唐浩笳
青岛华丰伟业电力科技工程有限公司，山东青岛， 266100
Introduction to SGT6-5000F fuel system and problems in commissioning
Tang Haojia
摘要：Siemens SGT6-5000F燃气轮机燃烧系统的燃料来源主要是天然气和2号馏出油。燃烧系统中燃气和燃油系统之间的切换和燃油系统的辅助系统进行简单介绍，并对燃油系统的冷态调试和热态调试过程中出现的一些问题进行探讨。
关键词：燃油系统；燃料切换；燃烧器；ULN系统
Abstract: The fuel source of Siemens SGT6-5000F gas turbine combustion system is mainly natural gas and No. 2 distillate oil. The changeover between the gas and fuel system in the combustion system and the auxiliary system of the fuel system are briefly introduced, and some problems in the cold and hot commissioning of the fuel system are discussed.
Key words: fuel oil system; fuel changeover; burner;ULN system
0 引言
西门子 SGT6-5000F 燃气轮机燃烧器为 ULN 双燃料燃烧器，燃油作为备用燃料。对燃烧系统的基本组成结构和辅助系统以及燃料切换和燃油系统在进行冷态调试和热态调试过程中出现的一些问题进行简单介绍。
1燃烧系统及辅助系统
1.1燃烧器的基本组成结构简介
SGT6-5000F燃机燃烧系统每个燃烧器的燃气系统主要包括A、B、C、D、P stage五级燃料节流阀和喷嘴。燃油作为备用燃料，燃油系统主要有A、B、P stage三级燃料节流阀和喷嘴。燃烧器主要为燃烧器导流衬套、燃烧器和过渡段组成如图一。
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1.2燃油运行工况下的辅助系统
1.2.1注水及高负荷清吹系统
当使用燃油运行时，为了防止残余燃料焦化而阻塞燃油流动，双燃料燃烧器需要在燃烧区注水，以进一步减少氮氧化物的排放，并快速清空燃烧筒内的燃油流动通道。在燃料转换过程中，在各级启动燃油液流前，应为各级进行短暂的水冲洗，以冷却燃油通道，防止喷嘴焦化。
高负荷燃料转换清洗系统在燃气轮机负荷大于20%时，燃气至燃油的燃料转换期间用于清洗A、B、C和D级气体歧管。加压空气用于排出气体歧管内的所有残留燃气。此外，该系统用于在燃气轮机负荷>50%的情况下，在从燃油向燃气转换之前冷却A、B、C和D级燃气歧管。高负荷燃料转换清洗系统与燃气系统的接口位于4个位置，即A、B、C和D级处。接口连接件位于节流阀下游和歧管上游。
1.2.2液体燃料节流阀
液体燃料节流阀（如图二）控制到达燃气轮机燃烧系统各个阶段的液体燃料的流量。独特的设计将阀门和执行器集成为经济高效的紧凑型组件。使阀门的设计提供较准确的流量-行程特性。一体式执行器是单作用弹簧加载设计，一旦失去电或液压信号，便会迅速关闭阀门。机载液压过滤器被设计到歧管中以增加伺服阀和执行器的可靠性。伺服阀采用电气冗余的双线圈设计。直流供电的LVDT（DCDT）为执行器提供反馈。
液体燃料旁通控制阀控制燃气轮机燃烧系统的燃油系统压力。独特的设计将阀，执行器和气蚀控制调节器集成到了经济高效的紧凑型组件中。该阀设计为从正排量泵的排出侧旁通燃油，以控制系统压力。积分调节器可使阀门在低出口压力和高差压的情况下运行，而不会损坏气穴。该阀使用与其他液体阀相同的集成执行器设计，但具有常开阀配置。
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1.2.3启停机清洗系统
SGT6-5000F燃机所用引燃喷嘴，其燃气与燃油孔的位置相互靠近。由于相互靠近，当燃气轮机使用燃油运转时，燃油、烟灰或冲洗水有可能会逆流进入喷嘴的燃气孔内。结合此区域的高温，这种情况可能造成焦化，或者逐渐在燃气孔内部或上方积聚，造成气流阻塞。为了防止这种情况发生，在燃气轮机使用燃油运行时，会始终使用清洗空气在引燃喷嘴前端清洗燃气孔。
当燃气轮机使用燃油运行在转速超过2150 RPM的情况下，清洗空气在连续清洗空气系统由燃机的压气机排气供给。在燃机转速低于2150 RPM时，燃机的压气机无法产生足够的出口压力来确保充分的气流穿过燃气引燃喷嘴。在转速低于2150 RPM的燃机加速或减速阶段，由启动和停机空气清洗系统维持所需流量。
为了保持正向的足够流量，当燃机速度在2150 RPM以下时，空气会提供至引燃气体歧管导管，从中分配至各引燃喷嘴的燃气侧。
1.3燃烧模式和燃料吹扫
1.3.1燃烧模式
SGT6-5000F燃机燃烧器从点火开始由值班火焰 P stage和 A stage承担加速需要的燃料量，转速在3600RPM时 D stage投入运行，在25%负荷以下 A stage、P stage和 D stage节流阀投入运行保证燃机低负荷运行时的稳定性和控制低CO排放量。燃机负荷逐渐增大到25%负荷以后，B stage节流阀开始投入并与 A stage节流阀一起逐渐增加燃料量，扩散燃烧 P stage节流阀开始逐渐减小以减少NOX排放量。燃机负荷达到45%负荷以上时 C stage节流阀开始投入，增强了预混燃烧，增强了燃烧的稳定性。燃机负荷超过80%负荷，燃烧主要为 A 阶段和 B 阶段两级主燃料阀供应，P 阶段和 D 阶段仅仅在火焰中心提供值班稳燃火焰以及将流量限制在最小范围内。既保证了稳定的火焰强度，又保证了最低的NOx排放量，每当负荷出现波动或者燃烧出现脉动时，P stage将开大保证整个燃烧稳定。在使用燃油运行控制方式也类似，但在高负荷情况下，将引入注水降低NOx的排放，可以达到燃气70%左右的效果。燃气模式启动下各个阶段的需求情况如图三。
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1.3.2燃料吹扫
机组进入清吹程序，同时开始60秒清吹计时（或者时间更长，主要取决于是联合循环还是单循环，还有锅炉容积问题）。清吹的目的是为了在机组点火前，使机组在一定的转速下，利用压气机出口空气对机组进行一定时间的冷却，将可能漏进机组热通道中的燃气或因积油产生的油雾吹掉，避免爆燃。
2燃料转换模式
2.1燃气转换燃油模式
当命令从燃气转换为燃油时，控制系统首先启动一个许可检查，检查发动机是否在适合燃料转换的负荷范围内运行。然后，启动供水系统，并准备为转换过程提供支持。然后再启用燃油系统和相关的辅助系统。如果任何上述顺序中的三个条件未满足，或者如果燃油系统的启动许可未满足，将中止转换。一旦所有的许可条件均满足时，控制系统按照以下的顺序将燃烧室阶段从气体燃气转换为燃油：燃气A、B阶段同时进行转换为燃油A、B阶段，随后燃气C阶段负荷转移到燃油A、B阶段，然后燃气D阶段部分转换为燃油试验阶段，最后，燃气试验阶段部分添加至燃油试验阶段。在接收燃油前，每个阶段均需经过短暂的清水预净化处理。以P 阶段为例如图四。
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2.2燃油转换燃气模式
控制系统在各阶段用于实施从燃油到燃气的转换的逻辑关系与用于从燃气转换为燃油的逻辑关系类似，只是顺序相反。在完成转换后，立即对各燃油阶段进行清水冲洗处理，并关闭该阶段，以便减少从残余的燃油中产生焦炭。以P 阶段为例如图五。
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2.3燃油启动模式
当油系统被启动，汽轮机的速度达到 400 RPM 时有必要启动燃油推进泵。一旦燃油推进泵启动，必须获得足够的主燃料泵抽吸压力，以允许主燃油泵启动。主燃料泵运行后，如果排气压力较低，点火时序被阻断，并产生警报。
在点火过程中，隔离阀和 OST 阀打开，排水阀关闭。分流马达通电几秒钟，以确保燃油流动能够维持分流器转动。四个阀门控制流经发动机的燃油流量;每个阶段（P阶段、A 阶段、B 阶段）的节流阀控制燃油流量，油泵排出阀控制泵的出口压力。点火后，油流通过打开先导阀和增加 PDP 压力得以增加。与燃气操作一样，通过开环坡道以及大约 40%的的闭环速度实现初始加速。装置在加速时，A 阶段阀被打开，并且该装置被引到同步速度。燃油满负荷运行时的参数如图六。
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3 调试过程中存在的问题及处理
3.1 点火失败
在假点火流量实验完成以后，燃油启动多次均出现点火失败问题，拆除点火枪发现点火枪存在油水混合物，将点火枪进行甩干后，点火枪工作正常，将点火枪回装后，仍存在腔室内温度无温升情况，多次修改点火流量依然没有点火成功。
通过拆除燃机#10号燃烧器逆止阀，对 P 阶段 Tube 管进行取样，发现在7 Bar 的压力下，2 分钟之后 tube 管才是油，之前排出来的都是水或者是油水混合物，针对这一情况，西门子优化了点火枪投入时间，在燃油启动时，点火枪延时5S 发送指令，火检探头监测火焰时间由最初始的 45S，延时到 70S。修改了点火的时机，延长了检验的时间，在逻辑没有修改以前燃油启动基本没有成功，修改以后燃机基本都成功点火。
3.2点火后分散度大
机组燃油启动，当转速高于1000 转时，同时叶片温度分散度大于 140 度触发跳闸保护，在燃油启动燃机点火成功后存在分散度大启动失败。
在确认所有燃烧器喷嘴流量一致的情况下，西门子优化了启动的燃料分配系数，将点火时的流量增大，由之前的 0.68kg/s 增加到 0.87kg/s,在点火成功后，燃机切换成转速控制模式，将转速对应的函数值进行调整，修改地方如图七。在stage A 阶段投入后也出现了分散度大的问题，经过试验和检查，发现 tube 管里面燃油和水的流量分配不均，在 1500RPM stage A 投入时，延迟 stage P 阀门开度的减小，稳定火焰。经过修改后分散度有较明显的下降。
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3.3燃机排污段燃油和水泄漏
每次燃机启动失败或者使用燃油停机后都会进行水冲洗，防止残油在喷嘴处高温结焦，在燃机调试期间多次启动失败，大量的残油和水被排出，在燃机排气段的离线水洗排污管道附近出现水和残油溢出到保温棉内。
西门子调试工程师在检查后没有给出明确回复，现场更换了部分污染的保温棉，检查水洗排污管道内全部是黑色颗粒状的焦油，有部分堵塞。分析原因是多次点火时每次点火都是不充分燃烧，有大量焦油产生。堵住了排污管道，并且燃机排气段金属是冷态有缝隙，造成部分泄漏，这是西门子设备的设计缺陷，需要运行和调试人员注意，启动和停止阶段检查保温棉，改变运行方式，燃油启动时和停机后要打开离线水洗的排污门，及时排除残油，否则量残油进入保温棉后启动燃机有火灾风险。
3.4 燃烧器部分喷嘴结焦
燃油系统有 stage A,B and P 三个阶段，点火是使用 stage P阶段，1500 RPM投入 stage A，并网后 20%负荷投入 stage B，调试时两次在20%负荷时投入stage B 时由于投入分散度大跳机。
随后拆开#13-#16 燃烧器 stage B 的对喷嘴进行流量实验，发现#14的流量偏低，#15完全没有流量，初步认为喷嘴已经结焦如图八，需要更换#14，#15 燃烧器。燃烧器更换以后，解决分散度大问题。分析原因可能是由于前期调试期间 stage B 的控制阀出现的一次泄漏，造成部分管道积攒了残油。
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3.5 燃油进入燃气系统
在准备进行燃料切换实验前，使用燃气系统启动燃机，由于分散度大启动失败后，西门子优化了启动的燃料分配系数，后续几次依然启动失败。
对燃烧器和天然气管路检查发现，底部的几个燃烧器#5－#10 的 stage A 阶段管道中有大量的黑色废油和水的混合物如图九。经过西门子现场调试工程师汇报给西门子工程部，认为一个或者多个燃烧器内部燃油管路破裂，导致燃油泄漏到燃气管道中，倒流到燃料环管，运行时的高温导致部分碳化。现场试验证明，对燃油管道注水燃气 stage A 阶段的#9，#8,#10 的法兰接口有水流出。根据西门子要求更换#6，#8，#9，#10 燃烧器。
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对燃烧器进行第二次流量试验，确定喷嘴流量是否满足要求。增加燃气管路泄漏实验，要求拆除所有的燃气管线法兰，对各阶段的燃油管线进行喷水，检查是否有水从燃气管路中流出，提前找出有泄漏的燃烧器。更改燃机的各项参数。
4 结语
为了减少在调试过程中出现类似的问题，从而增加燃机燃油系统调试的进度，有效提高和优化燃油系统的安全可靠性。对燃油的辅助系统以及在调试过程中遇到的一些问题进行简单介绍，为后续机组燃油调试工作顺利开展提供一些相应的经验。
【参考文献】
［1］运维项目部 联合循环电站燃机运行规程 2016
［2］西门子燃机 西门子燃机SGT6-5000F运行维护手册 2015
［3］王永果 西门子燃机超低氮ULN燃烧器特点 2019
［4］杨顺虎 燃气―蒸汽联合循环发电设备及运行 2013
【作者简介】
唐浩笳，男，青岛华丰伟业电力科技工程有限公司，燃机-蒸汽联合循环运行主值