SGT5-2000E燃機(jī)天然氣燃料系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題分析和解決方法

文 謝衛(wèi)華

SGT5-2000E燃機(jī)天然氣燃料系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題分析和解決方法

文 謝衛(wèi)華

輸入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的天然氣燃料的壓力穩(wěn)定對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，天然氣的壓力波動(dòng)必須控制在燃?xì)廨啓C(jī)許可的范圍之內(nèi)，因此對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣供氣系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性要求十分苛刻，國(guó)內(nèi)燃機(jī)電站大部分用的是減壓系統(tǒng)，技術(shù)非常成熟，但是對(duì)增壓站系統(tǒng)，尚在探索和實(shí)踐中，會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的問題，如何分析和解決這些問題對(duì)未來的增壓系統(tǒng)燃機(jī)電站有著切實(shí)的指導(dǎo)意義。SGT5-2000E燃機(jī)天然氣供氣系統(tǒng)中配置離心式增壓機(jī)在調(diào)試過程中遇到了壓力波動(dòng)導(dǎo)致燃機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行甚至跳機(jī)的問題，如何解決呢？

孟加拉燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，采用了二套西門子公司的SGT5-2000E型燃?xì)廨啓C(jī)，天然氣燃料由高壓管線提供。由于廠區(qū)選址在孟加拉城市地區(qū)，天然氣輸送距離較遠(yuǎn)，廠區(qū)的天然氣壓力150psig不能滿足SGT5-2000E燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣壓力要求，故設(shè)置了一套增壓站系統(tǒng)用于天然氣燃料的增壓。本文主要介紹在天然氣增壓站系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題分析和解決方法。

什么是增壓站系統(tǒng)？

增壓站內(nèi)主要設(shè)置有全廠燃料氣的火災(zāi)緊急隔斷閥、計(jì)量模塊、過濾分離模塊、壓力控制模塊以及溫控設(shè)備等，系統(tǒng)流程見圖1。其中，燃機(jī)供氣模塊由二部分組成，其中一部分為自力式調(diào)壓模塊，僅僅在上游壓力高于燃機(jī)運(yùn)行壓力時(shí)起到穩(wěn)定壓力作用；另一部分為增壓模塊。

增壓模塊入口部分為三路二用一備的壓力調(diào)節(jié)閥組組成，為下游二臺(tái)離心式壓縮機(jī)提供穩(wěn)定的入口壓力，將上游150psig的天然氣壓力穩(wěn)定在10bar左右。二臺(tái)壓縮機(jī)則分別對(duì)應(yīng)于二臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，每臺(tái)壓縮機(jī)的作用是提供一個(gè)在單臺(tái)燃機(jī)全流量范圍內(nèi)穩(wěn)定的供氣壓力范圍，保證燃機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。也就是說，壓力調(diào)節(jié)閥組模塊與兩臺(tái)天然氣壓縮機(jī)入口采用的是母管制的連接方式，每臺(tái)壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)采用的是單元制的連接方式。

增壓站在調(diào)試過程中出現(xiàn)的主要問題

首先，在壓縮機(jī)通氣運(yùn)行調(diào)試過程中，投運(yùn)自動(dòng)過程中壓力波動(dòng)較大，最大值接近0.4MPa，一般波動(dòng)達(dá)0.2～0.3MPa；SGT5-2000E燃機(jī)只有在燃?xì)鈮毫Ω哂?.927MPa時(shí)才能投入預(yù)混模式運(yùn)行，在預(yù)混模式下燃料氣壓力低于1.876MPa自動(dòng)切換到擴(kuò)散模式；在預(yù)混模式下燃料氣壓力低于1.7425MPa，燃機(jī)保護(hù)跳機(jī)；如果增壓機(jī)出口壓力波動(dòng)一直較大，則燃機(jī)預(yù)混模式投不上，脫硝系統(tǒng)也無法正常工作，燃機(jī)運(yùn)行效率不能達(dá)標(biāo)，排放超標(biāo)，機(jī)組無法投入商業(yè)運(yùn)行。因此，壓力穩(wěn)定的問題是必須要徹底解決的。

其次，兩臺(tái)壓縮機(jī)間的壓力干涉，主要表現(xiàn)在#1壓縮機(jī)的起停對(duì)#2壓縮機(jī)的入口壓力有較大影響，反之亦然。同時(shí)，#1燃機(jī)運(yùn)行甩負(fù)荷，造成#2增壓機(jī)的跳機(jī)，反之亦然。

最后，壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，壓縮機(jī)內(nèi)放散閥連續(xù)多次放散。

壓力穩(wěn)定的問題如何解決？

對(duì)于運(yùn)行壓力不穩(wěn)定的分析，首先是從設(shè)備精度上做排除；由于壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力主要是通過入口調(diào)節(jié)閥的控制來調(diào)整的，因此，校正了入口調(diào)節(jié)閥閥的執(zhí)行器精度，效果不佳。同時(shí)回流控制閥（喘震控制閥）在運(yùn)行中對(duì)流量的變化進(jìn)行調(diào)整，其反應(yīng)速度對(duì)壓力的變化也會(huì)有影響，因此也做了校正，同樣效果不佳。說明控制閥的精度不是導(dǎo)致壓力波動(dòng)的主要原因。

在了解控制邏輯和控制方式過程中，發(fā)現(xiàn)控制設(shè)計(jì)單位對(duì)壓縮機(jī)的控制只有防喘震控制，而缺少對(duì)壓縮機(jī)在流量變化流量狀態(tài)下的運(yùn)行控制。同時(shí)觀察燃機(jī)的運(yùn)行工況發(fā)現(xiàn)燃機(jī)帶上載荷后仍然運(yùn)行在壓縮機(jī)可能發(fā)生喘震的區(qū)域，并且升負(fù)荷的過程必定會(huì)經(jīng)過壓縮機(jī)的喘震控制區(qū)域；觀察還發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)的防喘震控制動(dòng)作幅度較大，燃機(jī)運(yùn)行中的耗氣量變化正好遇到喘震控制線時(shí)，往往就發(fā)生大的壓力波動(dòng)，甚至?xí)鴻C(jī)。因此可以確認(rèn)，問題出在壓縮機(jī)的控制過程中。

分析燃機(jī)的運(yùn)行過程，可以看到，燃機(jī)的運(yùn)行過程中，燃?xì)庀牧康淖兓聦?shí)上是非常緩慢的，而我們的控制系統(tǒng)在控制過程中通過壓縮機(jī)入口閥門和回流控制閥，同時(shí)對(duì)增壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成對(duì)系統(tǒng)的超調(diào)，反而增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。兩閥聯(lián)動(dòng)的結(jié)果是放大了調(diào)節(jié)效果，造成運(yùn)行壓力曲線無法收斂。

基于上述的原因分析，在控制設(shè)計(jì)過程中增加了根據(jù)壓力變化速率不同切換二種不同的控制方式，來解決運(yùn)行中壓力波動(dòng)的問題。即在壓力變化比較穩(wěn)定的時(shí)候，解鎖喘震控制模塊，只對(duì)運(yùn)行流量變化造成的壓力變化進(jìn)行控制；而在壓力變化比較大時(shí)，不但進(jìn)行壓力控制，同時(shí)加入防喘震控制，做到既能保證壓力變化的控制又能對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行做適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。最終使壓力波動(dòng)控制在了0.05MPa范圍內(nèi)，基本解決了運(yùn)行中壓力波動(dòng)的問題。

壓力干涉問題如何解決？

從壓縮機(jī)的停機(jī)控制邏輯我們可以看到：離心式壓縮機(jī)停機(jī)信號(hào)發(fā)出，回流控制閥全開，同時(shí)放散閥開啟一段時(shí)間。兩臺(tái)壓縮機(jī)的入口是連通的，回流壓力到達(dá)入口時(shí)就直接導(dǎo)致了入口壓力的升高。那么放散閥此時(shí)為什么沒有作用呢？原來，放散閥由于是一個(gè)氣動(dòng)球閥，開閥的時(shí)間較長(zhǎng)，接近1秒，而回流閥是速開結(jié)構(gòu)的，反應(yīng)速度要比放散閥快，所以，停機(jī)時(shí)放散閥的動(dòng)作跟不上回流壓力的上升，導(dǎo)致了壓縮機(jī)的跳機(jī)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題，壓縮機(jī)入口是一根母管，單臺(tái)壓縮機(jī)的回流壓力升高會(huì)導(dǎo)致兩臺(tái)壓縮機(jī)入口的壓力同時(shí)升高，當(dāng)然，這個(gè)過程的控制可以通過幾種方法來解決：增壓模塊系統(tǒng)流程見下圖。

● 設(shè)置快速開啟閥；

● 提前開啟放散閥；

● 增加緩沖容積；

● 分隔兩臺(tái)壓縮機(jī)的入口管路，使其互不干擾；

當(dāng)然最徹底的解決方法是分隔壓縮機(jī)入口回路。在結(jié)構(gòu)上只需改動(dòng)出口匯管，將兩側(cè)的兩條自力式閥組作為兩條工作回路，對(duì)應(yīng)每一臺(tái)壓縮機(jī)，將中間一路閥組作為任意一條工作回路的備用路，在匯管備用路的兩側(cè)設(shè)置單向閥，避免兩條工作回路間的干擾，同時(shí)備用路又能對(duì)任一工作回路提供熱備用。改造后系統(tǒng)流程圖見下圖。

壓縮機(jī)內(nèi)放散閥連續(xù)多次放散如何解決？

壓縮機(jī)內(nèi)的放散閥是一套氣動(dòng)控制的開關(guān)閥，開啟依據(jù)是系統(tǒng)壓力高于設(shè)定值，關(guān)閉依據(jù)是系統(tǒng)壓力低于了設(shè)定值。但該閥門動(dòng)作速度較慢，同時(shí)開啟后的瀉放氣量卻不小，可以說，超壓氣體在瞬間就能放散完畢，因此，往往會(huì)導(dǎo)致入口壓力超跌（有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄為依據(jù)）。而壓力下跌的速度較快，放散閥還未及時(shí)關(guān)閉，上游的自力式調(diào)節(jié)閥卻已經(jīng)感知了下游系統(tǒng)的壓力超低了，自力式調(diào)節(jié)閥此時(shí)迅速打開，為下游系統(tǒng)迅速補(bǔ)充燃?xì)?，而此時(shí)，放散閥卻已經(jīng)逐漸關(guān)閉了。

放散閥的反復(fù)啟閉，其實(shí)就是放散閥的動(dòng)作速度慢，引起上游自力式閥門誤開造成過度升壓，這樣反復(fù)循環(huán)，才導(dǎo)致了放散閥的反復(fù)動(dòng)作。這里問題的關(guān)鍵是兩個(gè)控制閥之間的干擾，恰巧形成了振蕩。

解決方法是調(diào)整放散閥的開啟設(shè)定值和關(guān)閉設(shè)定值，也就是改變了振蕩頻率以及調(diào)整放散閥的放散口，在閥口設(shè)置一節(jié)流孔板，延遲放散時(shí)間。

西門子公司的SGT5-2000E型燃機(jī)，其預(yù)混模式對(duì)燃機(jī)運(yùn)行效率是有很大提高的，但其對(duì)進(jìn)燃機(jī)的天然氣燃料的壓力要求也比較高，在今后的項(xiàng)目建設(shè)中更要引起重視。在壓縮機(jī)前設(shè)置的壓力穩(wěn)定系統(tǒng)需設(shè)置足夠的緩沖容積或采用單元制的壓力系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定獨(dú)立的控制，避免干擾。在壓力系統(tǒng)中多次遇到控制閥相互干擾，出現(xiàn)控制上的意外的現(xiàn)象，因此，建議對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要在出廠前做充分的邏輯分析，避免到現(xiàn)場(chǎng)解決問題。離心式壓縮機(jī)配合燃機(jī)的運(yùn)行模式也完全不同于活塞式壓縮機(jī)的壓力控制模式，簡(jiǎn)單的套用同樣會(huì)遇到不少問題。分析清楚問題的原因，事先充分重視方案設(shè)計(jì)和充分了解燃機(jī)的運(yùn)行狀況是完全必要的。