SGT5-2000E燃機天然氣燃料系統調試中遇到的問題分析和解決方法

文 謝衛華

SGT5-2000E燃機天然氣燃料系統調試中遇到的問題分析和解決方法

文 謝衛華

輸入燃氣輪機燃燒的天然氣燃料的壓力穩定對燃氣輪機的穩定運行非常重要，天然氣的壓力波動必須控制在燃氣輪機許可的范圍之內，因此對燃氣輪機的天然氣供氣系統的壓力穩定性要求十分苛刻，國內燃機電站大部分用的是減壓系統，技術非常成熟，但是對增壓站系統，尚在探索和實踐中，會出現一些意想不到的問題，如何分析和解決這些問題對未來的增壓系統燃機電站有著切實的指導意義。SGT5-2000E燃機天然氣供氣系統中配置離心式增壓機在調試過程中遇到了壓力波動導致燃機不能穩定運行甚至跳機的問題，如何解決呢？

孟加拉燃氣輪機發電廠，采用了二套西門子公司的SGT5-2000E型燃氣輪機，天然氣燃料由高壓管線提供。由于廠區選址在孟加拉城市地區，天然氣輸送距離較遠，廠區的天然氣壓力150psig不能滿足SGT5-2000E燃氣輪機的進氣壓力要求，故設置了一套增壓站系統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調試中遇到的問題分析和解決方法。

什么是增壓站系統？

增壓站內主要設置有全廠燃料氣的火災緊急隔斷閥、計量模塊、過濾分離模塊、壓力控制模塊以及溫控設備等，系統流程見圖1。其中，燃機供氣模塊由二部分組成，其中一部分為自力式調壓模塊，僅僅在上游壓力高于燃機運行壓力時起到穩定壓力作用；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節閥組組成，為下游二臺離心式壓縮機提供穩定的入口壓力，將上游150psig的天然氣壓力穩定在10bar左右。二臺壓縮機則分別對應于二臺燃氣輪機，每臺壓縮機的作用是提供一個在單臺燃機全流量范圍內穩定的供氣壓力范圍，保證燃機的安全穩定運行。也就是說，壓力調節閥組模塊與兩臺天然氣壓縮機入口采用的是母管制的連接方式，每臺壓縮機對應每臺燃氣輪機采用的是單元制的連接方式。

增壓站在調試過程中出現的主要問題

首先，在壓縮機通氣運行調試過程中，投運自動過程中壓力波動較大，最大值接近0.4MPa，一般波動達0.2～0.3MPa；SGT5-2000E燃機只有在燃氣壓力高于1.927MPa時才能投入預混模式運行，在預混模式下燃料氣壓力低于1.876MPa自動切換到擴散模式；在預混模式下燃料氣壓力低于1.7425MPa，燃機保護跳機；如果增壓機出口壓力波動一直較大，則燃機預混模式投不上，脫硝系統也無法正常工作，燃機運行效率不能達標，排放超標，機組無法投入商業運行。因此，壓力穩定的問題是必須要徹底解決的。

其次，兩臺壓縮機間的壓力干涉，主要表現在#1壓縮機的起停對#2壓縮機的入口壓力有較大影響，反之亦然。同時，#1燃機運行甩負荷，造成#2增壓機的跳機，反之亦然。

最后，壓縮機停機時，壓縮機內放散閥連續多次放散。

壓力穩定的問題如何解決？

對于運行壓力不穩定的分析，首先是從設備精度上做排除；由于壓縮機的運行壓力主要是通過入口調節閥的控制來調整的，因此，校正了入口調節閥閥的執行器精度，效果不佳。同時回流控制閥（喘震控制閥）在運行中對流量的變化進行調整，其反應速度對壓力的變化也會有影響，因此也做了校正，同樣效果不佳。說明控制閥的精度不是導致壓力波動的主要原因。

在了解控制邏輯和控制方式過程中，發現控制設計單位對壓縮機的控制只有防喘震控制，而缺少對壓縮機在流量變化流量狀態下的運行控制。同時觀察燃機的運行工況發現燃機帶上載荷后仍然運行在壓縮機可能發生喘震的區域，并且升負荷的過程必定會經過壓縮機的喘震控制區域；觀察還發現，壓縮機的防喘震控制動作幅度較大，燃機運行中的耗氣量變化正好遇到喘震控制線時，往往就發生大的壓力波動，甚至會跳機。因此可以確認，問題出在壓縮機的控制過程中。

分析燃機的運行過程，可以看到，燃機的運行過程中，燃氣消耗量的變化事實上是非常緩慢的，而我們的控制系統在控制過程中通過壓縮機入口閥門和回流控制閥，同時對增壓系統進行調節，造成對系統的超調，反而增加了系統的不穩定性。兩閥聯動的結果是放大了調節效果，造成運行壓力曲線無法收斂。

基于上述的原因分析，在控制設計過程中增加了根據壓力變化速率不同切換二種不同的控制方式，來解決運行中壓力波動的問題。即在壓力變化比較穩定的時候，解鎖喘震控制模塊，只對運行流量變化造成的壓力變化進行控制；而在壓力變化比較大時，不但進行壓力控制，同時加入防喘震控制，做到既能保證壓力變化的控制又能對壓縮機的運行做適當的保護。最終使壓力波動控制在了0.05MPa范圍內，基本解決了運行中壓力波動的問題。

壓力干涉問題如何解決？

從壓縮機的停機控制邏輯我們可以看到：離心式壓縮機停機信號發出，回流控制閥全開，同時放散閥開啟一段時間。兩臺壓縮機的入口是連通的，回流壓力到達入口時就直接導致了入口壓力的升高。那么放散閥此時為什么沒有作用呢？原來，放散閥由于是一個氣動球閥，開閥的時間較長，接近1秒，而回流閥是速開結構的，反應速度要比放散閥快，所以，停機時放散閥的動作跟不上回流壓力的上升，導致了壓縮機的跳機。

系統設計的問題，壓縮機入口是一根母管，單臺壓縮機的回流壓力升高會導致兩臺壓縮機入口的壓力同時升高，當然，這個過程的控制可以通過幾種方法來解決：增壓模塊系統流程見下圖。

● 設置快速開啟閥；

● 提前開啟放散閥；

● 增加緩沖容積；

● 分隔兩臺壓縮機的入口管路，使其互不干擾；

當然最徹底的解決方法是分隔壓縮機入口回路。在結構上只需改動出口匯管，將兩側的兩條自力式閥組作為兩條工作回路，對應每一臺壓縮機，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設置單向閥，避免兩條工作回路間的干擾，同時備用路又能對任一工作回路提供熱備用。改造后系統流程圖見下圖。

壓縮機內放散閥連續多次放散如何解決？

壓縮機內的放散閥是一套氣動控制的開關閥，開啟依據是系統壓力高于設定值，關閉依據是系統壓力低于了設定值。但該閥門動作速度較慢，同時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，往往會導致入口壓力超跌（有現場試驗記錄為依據）。而壓力下跌的速度較快，放散閥還未及時關閉，上游的自力式調節閥卻已經感知了下游系統的壓力超低了，自力式調節閥此時迅速打開，為下游系統迅速補充燃氣，而此時，放散閥卻已經逐漸關閉了。

放散閥的反復啟閉，其實就是放散閥的動作速度慢，引起上游自力式閥門誤開造成過度升壓，這樣反復循環，才導致了放散閥的反復動作。這里問題的關鍵是兩個控制閥之間的干擾，恰巧形成了振蕩。

解決方法是調整放散閥的開啟設定值和關閉設定值，也就是改變了振蕩頻率以及調整放散閥的放散口，在閥口設置一節流孔板，延遲放散時間。

西門子公司的SGT5-2000E型燃機，其預混模式對燃機運行效率是有很大提高的，但其對進燃機的天然氣燃料的壓力要求也比較高，在今后的項目建設中更要引起重視。在壓縮機前設置的壓力穩定系統需設置足夠的緩沖容積或采用單元制的壓力系統，以實現更穩定獨立的控制，避免干擾。在壓力系統中多次遇到控制閥相互干擾，出現控制上的意外的現象，因此，建議對控制系統的設計要在出廠前做充分的邏輯分析，避免到現場解決問題。離心式壓縮機配合燃機的運行模式也完全不同于活塞式壓縮機的壓力控制模式，簡單的套用同樣會遇到不少問題。分析清楚問題的原因，事先充分重視方案設計和充分了解燃機的運行狀況是完全必要的。