燃氣—蒸汽聯合循環燃料切換緩沖系統設計計算方法

許紅

摘 要：燃氣-蒸汽聯合循環機組熱效率高、環保效果好，在全世界范圍內得到了廣泛應用。常規聯合循環機組以天然氣為主燃料，燃油為備用燃料，為滿足燃氣輪機燃料切換，需要設置燃料緩沖系統。本文通過某工程Alstom GT-26機組，詳細介紹了燃料切換緩沖系統的設計及計算方法。

關鍵詞：聯合循環；燃料切換；緩沖系統；計算方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.040

1 引言

燃氣-蒸汽聯合循環發電與常規火力發電相比，具有熱效率高、自動化程度高、低污染、啟停速度快、調峰性能好、投資建設周期短、占地面積小等一系列優點。天然氣燃氣-蒸汽聯合循環是理想的發電方式。隨著燃氣-蒸汽聯合循環發電優勢的逐步體現，世界各國燃氣輪機發電裝機容量逐步增長[1]。

常規聯合循環機組通常以天然氣作為主燃料，燃油作為備用燃料。機組運行過程中，當天然氣供應出現中斷時，需要切換到備用燃料運行。為了有效防止燃機負荷降低過快，保證機組安全運行，防止電網波動，為故障排除贏取時間，需要設置燃料緩沖系統。

2 系統設計

某燃氣-蒸汽聯合循環電站配置為三臺阿爾斯通Alstom GT26燃氣輪機，三臺余熱鍋爐，兩臺阿爾斯通生產的300MW級汽輪機。機組燃料為天然氣，備用燃料為輕油。因電站地處中東地區，環境干球溫度較高，為了提高機組出力，燃機設置了蒸發冷卻和高壓噴霧相結合的進氣冷卻系統，余熱鍋爐設置了補燃系統。因阿爾斯通Alstom GT26燃機燃料切換時間較長，設置了燃料切換緩沖系統，流程見圖1。

燃機燃燒天然氣正常運行時，增壓機前后隔離閥打開，緩沖系統增壓機工作，把來自供氣母管的天然氣增壓縮到設定壓力。當緩沖系統高壓管束達到整定壓力時，高壓管束前隔離閥關閉，增壓機停止運行，緩沖系統儲氣完畢。當天然氣供應中斷需要進行燃料切換時，高壓管束后隔離閥打開，天然氣經減壓閥減壓到燃機入口壓力要求，繼續為燃機提供天然氣供應，直至燃機完全切換到燃油工況運行。燃料切換緩沖系統可保證燃機在燃料切換時平穩運行，保證機組安全運行，防止電網波動。

3 燃料切換曲線

Alstom GT26燃氣輪機典型燃料切換過程見圖2。

Alstom GT26燃氣輪機典型燃料切換過程如下：

（1） 燃機在天然氣運行工況下降負荷，由滿負荷運行降到60%-95%負荷之間運行；

（2）啟動燃油推進泵，燃油注水系統，切換至備用燃料輕油，天然氣流量逐漸減小，燃油流量逐漸增加；

（3） 燃機在燃油運行工況下升負荷至滿負荷運行。

由于本項目燃機設置了蒸發冷卻、高壓噴霧系統，余熱鍋爐設置了補燃系統，燃料切換過程更為復雜，具體切換過程見圖3。

本項目具體燃料切換過程如下：

（1） 燃機在滿負荷工況下運行，燃機蒸發冷卻、高壓噴霧系統，余熱鍋爐補燃系統全開，燃料切換開始時，首先關閉余熱鍋爐補燃系統；

（2） 關閉燃機燃機蒸發冷卻、高壓噴霧系統；

（3）燃機在天然氣運行工況下降負荷，由滿負荷運行降到60%-95%負荷之間運行，由于業主要求燃料切換時全廠負荷不能低于600MW，燃機降負荷至80%；

（4）啟動燃油推進泵，燃油注水系統，切換至備用燃料輕油，天然氣流量逐漸減小，燃油流量逐漸增加；

（5） 燃機由燃油80%運行負荷下升至滿負荷運行。

4 緩沖系統計算

根據以上切換程序，各步驟的數據整理見表1。

根據以上燃料切換數據，整個燃料切換過程天然氣消耗量可以式1計算：

（式1）

由于天然氣經緩沖系統增壓后溫度會上升，增壓后的天然氣溫度設為T，則高壓管束容積可用式2計算：

（式2）

式中：V—高壓緩沖管束容積（m3）

M—燃料切換過程天然氣消耗量（式1）

ρ—天然氣標準狀態密度（Kg/Nm3）

ΔP—ΔP=10·（P1-P2）

P1—高壓緩沖管束最大工作壓力（MPa）

P2—燃機進口需求壓力（Mpa）

T0—標準狀態溫度，T0=273K

T —高壓緩沖管束內氣體溫度（K）

根據以上計算結果，選擇高壓管束儲氣容量，選擇合適的管束直徑、長度及管束數量。

5 結論

（1）本工程Alstom-GT26三拖二燃氣-蒸汽聯合循環機組設置了燃料切換緩沖系統，可以有效防止機組快速甩負荷，燃料切換過程中機組出力不低于600MW，保證機組及電網平穩安全運行。

（2）本文介紹了燃料切換緩沖系統的工作原理、系統流程及設備設置，在實際工程設計中具有廣泛應用價值。

（3）本文介紹了燃料切換緩沖系統的具體計算方法，為緩沖系統設備選型提供了良好的理論依據。

參考文獻：

[1]孫喜春.關于發展燃氣-蒸汽聯合循環發電的探討[J].企業技術開發，2013，32（14）.