SGT500功率為20 MW，現(xiàn)運行于中海油曹妃甸海上平臺，其燃燒室屬于環(huán)形燃燒室。共有7個火焰筒、2個高效點火器和2個火焰探測器；燃燒室的體積是普通燃燒室的4 ～ 5倍。噴嘴為空氣霧化噴嘴，其設(shè)計保證了SGT500機組可以使用天然氣、柴油、原油和重油作為燃料，并可混合燃燒。在燃燒室外殼上方有氣體燃料總管、液體燃料進油和回油總管、壓縮空氣總管分別接入7個火焰筒，噴嘴也相應(yīng)的具有4個通路，其中介質(zhì)分別是壓縮空氣、進油、回油以及天然氣。燃料系統(tǒng)的設(shè)計可以保證機組在低負荷工況下的燃料霧化，霧化的原理設(shè)計為物理霧化設(shè)計，相比依靠外界氣源更加穩(wěn)定。SGT500燃氣輪機結(jié)構(gòu)圖如圖6和圖7所示。

圖6 SGT500燃氣輪機結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 SGT500 gas turbine

圖7 SGT500燃氣輪機結(jié)構(gòu)三維圖Fig. 7 SGT500 gas turbine graphic model

2 對比分析

2.1 結(jié)構(gòu)對比

通過對比分析Solar公司、Siemens公司、GE公司和Zorya-Mashproekt公司雙燃料燃燒室及雙燃料噴嘴結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)缺點如表1所示。

表1 雙燃料燃燒室結(jié)構(gòu)對比Tab. 1 Comparison of dual-fuel combustor structure

根據(jù)表1對比結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)形式燃燒室及雙燃料噴嘴具有各自的優(yōu)缺點。因此，在雙燃料燃氣輪機燃燒室研制時，應(yīng)根據(jù)自身設(shè)計體系成熟度合理選取，并加以分析改進，以降低設(shè)計風(fēng)險。

2.2 燃料系統(tǒng)對比

Solar公司、Siemens公司、GE公司和Zorya-Mashproekt公司的雙燃料系統(tǒng)主要組成、功能等基本相同，主要差別在于燃氣輪機單一燃料負荷運行吹掃系統(tǒng)，以及雙燃料切換時間、工況范圍等。其詳細差異如表2和表3所示。

表2對比結(jié)果表明，國外各公司采用不同形式對單一燃料負荷運行時的燃料路進行吹掃。主要分為同種介質(zhì)氣吹掃不同燃料路或不同介質(zhì)氣吹掃不同燃料路，同時如采用從高壓壓氣機后引氣吹掃需考慮是否冷卻。因此，在雙燃料燃氣輪機燃燒室研制時，具體選用何種吹掃氣介質(zhì)應(yīng)根據(jù)用戶需求和現(xiàn)場條件進行設(shè)計。

表2 燃氣輪機單一燃料負荷運行吹掃系統(tǒng)差異對比Tab. 2 Dual fuel system purge system difference comparison

表3 燃氣輪機雙燃料系統(tǒng)切換特性差異對比Tab. 3 Comparison of switching characteristics of dual fuel systems

表3對比結(jié)果表明，雙燃料切換耗時應(yīng)與燃機功率等級（即運行時燃料總量）相關(guān)，切換工況范圍應(yīng)與噴嘴結(jié)構(gòu)形式、燃料氣閥門特性等相關(guān)。因此，在確定雙燃料燃氣輪機功率等級及雙燃料噴嘴結(jié)構(gòu)形式后，可初步估計大致切換耗時及切換工況范圍，準確數(shù)據(jù)仍需通過大量試驗加以驗證。

2.3 排放對比

NOx排放量作為燃氣輪機重要考核指標(biāo)，對比Solar公司、Siemens公司、GE公司和Zorya-Mashproekt公司燃氣輪機排放水平及采取措施，在國產(chǎn)化燃氣輪機燃燒室設(shè)計時予以借鑒。國外燃氣輪機NOx排放指標(biāo)及采取措施對比如表4所示。

為明確燃機NOx排放量設(shè)計輸入，查詢國內(nèi)燃氣輪機NOx排放的相關(guān)標(biāo)準：

表4 燃氣輪機排放指標(biāo)及NOx低排放技術(shù)對比Tab. 4 Comparison of gas turbine emission index and NOx low emission technology

1）火電廠排放標(biāo)準GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準》中規(guī)定以燃油為燃料的燃氣輪機組NOx最高允許排放濃度分別為120 mg/m3，以天然氣為燃料的燃氣輪機組NOx最高允許排放濃度分別為50 mg/m3；

2）北京地區(qū)排放標(biāo)準DB11 847-2011《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標(biāo)準》中規(guī)定單臺燃氣輪機NOx最高允許排放濃度為30 mg/m3；

3）關(guān)于海洋環(huán)境下排放標(biāo)準，經(jīng)查詢國際海洋公約相關(guān)文獻附則IV、API616燃氣輪機標(biāo)準，以及咨詢中國船級社技術(shù)專家，均無關(guān)于燃氣輪機NOx排放的排放限定。

因此，污染物排放限定值需根據(jù)燃氣輪機安裝地區(qū)，選擇相關(guān)污染物排放標(biāo)準。根據(jù)該標(biāo)準明確設(shè)計輸入，并合理選擇降排放技術(shù)，實現(xiàn)燃氣輪機低排放要求。

3 雙燃料燃燒技術(shù)難點

3.1 雙燃料噴嘴設(shè)計技術(shù)

雙燃料噴嘴是雙燃料燃燒室的關(guān)鍵部件。雙燃料噴嘴的設(shè)計將直接影響燃燒室出口溫度分布、火焰筒壁面溫度分布、污染物排放等性能指標(biāo)，同時對燃燒室是否能長時間可靠運行也有重要的影響。為突破雙燃料噴嘴設(shè)計技術(shù)難題，可采用現(xiàn)有燃燒室噴嘴成熟結(jié)構(gòu)框架加以改進，在不考慮污染物排放水平的前提下，設(shè)計滿足燃燒室性能要求的雙燃料噴嘴，降低研制風(fēng)險，之后再進行局部調(diào)整，實現(xiàn)低排放指標(biāo)。

3.2 雙燃料在線切換技術(shù)

雙燃料燃氣輪機在運行過程中，在保持輸出功率變化量不超出設(shè)定值的前提下，完成2種或多種燃料的切換是雙燃料燃燒技術(shù)的又一大難題。由于該技術(shù)為國外生產(chǎn)廠家的核心技術(shù)，參考資料較少，因此要實現(xiàn)雙燃料在線切換，需對閥門特性、燃料特性、燃燒性能、切換邏輯及控制策略、風(fēng)險評定等相關(guān)內(nèi)容進行深入分析研究，并通過大量試驗加以驗證，試驗中重點考察對象為燃燒穩(wěn)定性（燃燒時產(chǎn)生的壓力脈動頻率）、切換耗時和切換工況范圍。

3.3 雙燃料混燒技術(shù)

根據(jù)運行條件需要，用戶會對雙燃料燃氣輪機提出雙燃料混燒要求。雙燃料混燒與雙燃料切換的區(qū)別在于：雙燃料混燒為2種燃料同時燃燒，保證燃氣輪機長時間運行；雙燃料切換主要以單一燃料燃燒為主，在遇突發(fā)情況時，需短時間內(nèi)完成2種燃料的切換，切換過程為雙燃料混燒狀態(tài)。雙燃料混燒重點考察2種燃料同時燃燒時燃燒室壁面溫度、出口溫度分布等性能，其允許長時間混燒區(qū)域較允許在線切換區(qū)域窄。因此，可通過燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣動計算、熱力計算、三維仿真和試驗驗證等手段，實現(xiàn)雙燃料長時間混燒。

3.4 雙燃料低排放技術(shù)

雙燃料低排放技術(shù)難點在于將以燃油為燃料時的低排放技術(shù)與以天然氣為燃料時的低排放技術(shù)統(tǒng)一結(jié)合起來。以燃油為燃料時，國內(nèi)較為成熟的降排放技術(shù)是注水或注蒸汽技術(shù)，相較國外多樣化的降排放技術(shù)，諸如分級燃燒技術(shù)、變幾何燃燒技術(shù)、富態(tài)-急冷-貧態(tài)燃燒技術(shù)、貧油直接噴射技術(shù)等，仍有較大差距；以天然氣為燃料時，國內(nèi)較為成熟的降排放技術(shù)是貧燃預(yù)混技術(shù)，已具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)。但如果要同時實現(xiàn)雙燃料燃燒技術(shù)與雙燃料低排放技術(shù)，技術(shù)難度較大。因此，為降低研制風(fēng)險，可分2步實施：首先著重攻關(guān)雙燃料燃燒室2種燃料混燒技術(shù)及2種燃料在線切換技術(shù)，待研制成功后，下一階段再重點進行低排放技術(shù)攻關(guān)。

3.5 吹掃冷卻技術(shù)

吹掃冷卻技術(shù)主要功能在于冷卻未工作的燃料通道，延長噴嘴使用壽命。根據(jù)國外機組的大量相關(guān)文獻，吹掃氣介質(zhì)存在多樣化設(shè)計，包括采用同種介質(zhì)或2種介質(zhì)吹掃不同燃料路，其吹掃氣介質(zhì)的種類也具有很大差異。經(jīng)分析研究，其吹掃氣介質(zhì)和吹掃方式的選取應(yīng)根據(jù)用戶要求和燃氣輪機安裝地點現(xiàn)場條件進行合理選擇，當(dāng)選用從燃氣輪機自身引氣吹掃時，應(yīng)注意壓縮空氣是否需要冷卻和附屬設(shè)備尺寸重量；當(dāng)選用外部氣源引氣吹掃時，應(yīng)注意現(xiàn)場氣源壓力是否滿足吹掃條件；當(dāng)選用燃料氣吹掃時，應(yīng)注意控制吹掃氣流量，避免惡化燃燒室燃燒性能。不管選用何種吹掃方式，都應(yīng)利用大量試驗研究加以驗證，保證燃燒室的運行可靠性。

4 結(jié) 語

通過對美國GE公司、德國Siemens公司、美國Solar公司和烏克蘭Zorya-Mashproekt公司的雙燃料燃氣輪機的分析，對比各燃氣輪機設(shè)計特點，總結(jié)出雙燃料燃燒關(guān)鍵技術(shù)難點，為設(shè)計雙燃料燃燒室提供技術(shù)支撐。