天然氣長輸管道燃氣輪機燃料氣調節閥替換技術研究

王冠霖 （中國石油西部管道公司生產技術服務中心，新疆 烏魯木齊 830011）

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天然氣長輸管道燃氣輪機燃料氣調節閥替換技術研究

王冠霖 （中國石油西部管道公司生產技術服務中心，新疆 烏魯木齊 830011）

摘要：燃氣輪機被廣泛的應用在天然氣長輸管道。控制燃氣輪機運行的關鍵設備燃料氣調節閥替換技術的研究，在管道行業尚數首次，打破了燃氣輪機廠商的技術壟斷，為涉及燃氣輪機控制專業的同行提供了技術借鑒，更重要的是對提高管道行業燃氣輪機運維質量、降低運維成本提供了明確的技術路線。

關鍵詞：燃氣輪機；燃料氣調節閥；替換；控制系統；流量系數；燃料氣供應需求

1　引言

西氣東輸一線、二線工程起新疆，分抵上海、香港，途徑十余省，兩條干線全長近萬公里。以甘肅古浪為界，西氣東輸一線、二線西段共計81臺機組，其中燃驅機組67臺，均為進口機型。伴隨著燃驅機組的廣泛應用，作為控制燃氣輪機運行的關鍵設備燃料氣調節閥在實際運維中逐步暴露出一系列的問題，直接影響到機組的平穩、高效運行。

燃料氣調節閥由燃機廠商提出技術要求，第三方廠商定制供貨，面向最終用戶的相關技術支持由燃機廠商負責提供。由于外方公司技術壟斷，我方在燃料氣調節閥運行和維護方面的工作難以深入開展，運維中出現的技術問題乃至備件采購，均需燃機廠商經手。面對解決問題周期長、技術服務費用高、備件采購成本不具備談判條件等矛盾，燃氣輪機燃料氣調節閥替換技術研究就顯得極為迫切。

2　技術前提

燃氣輪機在某一工況下運行時，其所需要的燃料氣供應量為固定值。根據燃料氣供應量需求，監測燃料系統相關參數（燃料氣調節閥閥前壓力、閥后壓力，燃料氣供氣溫度等），同時結合燃料氣調節閥閥組特性相關系數：燃料組分（根據現場天然氣情況實際測量）、閥門通流特性（由閥體供貨廠家提供），就可以得到對應此工況條件下的燃料氣調節閥的開度指令。

不同廠家的閥組特性不同，開度與流量的對應關系亦不同。無論開度與流量的對應關系如何改變，都需要燃料氣調節閥滿足特定工況下的燃料氣流量需求，方可保證燃氣輪機的正常運行。

由此，在進行燃料氣調節閥替換時，控制程序部分無需更改燃氣輪機原有燃料控制邏輯（運行工況對應所需燃料氣供應量），而是需要根據不同閥組特性差異，變更燃料氣流量與調節閥開度對應關系，使新的燃料氣調節閥開度指令與燃氣輪機所需的燃料氣流量相對應。

3　技術分析

燃料氣調節閥是根據燃氣輪機轉速、功率等要求，按照自動控制系統的信號，遵照一定的燃料氣供給規律，向燃氣輪機燃燒室燃料管供應一定數量的氣體燃料，同時實現緊急情況下，快速中止燃料的供給并排空燃料管內的氣體燃料。考慮到天然氣燃料的特殊性，新的燃料氣調節閥需要性能可靠，保證燃氣輪機運行安全穩定。

3.1工作要求

西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃氣輪機在ISO條件下，壓比21.5，輸出功率31.6MW，效率41%。該燃氣輪機燃燒室為環形常規非低排放燃燒室，通過一根燃料總管給裝有30個燃料噴嘴的燃燒室供燃料氣。該型燃氣輪機現有燃料系統工作要求為：

（1）燃料系統為單路供燃料氣，過濾精度25um；

（2）天然氣供給壓力3.5～4MPa，供給溫度40℃；

（3）點火時燃料氣消耗量170kg/h，燃料氣調節閥閥后壓力0.215MPa，燃燒室壓力0.198MPa；

（4）額定工況燃料氣耗量6200kg/h，最大耗量7200kg/h。

3.2燃料氣調節閥選型

在燃料氣調節閥選型過程中，對應最大燃料流量時燃料氣調節閥的前后壓差，以通常燃氣噴嘴噴射壓比為1.2進行估算。

于是，在最大燃料氣耗量時，燃料氣調節閥的閥后壓力，即燃料噴嘴前的壓力為：

進一步可知，最大燃料流量時燃料控制閥的前后壓差為：

根據燃料氣調節閥流量系數Cv，得出以下計算表達式，時，燃料控制閥出口為亞音速流動，有：時，燃料控制閥出口為超音速流動，有：

式中，Cv為流量系數，gpm；Qm為燃料流量，kg/h；P1為燃料閥閥前絕對壓力，MPa；P2為燃料閥閥后絕對壓力，MPa；為燃料氣溫度，℃；u為天然氣分子量，g/mol；Vcr為臨界壓比；K為天然氣絕熱指數，通常取1.3。

根據現場天然氣組分，如表1所示，可知天然氣分子量約為17.135，密度約為0.765kg/Nm3。

于是，針對供氣壓力3.5MPa和4.0MPa兩種情況，由式（3）～（5）計算出機組在點火狀態和最大燃料量狀態時的燃料閥流量系數及開度如表2所示。

表1　天然氣組分一覽表

表2　燃料控制閥選型計算一覽表

從表2計算結果可以看出，選擇流量系數Cv為30的燃料閥可以滿足西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃氣輪機對燃料氣的調節要求，并留有足夠余量。

3.3燃料氣調節閥性能

本技術研究結合首臺國產燃氣輪機對燃料氣調節閥的選型，用流量系數Cv為30的某公司非定制產品B型燃料氣調節閥與現西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃氣輪機配套A型燃料氣調節閥進行技術比對，如表3所示。

表3　燃料氣調節閥技術對比一覽表

從表3可以看出，同A型燃料氣調節閥相比，B型調節閥可調范圍更寬，但其對環境溫度要求范圍較窄，對氣體過濾精度要求較高。總體而言，用B型燃料氣調節閥去替換A型調節閥，在技術應用上是可行的。

4　特性試驗

4.1試驗原理

采用空氣介質進行燃料氣調節閥的流量特性試驗，試驗原理如圖1所示。將壓縮空氣供應至燃料氣調節閥流量特性試驗臺的管道入口，依次經過入口球閥、過濾器、切斷閥、質量流量計最終到達燃料氣調節閥前，通過操控臺設置燃料氣調節閥開度。在流量特性試驗臺出口設置帶有調節閥的排空管，通過操控臺設置排空管上調節閥開度，以此建立燃料氣調節閥前后壓差。通過采集燃料氣調節閥不同開度下的閥前壓力、閥后壓力、閥前溫度，以及通過燃料氣調節閥的氣體流量，從而建立開度I與流量系數Cv的函數關系。

圖1　流量特性試驗原理圖

4.2試驗內容

對燃料氣調節閥進行流量特性試驗，一是對供貨廠家提供的燃料氣調節閥進行復檢，確保其合格、可靠；二是對燃料氣調節閥在不同開度條件下的通流能力進行標定，為燃料氣調節閥的整機配試提供可靠依據。試驗內容如下：

（1）不同開度下的流量特性試驗，建立起開度與流量系數的函數關系式；

（2）燃料氣調節閥控制系統調試，包括就地控制模式調試、PLC控制程序編譯調試等，檢驗控制系統的可靠性。

4.3試驗過程

試驗總體過程如下：

（1）使用氮氣進行氣體置換、吹掃管道，確保無雜質顆粒存在；

（2）使用專用支架、管路、密封件等將燃料氣調節閥安裝就位；

（3）將專用的測控接線、元器件與燃料氣調節閥連接；

（4）燃料氣調節閥安裝完成后，進行閥位歸零操作；

（5）使用氮氣對流量特性試驗臺進行密封性試驗；

（6）調節燃料氣調節閥開度（初步定為10點，根據實際情況可增加試驗狀態點），并設置排空管上調節閥的開度，進行流量特性試驗，采集系統采集并記錄試驗數據。

具體各項試驗內容如下：

（1）就地控制模式調試

·在燃料氣調節閥就地控制器上自動或手動設置燃料氣調節閥最大及最小設定點，使控制器輸出信號與燃料氣調節閥相應閥位對應；

·在燃料氣調節閥就地控制器給出數組等值遞增開度信號，檢查燃料氣調節閥開度反饋值是否相應作等值變化；

·檢查燃料氣調節閥反饋值與給定信號之間的誤差是否在允許范圍內，否則重新標定控制器輸出信號與燃料氣調節閥閥位；

（2）控制程序編譯調試

·依據燃料氣調節閥控制器特性進行通道組態及量程標定；

·進行控制器程序變量對應匹配；

·輸入燃料氣調節閥特性公式。

（3）與現場流量計配合，反復試驗校正燃料氣調節閥特性曲線

·依據廠家提供的燃料氣調節閥特性曲線進行試驗；

·試驗臺起動后，等值遞增燃料閥閥位開度信號；

·當流量穩定五分鐘后，記錄現場流量計的示數，建立燃料氣調節閥閥位開度與實際流量之間的對應關系；

·依據燃料氣調節閥閥位開度與實際流量之間的對應關系，在控制系統中，重新標定燃料氣調節閥特性曲線；

·依據標定后的燃料氣調節閥特性曲線，再次進行校正，反復試驗，直至燃料氣調節閥曲線滿足控制要求。

4.4 試驗數據處理

燃料氣調節閥出口氣體流動狀態分為亞音速和超音速兩種情況，其流量系數Cv計算方法如式（3）和式（4）。由于試驗介質采用的是空氣，而實際工作介質為天然氣，因此，需對由空氣介質試驗計算出的流量系數Cv進行修正，以確定天然氣工作介質下的真實流量系數cV。

流量系數修正方法為：

式中，Cv為空氣介質試驗得出的流量系數，gpm；Cv為天然氣工作介質對應的流量系數，gpm；u為天然氣分子量，g/mol。

根據試驗設定的燃料氣調節閥開度I，以及經修正后的流量系數Cv，建立燃料氣調節閥開度與流量系數的函數關系，即：

在此基礎上，結合式（3）和式（4），進一步建立起燃料氣調節閥開度與燃料流量、前后壓力、燃料溫度以及燃料組分（即平均分子量）的函數關系，即：

5　整機配試

為檢驗燃料氣調節閥在試驗臺上試驗結果的準確性，同時確保燃料氣調節閥能根據燃氣輪機轉速、功率等的要求，按照自動控制系統信號，依給定的燃料供給規律，向燃氣輪機燃燒室供給定量的燃料氣，需將燃料氣調節閥安裝在燃料系統上，與燃氣輪機一起進行配試。

為實現B型燃料氣調節閥在西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃氣輪機燃料系統上的安全、可靠使用，需實施以下主要調試內容。

（1）校正燃料氣調節閥不同開度下與流量系數的特性關系；

（2）驗證燃料氣調節閥控制系統的可行性和可靠性，包括就地控制模式調試、控制程序編譯調試、遠程遙控模式調試等。

5.1控制系統就地控制模式

（1）在燃料氣調節閥就地控制器上自動或手動設置燃料氣調節閥最大及最小設定點，使控制器輸出信號與燃料氣調節閥相應閥位對應；

（2）在燃料氣調節閥就地控制器給出數組等值遞增開度信號，檢查燃料氣調節閥開度反饋值是否相應作等值變化；

（3）檢查燃料氣調節閥反饋值與給定信號之間的誤差是否在允許范圍內，否則重新標定控制器輸出信號與燃料氣調節閥閥位。

5.2控制程序編譯調試

（1）依據燃料氣調節閥控制器特性進行通道組態及量程標定；

（2）進行控制器程序變量對應匹配；

（3）輸入燃料氣調節閥特性公式。

5.3控制系統遠程控制模式

（1）在燃料氣調節閥就地控制器給出數組等值遞增開度信號，檢查燃料氣調節閥開度反饋值是否相應作等值變化；

（2）檢查燃料氣調節閥反饋值與給定信號之間的誤差是否在允許范圍內，否則重新標定控制器輸出信號與燃料氣調節閥閥位。

5.4流量計配合校正特性曲線

（1）燃料氣調節閥依據試驗臺校正后的特性曲線進行配機試驗；

（2）燃氣輪機起動后，以閥位開度信號等值遞增（如漸次增加10%）的控制策略，漸升工況；

（3）每一個工況點穩定五分鐘后，記錄現場流量計的示數，建立燃料氣調節閥閥位開度與實際流量之間的對應關系；

（4）全部工況點完成后，正常停機；

（5）依據燃料氣調節閥閥位開度與實際流量對應關系，在控制系統中，重新標定燃料氣調節閥特性曲線；

（6）依據標定后的燃料氣調節閥特性曲線，重新起機測試，反復試驗，直至特性曲線滿足燃機控制要求。

6　結語

在充分了解機組運行特性、燃氣輪機控制系統、燃料系統的基礎上，對西氣東輸一線、二線西段使用的某型燃氣輪機燃料氣調節閥的替換技術深入研究，結合工作要求、設備選型、性能比對、特性試驗及整機配試環節，證明對現有燃料氣調節閥的替換是完全可行的。

文獻標識碼：B

文章編號：1003-0492（2016）04-0086-04中圖分類號：TE832

作者簡介

王冠霖（1979-），男，新疆烏魯木齊人，工學學士，高級工程師，現就職于中國石油西部管道公司生產技術服務中心。

Replace Technology Research of Gas Turbine Fuel Gas Regulating Valve for Long Distance Natural Gas Pipeline

Abstract:Gas turbine driven compressor unit is widely used in natural gas long transmission pipeline. It is the first time in the pipeline industry to make research on the fuel gas control valve replacement operation of the key equipment. It breaks the technological monopoly of gas turbine manufacturers, and provides technical reference for professional counterparts in the gas turbine control domain. Moreover, it provides a clear technical route for improving the quality of operation and maintenance of pipeline gas turbine industry and reducing operation and maintenance costs.

Key words:Gas turbine; The fuel gas regulating valve; Replace; Control system; Flow coefficient; The fuel gas supply demand