F級燃氣輪機系統配置對比

周屹民

(杭州華電下沙熱電有限公司，杭州 310018)

1 F級燃氣輪機的發展概況

隨著節能環保理念進一步深化，高效率﹑低排放的燃氣-蒸汽聯合循環發電機組逐漸成為電力行業的主要選項。在世界范圍內,生產重型燃氣輪機的廠家很多，具有代表現代技術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級燃氣輪機開發過程中投入了大量資金，主要是將飛機發動機的先進技術和部件移植到工業和發電用的燃氣輪機上，從而使其性能大幅提高。例如，由于應用了飛機發動機的先進冷卻技術和材料，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，按模化準則，相應產生了7FA和6FA機組。截至2003年4月，GE公司已經生產了300余臺F級燃氣輪機發電機，擁有超過470萬h的運行經驗。

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 系統配置對比

2.1 參數對比

6F級和9F級燃氣輪機各種技術參數比較見表1。

表1 各種技術參數

F級燃氣輪機均采用“冷端輸出”，即發電機布置在壓氣機側。其中，6F級壓氣機轉速高達5 232 r/min,通過減速齒輪箱將轉速降低到3 000 r/min并帶動發電機工作，以滿足國內電網頻率50 Hz的要求。如此高的壓氣機轉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，采用了靜態變頻(SFC)啟動方式。它是一種專門用來把同步發電機作為電動機運行使之啟動的一種大型變頻裝置。靜態啟動系統將恒定電壓和恒定頻率的三相交流電源變為可變電壓和可變頻率的交流電源。將這一電能輸給發電機定子繞組，就可以讓發電機在同步狀態下逐漸升速。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

F級燃氣輪機均配備了CO2火災保護系統，在燃氣輪機間、#2軸承隧道和發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，由它們發出發生火災信號，任何一個探測器動作均會發出“X區域火災預報警”信號。當區域中A，B探測器都動作時，則發出“X區域火災報警”信號，相應區域CO2釋放，同時，燃氣輪機停機，各風機停運，擋板關閉，氣動喇叭發出報警聲音。

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。后續氣瓶通過后續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CO2氣體保持在滅火的質量濃度范圍內，時間為20～60 min，以防止復燃。CO2氣瓶具有質量自檢功能，當氣瓶質量減小且低于規定值時，自稱重機構動作，發出報警信息。

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。防喘放氣閥共4個，左右對稱布置，通過電磁閥20CB來驅動防喘放氣閥。

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，在燃氣輪機并網以后關閉防喘放氣閥，并網后如果防喘放氣閥未關閉，會使燃氣輪機跳閘。因此，現在運行的9F級燃氣輪機都對操作氣源進行了改造，用廠內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，儀用氣會驅動防喘放氣隔離閥進行閥門的關閉試驗，試驗合格后，燃氣輪機繼續啟動過程，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以后才發現閥門關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；另一方面是并網后跳閘會使電網調度對電廠進行考核。6F級燃氣輪機在系統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閉試驗。

2.5 油系統

燃氣輪機的油系統主要包括潤滑油﹑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。潤滑油系統主要由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級燃氣輪機發電機由于采用空氣冷卻，所以沒有密封油系統，由于軸系較短也沒有配備頂軸油系統。6F級燃氣輪機油系統配備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，由循環泵﹑過濾器及加熱器組成。潤滑油經循環泵增壓，流過加熱器進入調節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均取自潤滑油母管，液壓油經液壓油泵升壓，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燃燒系統的燃氣控制模塊安裝在潤滑油模塊的基板上。該系統主要組成部分有速比閥(SRV)，根據燃氣輪機轉速的實際情況，6F級燃氣輪機燃燒器主要用來調整燃氣壓力及遮斷燃氣輪機氣體燃料供應；設置一組調節閥(GCV-1，GCV-2，GCV-3 ，GCV-4)，主要用來調整不同燃氣母管和燃燒噴嘴的天然氣流量。

其系統介質流程為：天然氣經過濾器至SRV后分成PM1， PM2，PM3和QUAT 4個母管，通過VGC-1～VGC-4控制調節閥分別接至燃燒室附近的4個環管，從各環管上引出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系統的燃料控制系統組成結構如圖1所示。

圖1 DLN-2.6系統的燃料控制系統

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噴嘴的區域產生了鼓包現象。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，避免了火焰筒產生鼓包，延長了火焰筒的壽命。

DLN-2.6燃燒系統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，簡化了燃燒室結構。從系統控制上來看，原來DLN-2.0+燃燒系統每個噴嘴的燃料量由2個控制閥來共同調節，而DLN-2.6每個噴嘴由單一的控制閥調節，噴嘴控制方式得到了簡化。

圖2 DLN-2.0+燃燒室噴嘴布置圖

從機組污染物產生量方面看，DLN-2.6明顯優于DLN-2.0。DLN-2.0燃燒系統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質量濃度相當高，而DLN-2.6燃燒系統在各個模式切換過程中均未發現煙囪冒棕黃色煙氣的現象。

3 結束語

6F級燃氣輪機在國內投運的還比較少，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，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燃燒系統淺析[J].浙江電力，2011(12):70-73.

[2]中國華電集團公司.燃氣-蒸汽聯合循環發電技術叢書:綜合分冊[M].北京：中國電力出版社,2009.