燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計淺析

李旭

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 概述

燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)是為了給燃機啟動和運行的各種工況下，向燃氣輪機不同燃燒區(qū)供應滿足燃燒室流量要求的燃料，并且可以根據(jù)操作人員指令或在保護系統(tǒng)動作時，及時而快速地關斷燃料供應，保證燃機的安全。

2 燃氣輪機燃燒系統(tǒng)簡介

現(xiàn)在地球污染問題比較嚴重，環(huán)保問題變得極其重要，為保證低污染排放，我們的燃機燃燒室采用先進的低污染排放的燃燒室結構。火焰筒設計成環(huán)形火焰筒和筒形火焰筒兩部分。為了有效降低氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃碳氫化合物的排放量，保證燃機排放的污染指標滿足環(huán)保要求，燃料的燃燒在三個燃燒區(qū)（即環(huán)形燃燒區(qū)、擴散燃燒區(qū)和均勻燃燒區(qū)）進行。燃料氣分別由三根天然氣總管供應。燃料與空氣在環(huán)形段和主火焰筒渦流器前預先進行摻混，形成可燃的均勻預混氣，進行均勻預混燃燒。這樣可將氮氧化物（NOx）的排放量控制在50mg/Nm3以內(nèi)。由于燃燒室的結構復雜，因此向燃燒室提供燃料的燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計也很復雜。

3 設計依據(jù)

3.1 設計技術參數(shù)

介質：天然氣

溫度（℃）：20～40

點火壓力（MPa）：0.21

點火流量（kg/s）：0.0032

供氣壓力（MPa）：3.0±0.1

供氣流量范圍（kg/s）：2.97～12.89

3.2 系統(tǒng)的功能要求

燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能是按照控制系統(tǒng)的指令要求，保證起動和運行各種工況下完成按照天然氣流量變化曲線向燃機的燃燒室供應燃料，并可根據(jù)操作人員指令或在保護系統(tǒng)動作時，及時而快速地關斷燃料供應。因此該系統(tǒng)應具有如下功能：(a)保證供給到燃機燃燒室的天然氣的清潔度；(b)保證向點火器供給所需壓力和流量的天然氣；(c)保證在機組正常停機和緊急停機時，快速切斷燃料供給；(d)保證機組的運行要求，可調(diào)節(jié)供給燃燒室的天然氣流量。

4 系統(tǒng)設計

根據(jù)燃機對燃料系統(tǒng)功能的要求和燃燒室的結構特點，設計了燃機燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖（見圖1）。

4.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由壓力表1、隔斷閥2、壓力控制開關3、壓力傳感器4、流量測量模塊5、過濾分離器6、溫度傳感器7、切斷閥8、壓力調(diào)節(jié)閥9、點火支路減壓閥10、點火支路調(diào)節(jié)閥11、點火支路壓力傳感器12、點火支路切斷閥 13、調(diào)節(jié)閥 15，16，17等元件組成。

4.2 系統(tǒng)工作原理及淺析

4.2.1 系統(tǒng)工作原理

由天然氣調(diào)壓站輸送來的天然氣經(jīng)過主管線后分成四個支管線，將天然氣輸送到點火器和燃燒室的噴嘴。當燃機起動前，首先將隔離閥2打開，由天然氣調(diào)壓站輸送來的天然氣通過流量測量模塊5、過濾分離器6輸送到切斷閥8的上游。按照控制系統(tǒng)的指令，切斷閥8打開。切斷閥8的下游分成兩個支路，一個支路是通向點火器即點火器支路，另一個支路是通向燃機三個燃料總管的燃料調(diào)節(jié)支路。

來自切斷閥8的天然氣經(jīng)過點火支路減壓閥10減壓后，通過點火支路調(diào)節(jié)閥11，輸送到點火支路切斷閥13的上游，按照控制系統(tǒng)的指令，給點火支路切斷閥13發(fā)出打開的控制信號，切斷閥13打開，天然氣被輸送到點火器，燃機開始點火。

另一個支路是通向燃機三個燃料總管的燃料調(diào)節(jié)支路。燃料調(diào)節(jié)支路分成三個支路分別向環(huán)形燃燒區(qū)燃料總管、擴散燃燒區(qū)燃料總管和均勻燃燒區(qū)燃料總管提供天然氣。

點火器支路停止供天然氣的同時控制系統(tǒng)給壓力調(diào)節(jié)閥9發(fā)出打開的控制信號，壓力調(diào)節(jié)閥9開始工作。接著控制系統(tǒng)也給環(huán)形燃燒區(qū)燃料調(diào)節(jié)閥17發(fā)出打開的控制信號，流量調(diào)節(jié)閥17按照控制系統(tǒng)的控制信號調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥17閥門開度，從而保證環(huán)形燃燒區(qū)所需燃料流量。當燃機轉速達到某一規(guī)定值時，按照控制系統(tǒng)的指令，同時向擴散燃燒區(qū)和均勻燃燒區(qū)的燃料調(diào)節(jié)閥15、16發(fā)出打開的控制信號，流量調(diào)節(jié)閥15、16按照控制系統(tǒng)的控制信號控制流量調(diào)節(jié)閥15、16的開度，從而保證環(huán)形燃燒區(qū)所需燃料流量。

4.2.2 系統(tǒng)工作原理淺析

根據(jù)燃機燃料系統(tǒng)的設計參數(shù)和功能要求，該系統(tǒng)分成點火器支路和燃料調(diào)節(jié)支路。之所以此系統(tǒng)中設置了一路單獨的點火器支路，是因為經(jīng)過對燃料流量、壓力的分析，其壓力和流量遠遠小于燃料調(diào)節(jié)支路所需的燃氣壓力和流量，調(diào)節(jié)閥對壓力和流量的調(diào)節(jié)只能在一定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)是穩(wěn)定值，因此與燃料調(diào)節(jié)支路采用同一個調(diào)節(jié)閥是不能滿足點火器支路對燃氣流量和壓力的要求的，只能單獨設置一路點火支路，保證點火支路所需的供氣壓力和供氣流量。

圖1 燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

由于燃機運行過程中對天然氣供氣精度要求比較高，所采用的燃料流量和壓力調(diào)節(jié)閥都是比較精密的元件，而且系統(tǒng)中所使用的流量計等測量元件也是比較精密的元件，因此對天然氣的潔凈度、含水量等的氣體品質要求都挺高，為滿足此系統(tǒng)對天然氣的潔凈度的設計要求，我們選擇了過濾分離器模塊6。

該系統(tǒng)最重要的功能就是能夠向燃機提供所需流量和壓力的天然氣，保證機組在各種工況的運行要求。為了滿足該項功能的要求，在系統(tǒng)中設置了壓力調(diào)節(jié)閥和流量調(diào)節(jié)閥兩個重要元件，由這兩個閥門共同調(diào)節(jié)輸送到燃燒室的燃料流量。流量調(diào)節(jié)閥用于控制輸送到燃燒室的天然氣的流量，進入燃燒室的天然氣的流量是由調(diào)節(jié)閥開度確定。壓力調(diào)節(jié)閥來控制流量調(diào)節(jié)閥上游的天然氣壓力，通過控制調(diào)節(jié)閥的開度，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)進入燃燒室的天然氣的流量，以適應然機啟動與正常運行時的燃料流量的需要。

為了使壓力調(diào)節(jié)閥和流量調(diào)節(jié)閥能夠實現(xiàn)上述要求和保證燃機的運行安全，在燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)中設置了一套與燃料控制系統(tǒng)傳遞信息的元件。燃料點火支路上減壓閥后安裝有壓力傳感器和壓力表，用于監(jiān)測供到點火器的天然氣壓力是否滿足點火要求；燃料供給和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的天然氣入口處設有壓力表，用于測試由天然氣調(diào)壓站來的天然氣是否輸送到燃料供給和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的入口；入口的隔離閥后設有兩個壓力控制開關4，過濾器后設有溫度控制器。

5 結論

通過以上的分析可以看到燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計能夠滿足燃機的技術參數(shù)及功能的要求，功能先進，能夠滿足燃機正常運行的各種工況下的燃料供給的要求。