陈新宝 曾德成 靖立兵 潘任伟 郁章斌
山东电力建设第三工程有限公司 山东省青岛市 266100
Alstom GT26 Fuel Switchover Analysis and Suggestion for Related System Design Optimization
ChenXinbao JingLibin PanRenwei Yuzhangbin ZengDecheng
摘要 针对Alstom GT26双燃料燃机的燃料切换进行了全面的分析，总结出切换整个过程中出现的问题及注意事项。对于天然气调压站的缓冲系统，燃油前置供油系统，注水供水系统及氮气系统等辅助系统在燃料切换中的作用和要求提出了优化建议，保证燃机燃料切换过程的安全稳定，避免由于辅助系统出现问题造成燃料切换失败或跳机。
关键词：燃气燃机，燃料切换，切换过程，设计压力
Abstract: Fuel switchover process is comprehensively analyzed for Alstom GT26, it summed up the switchover issues during the whole fuel switchover process. Buffer system of gas station, forward oil supply system, water injection system and nitrogen system auxiliary system optimization advice is proposed according to their function in the process of switchover, ensure the safety and stability of GT fuel switchover process and avoid fuel switchover failure or GT trip which is caused by the auxiliary system issues.
Keywords: gas turbine, fuel switchover, switching process, design pressure
1. 引言：燃气联合循环与常规火力发电机组相比，具有自动化程度高、热效率高、排放低、启停速度快、调峰性能好、投资建设周期短、占地面积小等系列优点。常规联合循环机组中通常以天然气作为主燃料，燃油作为备用燃料。机组运行过程中，当天然气供应出现压力低或中断时，可以切换到备用燃料运行，有效保证了机组正常平稳运行不因燃料问题快速丢失负荷，所以保证燃机燃料切换成功及整个切换过程安全稳定非常重要。
2. 燃机燃料切换过程：中东区域某燃气联合循环电站采用的是阿尔斯通 GT26 燃气轮机该型号燃料为天然气，备用燃料为轻质柴油，设计为EV和SEV两级燃烧器，每级燃烧器配置24个燃烧室呈环状布置[1]，在机组运行控制中首先EV燃烧点火，在约18MW负荷时，SEV燃烧器点火，在燃气中断时不需要停机，采用了在线燃料切换操作功能，燃料切换按负荷可以分为单EV燃烧室切换和高负荷切换；按照燃料可以分为燃气向燃油切换和燃油向燃气切换，整个切换过程为全自动，具体切换工况如下[2]：
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切换过程中的具体步序中的要求：
（1）燃气切燃油启动注水泵后注水系统缓冲罐冲压至约125Bar。
（2）燃气切燃油中燃油管线注油前，EV和SEV注水管线同时开始注水并且流量减低至0.6KG/S，此过程中TAT1和TAT2会有波动，一般在10K左右，但是不应在5S内变化超过20K。
（3）燃气切燃油过程中EV燃油注油后期关断阀打开后EV的燃油和注水压力是相等的，燃油以0.5KG/s的流量注入扇形区管道，燃烧器管道及燃烧枪中，此过程燃油点火将被检测到，保持20S时间后开始EV ST2 燃气切燃油，此过程中EV的注水流量根据EV的Omega-Beta调整，ST2燃气完全关闭后ST2 开始氮气吹扫。随后是EV ST1切换，完成后开始氮气吹扫，EV燃料切换过程中TAT1变化不应超过20K在5S内。
（4）在EV N2吹扫过程中会N2吹扫动态补偿过程，当N2进入EV ST2或ST1燃气分配管道中开始吹扫剩余天然气将其吹入EV燃烧室是会引起燃烧扰动，N2吹扫动态补偿将通过EV燃油流量偏置控制减少这种扰动。主要过程是在EV Beta变成0之前1S EV吹扫指令开始，是由于N2调阀有1S的延迟时间。吹扫指令开始0.8S后，N2吹扫动态修正EV 燃油流量指令，流量是先减小，燃油随着天然气环管中燃气逐渐被N2替代燃油流量会增加，整个过程确保TAT1变化不用超过20K在5S之内，具体变化见下图：
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EV ST1 N2吹扫动态补偿曲线
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EV ST2 N2吹扫动态补偿曲线
（5）燃气切燃油SEV燃油管线注油过程后期会检测到燃油点火，保持20S后，开始燃气和燃油的切换，燃气切换结束后开始空气吹扫，TAT2变化不超过20K在5S内。
（6）SEV空气吹扫动态补偿，当压缩空气进入SEV燃气分配管道中开始吹扫剩余天然气将其吹入SEV燃烧室是会引起燃烧扰动，SEV吹扫动态补偿将通过SEV燃油流量偏置控制减少这种扰动。主要过程是在EV Beta变成0之前1S EV ST1吹扫指令开始由于N2调阀有1S的延迟时间。在SEV天然气关闭阀门关闭后空气吹扫指令直接被触发，空气吹扫动态修正SEV 燃油流量指令在空气吹扫指令触发后立即被触发开始修正，但空气阀门组行程动作时间约5S，空气吹扫会滞后于动态补偿，SEV燃油流量剧烈减小，燃油随着天然气环管中燃气逐渐被空气替代燃油流量会增加。整个过程确保TAT2变化不用超过20K在5S之内。
总之，在燃料切换过程中，SEV进行燃料切换时，燃机总是保持在EV燃油运行工况，如下图红色箭头所示：
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机组正常燃料定期燃气切换燃油过程中燃料各项参数变换如下：
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3. 机组燃料切换试验辅助系统问题及优化建议
根据设计要求，在燃气供应不稳定时或恢复正常后，燃机可以完成燃气与燃油的相互切换，并且当地电网要求，除燃机单循环燃料切换外，还需要演示全场或者block 燃料切换，根据项目特点及电网调度要求，项目进行Block依次切换，验证切换程序及Buffer 容量是否满足四台燃机同时切换完成。Block 切换需要从燃气切换至燃油，燃油满负荷稳定运行15分钟，后从燃油切回至燃气满负荷运行15分钟。
（1）燃料切换试验过程问题：
在进行Block首次燃料切换试验时，手动拍ESD阀关闭按钮后，两台燃机同时进入燃料切换模式，但因Buffer出口阀00EKD10AA201/00EKD20AA201/ 00EKD30AA201）开较慢，供气压力及流量不足导致燃机侧天然气控制阀开度指令过大（>90%），触发燃机PLST，试验失败。经分析切换逻辑设未考虑三路调压门开关速度是否满足切换瞬间（ESD阀门关闭后）的天然气压力和流量需求。
根据调压阀流量特性，在ESD阀门关闭后燃机燃料切换发送指令请求时，同时发信号给三路调压门一个前置快开，单个BLOCK切换时为15%，避免阀门响应迟缓影响出口压力及流量。
（2）供油及注水系统问题及总结
在单个Block机组燃料切换时，前置燃油及注水系统设计流量及压力不稳定，极易造成燃机燃油泵和注水泵入口压力过低（小于1bar）或过高（大于10bar）而触发跳机。
前置供油泵出口压力一般维持在7.5bar左右，由于燃机燃油泵入口压力高于10Bar，低于1bar，都会跳泵跳机。在燃机燃油启动过程中，燃油泵启动瞬间，会使入口压力拉低至1bar，导致跳泵跳机。启动试验过程中，能够成功避过燃机燃油泵启动时压力低的风险，但是在EV 和 SEV做阀门试验过程中，由于EV和SEV控制阀瞬间关闭，导致入口压力瞬间升至10bar以上，跳泵跳机。
建议：设计重新计算合适尺寸的再循环节流孔板，增加缓冲装置（例如缓冲罐等），缓冲流量及压力波动。
化学侧注水泵压力控制，由于燃机注水泵入口压力高于10Bar，低于1bar，都会跳泵跳机。化水侧注水泵出口压力一般维持在9.5bar，注水泵是母管制然后分支去四台燃机，由于没有合适的机械调压阀门，如果两台化学侧注水泵运行，就会导致跳泵跳机。对做Block燃料切换影响较大。由于全场注水供水属于母管供水，两台燃机运行时燃机注水泵入口压力降至2bar左右，注水系统的用户还包括高压雾化系统以及蒸发冷却器补水，都会影响注水压力，很容易造成压力波动，小于1bar触发跳机。
建议：按照设计更换合适的机械调压阀。
（3）燃油供应泵和化学注水泵在燃机满负荷运行时，压力较低，贴近报警值运行。燃机燃油满运行时，燃机侧注水泵和燃油泵入口压力一般维持在2-3bar左右，而低于2bar就是触发报警。当燃机在满负荷运行时，燃油泵入口压力降至3bar左右，接近跳机值1bar，如果调门波动，滤网堵塞或滤网切换等情况会造成压力波动小于1bar极易引发跳机。
建议：燃油供油泵增大压力及流量，并在燃油供油系统，增压稳压阀门或者蓄能器，保证燃机在满负荷运行工况下燃油泵压力在5bar左右。
每台燃机注水泵设计单独管线及再循环控制，并增压稳压阀门保证燃机满负荷工况下燃机注水泵入口压力在5bar左右。其他除盐水用户设计单独的供水泵供水。
（4）Buffer储气站容量问题，本项目为保证在燃气中断或增压机设备停运的情况下，能够满足燃机正常切换至备用燃料，设计了Buffer站，满足燃机燃料切换需求[3]，其中Buffer站天然气罐共102个每个体积10m3，总体积：10m3×102=1020m3。
根据阿伏伽德罗定律pV=nRT=mRT/M，可得整个Buffer站燃气总质量：
m=PVM/RT，
T：天然气正常温度为30℃，
M：天然气相比空气密度为0.688，空气分子量29，得天然气19.952 P：buffer储气罐充满后压力为75Bar，
V：Buffer储气罐总体积1020m3
可得总质量m=60.56T，每1bar压降天然气质量是0.807T，Buffer区域设计有三路调节门起到调压供气作用，开启的最小压力设定在44.5Bar，所以Buffer区域可用的天然气总质量为：(75-44.5)×0.807=24.6T。
根据燃机特性在95%额定负荷下由燃气切至燃油所需的天然气为6.07T,所以本项目中四台燃机完成切换所用的燃气总量是24.28T，设计余量较小，建议适量增加Buffer储气罐，完全满足燃气切换的要求。
4．结论
本工程Alstom-GT26 二拖一燃气- 蒸汽联合循环机组燃机在线燃料切换和燃料切换缓冲系统，可以有效防止机组快速甩负荷，保证机组及电网平稳安全运行。通过分析燃料切换过程，在切换试验过程中遇到的问题以及相关外围辅助系统的运行特点，指出了切换过程中必须注意的事项，提出了相应的优化建议，保证了机组燃料切换过程的稳定及成功。
参考文献：
[1] GT26 Gas Turbine - Thermal Block-HTCT692257V0022
[2] Commissioning Specification for GT26 Fuel Switchover -HTCT613348
[3]许红，燃气- 蒸汽联合循环燃料切换缓冲系统设计计算方法 山东工业技术2016.02.040
姓名：陈新宝 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司，职务：工程师
姓名：曾德成 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：苏赫项目调试经理
姓名：靖立兵 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：高级工程师
姓名：潘任伟 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：苏赫项目部总工
姓名：郁章斌 工作单位：山东电力建设第三工程有限公司 职务：调试 工程师