F級燃氣輪機系統(tǒng)配置對比

周屹民

(杭州華電下沙熱電有限公司，杭州 310018)

1 F級燃氣輪機的發(fā)展概況

隨著節(jié)能環(huán)保理念進一步深化，高效率﹑低排放的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組逐漸成為電力行業(yè)的主要選項。在世界范圍內(nèi),生產(chǎn)重型燃氣輪機的廠家很多，具有代表現(xiàn)代技術(shù)流派的廠家主要有美國通用電氣(GE)公司、德國西門子公司和日本三菱公司。

GE公司在F級燃氣輪機開發(fā)過程中投入了大量資金，主要是將飛機發(fā)動機的先進技術(shù)和部件移植到工業(yè)和發(fā)電用的燃氣輪機上，從而使其性能大幅提高。例如，由于應用了飛機發(fā)動機的先進冷卻技術(shù)和材料，使燃氣透平的進氣溫度提高了167 ℃，使PG9351FA機組的燃氣初溫達到1 318 ℃。該機組是當今世界F級先進燃氣輪機的主要代表性機組。

1996年，GE公司又推出新的9FA機組，把原來的工況點壓比提高到15.4，單機功率相應增加到255 MW。在這一時期，按?；瘻蕜t，相應產(chǎn)生了7FA和6FA機組。截至2003年4月，GE公司已經(jīng)生產(chǎn)了300余臺F級燃氣輪機發(fā)電機，擁有超過470萬h的運行經(jīng)驗。

2004年，為了配合西氣東送工程，國家打捆招標了一批9F級燃氣輪機，其中多為GE公司的PG9351FA機組。2011年，浙江省由于缺電，搶建了一批燃氣輪機電廠，其中包括部分6F級機組(PG6111FA)。

2 系統(tǒng)配置對比

2.1 參數(shù)對比

6F級和9F級燃氣輪機各種技術(shù)參數(shù)比較見表1。

表1 各種技術(shù)參數(shù)

F級燃氣輪機均采用“冷端輸出”，即發(fā)電機布置在壓氣機側(cè)。其中，6F級壓氣機轉(zhuǎn)速高達5 232 r/min,通過減速齒輪箱將轉(zhuǎn)速降低到3 000 r/min并帶動發(fā)電機工作，以滿足國內(nèi)電網(wǎng)頻率50 Hz的要求。如此高的壓氣機轉(zhuǎn)速是為了保持一定的圓周速度，使其處在最佳值。

9F級燃氣輪機壓氣機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，典型的9F級燃氣輪機采用單軸布置，即燃氣輪機與蒸汽輪機布置在同一根軸上，啟動燃氣輪機的同時帶動蒸汽輪機一起轉(zhuǎn)動，因此，需要配備輔助蒸汽對蒸汽輪機進行冷卻，以防止鼓風摩擦損失。由于該機軸系較長，安裝難度增大，運行中容易引起機組振動。

2.2 啟動方式

F級燃機摒棄了原來的啟動馬達，采用了靜態(tài)變頻(SFC)啟動方式。它是一種專門用來把同步發(fā)電機作為電動機運行使之啟動的一種大型變頻裝置。靜態(tài)啟動系統(tǒng)將恒定電壓和恒定頻率的三相交流電源變?yōu)榭勺冸妷汉涂勺冾l率的交流電源。將這一電能輸給發(fā)電機定子繞組，就可以讓發(fā)電機在同步狀態(tài)下逐漸升速。SFC采用的冷卻方式不同，其中9F級燃氣輪機的系統(tǒng)采用閉式冷卻水進行冷卻，6F級燃氣輪機采用通風風機進行冷卻。

2.3 CO2火災保護系統(tǒng)

F級燃氣輪機均配備了CO2火災保護系統(tǒng)，在燃氣輪機間、#2軸承隧道和發(fā)電機間里面布置了熱感式火災探測器。當各艙室的溫度達到火災溫度時，由它們發(fā)出發(fā)生火災信號，任何一個探測器動作均會發(fā)出“X區(qū)域火災預報警”信號。當區(qū)域中A，B探測器都動作時，則發(fā)出“X區(qū)域火災報警”信號，相應區(qū)域CO2釋放，同時，燃氣輪機停機，各風機停運，擋板關(guān)閉，氣動喇叭發(fā)出報警聲音。

9F級燃氣輪機配備了儲罐，儲罐上有制冷壓縮機，以維持CO2存儲壓力為2.0～2.1 MPa。6F級燃氣輪機則采用了高壓CO2氣瓶，用來儲存滅火用的CO2，鋼瓶分為先行氣瓶和后續(xù)氣瓶2種。2組氣瓶的放氣母管之間裝有壓力差動單向閥門，先行氣瓶通過先行放氣系統(tǒng)管路和噴嘴向倉室迅速排放CO2氣體，以達到滅火之目的。后續(xù)氣瓶通過后續(xù)放氣管路和噴嘴向倉室以較慢的速度排放CO2氣體，使倉室內(nèi)CO2氣體保持在滅火的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，時間為20～60 min，以防止復燃。CO2氣瓶具有質(zhì)量自檢功能，當氣瓶質(zhì)量減小且低于規(guī)定值時，自稱重機構(gòu)動作，發(fā)出報警信息。

2.4 防喘放氣閥

為了防止壓氣機喘振，燃氣輪機均設置了防喘放氣閥。F級燃氣輪機從壓氣機9級和13級各抽了1路氣，作為防喘放氣氣源，同時冷卻第2級和第3級噴嘴和護環(huán)。防喘放氣閥共4個，左右對稱布置，通過電磁閥20CB來驅(qū)動防喘放氣閥。

9F級燃氣輪機的防喘放氣管道布置在透平間上部，設置4個防喘放氣閥隔離閥。在水洗隔離的時候需要爬上去隔離，操作起來較為不便。6F級燃氣輪機的防喘放氣管道布置在透平間下部，未設置隔離閥，水洗時不用隔離。僅在每條防喘放氣管道上設置了底部排污閥，可在水洗時打開，防止管道內(nèi)積水。

9F燃氣輪機的防喘放氣閥由壓氣機排氣提供操作氣源，在燃氣輪機并網(wǎng)以后關(guān)閉防喘放氣閥，并網(wǎng)后如果防喘放氣閥未關(guān)閉，會使燃氣輪機跳閘。因此，現(xiàn)在運行的9F級燃氣輪機都對操作氣源進行了改造，用廠內(nèi)儀用氣作為操作氣源。在燃氣輪機滿足啟動條件后，點擊“START”按鈕，儀用氣會驅(qū)動防喘放氣隔離閥進行閥門的關(guān)閉試驗，試驗合格后，燃氣輪機繼續(xù)啟動過程，若不滿足則啟動停止。這樣做的好處是防止在燃氣輪機并網(wǎng)以后才發(fā)現(xiàn)閥門關(guān)不上而引起機組跳閘。機組跳閘的危害有：一方面影響燃氣輪機壽命；另一方面是并網(wǎng)后跳閘會使電網(wǎng)調(diào)度對電廠進行考核。6F級燃氣輪機在系統(tǒng)設計時就采用了儀用空氣作為操作氣源，在啟動初期，機組也會做防喘放氣閥的關(guān)閉試驗。

2.5 油系統(tǒng)

燃氣輪機的油系統(tǒng)主要包括潤滑油﹑液壓油﹑跳閘油﹑頂軸油及密封油。9F級燃氣輪機的潤滑油箱和液壓油箱是分開的，并且油箱上部及周邊未進行封閉。由于9F級燃氣輪機采用氫氣冷卻，所以還有密封油系統(tǒng)。潤滑油系統(tǒng)主要由2臺交流潤滑油泵、1臺直流潤滑油泵和1臺直流密封油泵組成，正常運行時1臺交流油泵工作，向系統(tǒng)提供合格油壓的潤滑油及密封油，當潤滑油油壓低時，啟動備用潤滑油泵，在密封油壓差低時，啟動直流密封油泵以維持正常的密封油差壓。直流潤滑油泵僅在交流潤滑油泵故障時啟動，以提供停機時的潤滑油。潤滑油系統(tǒng)上還設有2臺頂軸油泵，在燃氣輪機停機時,頂軸油泵在降速至1 500 r/min時啟動，向燃氣輪機軸承提供頂軸油，在啟動過程中，頂軸油泵在升速至1 500 r/min時停止供油。

6F級燃氣輪機只有1個油箱，油箱上部及周邊進行全封閉，邊上是天然氣閥間，故稱為油氣模塊，在油箱間及天然氣閥間均配備有獨立的通風風機進行通風冷卻。6F級燃氣輪機發(fā)電機由于采用空氣冷卻，所以沒有密封油系統(tǒng)，由于軸系較短也沒有配備頂軸油系統(tǒng)。6F級燃氣輪機油系統(tǒng)配備2臺交流滑油泵、2臺液壓油泵和1臺直流油泵。在正常運行時，由1臺交流油泵提供潤滑油，油壓低時啟動備用交流油泵，直流油泵僅提供停機時的潤滑油。

由于9F級燃氣輪機是單軸布置，蒸汽輪機與燃氣輪機共用1個潤滑油箱，為防止軸封氣漏入潤滑油箱，配備了潤滑油自潔系統(tǒng)，由循環(huán)泵﹑過濾器及加熱器組成。潤滑油經(jīng)循環(huán)泵增壓，流過加熱器進入調(diào)節(jié)器的凝聚過濾器以及分離組件，能分離出5 μm的小水滴。

9F級燃氣輪機的液壓油及跳閘油系統(tǒng)由單獨的液壓油模塊組成，包含2臺液壓油泵及蓄能器等組件，正常運行時液壓油泵1用1備。6F級燃氣輪機的液壓油及跳閘油系統(tǒng)均取自潤滑油母管，液壓油經(jīng)液壓油泵升壓，也是2臺液壓油泵，1用1備。

2.6 燃燒器

F級燃氣輪機均配備了低氮干式(DLN)燃燒器，其中9F級燃氣輪機有18個火焰筒，采用DLN2.0+燃燒器；6F級燃氣輪機有6個火焰筒，采用DLN-2.6燃燒器。

在PG6111FA機組上，DLN-2.6燃燒系統(tǒng)的燃氣控制模塊安裝在潤滑油模塊的基板上。該系統(tǒng)主要組成部分有速比閥(SRV)，根據(jù)燃氣輪機轉(zhuǎn)速的實際情況，6F級燃氣輪機燃燒器主要用來調(diào)整燃氣壓力及遮斷燃氣輪機氣體燃料供應；設置一組調(diào)節(jié)閥(GCV-1，GCV-2，GCV-3 ，GCV-4)，主要用來調(diào)整不同燃氣母管和燃燒噴嘴的天然氣流量。

其系統(tǒng)介質(zhì)流程為：天然氣經(jīng)過濾器至SRV后分成PM1， PM2，PM3和QUAT 4個母管，通過VGC-1～VGC-4控制調(diào)節(jié)閥分別接至燃燒室附近的4個環(huán)管，從各環(huán)管上引出6路支管，分別與6個燃燒室噴嘴上的通道相連，與壓氣機排氣預混后進入燃燒室燃燒。DLN-2.6的燃料控制系統(tǒng)取消了二次燃氣、三次燃氣的分配閥，采用全預混的燃燒模式，DLN-2.6系統(tǒng)的燃料控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DLN-2.6系統(tǒng)的燃料控制系統(tǒng)

DLN-2.0+燃燒室噴嘴布置如圖2所示，每個噴嘴分別有一條預混燃燒通道和一條擴散燃燒通道，1個PM1和4個PM4為預混燃燒通道，5個D5為擴散燃燒通道。DLN-2.0+燃燒室把PM1布置在燃燒室的周邊位置。在機組低負荷階段(小于50％額定負荷)PM1噴嘴始終投入，特別是在0～10％額定負荷時，PM4噴嘴不投入運行，導致整個燃燒室溫度場不均勻，產(chǎn)生局部熱應力，影響火焰筒的壽命。在PG9351FA機組的實際運行中，火焰筒在臨近PM1噴嘴的區(qū)域產(chǎn)生了鼓包現(xiàn)象。DLN-2.6燃燒室把PM1噴嘴移至中央位置，解決了火焰筒受熱不均勻的問題，避免了火焰筒產(chǎn)生鼓包，延長了火焰筒的壽命。

DLN-2.6燃燒系統(tǒng)除了在燃燃室噴嘴布置上得到改進以外，還采用了全預混燃燒模式。DLN-2.0+燃燃系統(tǒng)在機組達到50％額定負荷才進入預混燃燒模式。DLN-2.0+燃燒室的每個噴嘴都設置了擴散通道和預混通道。采用全預混燃燒模式后，燃燒室去掉了擴散通道，僅保留預混通道，簡化了燃燒室結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)控制上來看，原來DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)每個噴嘴的燃料量由2個控制閥來共同調(diào)節(jié)，而DLN-2.6每個噴嘴由單一的控制閥調(diào)節(jié)，噴嘴控制方式得到了簡化。

圖2 DLN-2.0+燃燒室噴嘴布置圖

從機組污染物產(chǎn)生量方面看，DLN-2.6明顯優(yōu)于DLN-2.0。DLN-2.0燃燒系統(tǒng)從先導預混燃燒模式向預混燃燒模式切換前，在煙囪可以明顯看到有棕黃色的煙氣排出，說明該階段排放的NOx質(zhì)量濃度相當高，而DLN-2.6燃燒系統(tǒng)在各個模式切換過程中均未發(fā)現(xiàn)煙囪冒棕黃色煙氣的現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

6F級燃氣輪機在國內(nèi)投運的還比較少，目前正在運行的僅有新疆克拉瑪依1套機組，浙江預計有多套6F級燃氣輪機投產(chǎn)，因此，本文對6F級和9F級的燃氣輪機的不同之處的分析比較，希望能對即將上馬的6F級燃氣輪機電廠運行有一定的幫助。

參考文獻：

[1]樓華棟，陳小波，毛志偉.GE燃機DLN-2.6燃燒系統(tǒng)淺析[J].浙江電力，2011(12):70-73.

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