（山东电力建设第三工程有限公司 山东青岛 266100）
摘要：燃气-蒸汽联合循环机组热效率高、环保效果好，在全世界范围内得到了广泛应用。常规联合循环机组以天然气为主燃料，燃油为备用燃料，当天然气供应中断需要进行燃料切换时，为满足机组安全运行，防止机组负荷剧烈波动，减小对电网冲击，需要设置燃料缓冲系统。本文通过某工程Alstom GT-26机组，详细介绍了燃料切换缓冲系统过程、缓冲系统的容量计算方法及缓冲系统的设计方法。
关键词: 联合循环，燃料切换，缓冲系统，计算方法，设计方法
1、系统组成
某燃气-蒸汽联合循环电站配置为三台阿尔斯通Alstom GT26燃气轮机，三台余热锅炉，两台阿尔斯通生产的300MW级汽轮机。机组主燃料为天然气，备用燃料为轻油。因电站地处中东地区，环境干球温度较高，为了增加燃气轮机进气量，增加机组出力，提高机组性能，燃机设置了蒸发冷却和高压喷雾相结合的进气冷却系统，余热锅炉设置了补燃系统，补燃燃料为天然气。因阿尔斯通Alstom GT26燃机燃料切换时间较长（整个过程大约需要15min），为了保证机组安全运行及减少对电网的冲击，本项目设置了燃料切换缓冲系统。
本项目天然气供应接口点处压力为24 barg，Alstom GT26燃机正常运行时天然气进口压力要求为44 barg，因此，天然气系统设置了增压风机增加天然气压力满足燃机进口要求。燃料切换缓冲系统布置在天然气供应系统主压缩机之后，燃机燃烧天然气正常运行时，缓冲系统增压机前后隔离阀打开，缓冲系统增压机工作，把来自供气母管的天然气从44 barg增压到80 barg。当缓冲系统储罐或高压管束达到整定压力时，储罐或高压管束前隔离阀关闭，增压机停止运行，缓冲系统储气完毕。当天然气供应中断需要进行燃料切换时，储罐或高压管束后隔离阀打开，缓冲系统天然气经减压阀组减压到燃机入口压力要求，继续为燃机提供天然气供应，直至燃机完全切换到燃油工况运行。燃料切换缓冲系统可保证燃机在燃料切换时平稳运行，保证机组安全运行，防止电网波动。
2、燃料切换曲线
Alstom GT26燃气轮机典型燃料切换过程如下：
（1）当发生天然气供应中断时，控制系统发出指令，燃机在天然气运行工况下按照一定速率开始降负荷，由满负荷运行降到60%-95%负荷之间运行；
（2）燃机降负荷达到设定值，启动燃油推进泵，为了减少燃油状态下氮氧化物排放量，启动燃油注水系统，切换至备用燃料轻油，天然气流量逐渐减小，燃油流量逐渐增加，此时天然气和燃油在燃烧室内进行混合燃烧；
（3）天然气流量逐渐降为0，燃油流量升至额定流量，燃机在燃油运行工况下升负荷至满负荷运行。
由于本项目燃机设置了蒸发冷却、高压喷雾系统，余热锅炉设置了补燃系统，燃料切换过程更为复杂。
本项目具体燃料切换过程如下：
（1）燃机在满负荷工况下运行，燃机蒸发冷却、高压喷雾系统，余热锅炉补燃系统全部运行。当发生天然气供应中断时，控制系统发出指令，首先关闭余热锅炉补燃系统；
（2）关闭余热锅炉补燃后，机组出力降低。此时关闭燃机燃机蒸发冷却、高压喷雾系统，天然气流量减小；
（3）燃机在天然气运行工况下继续负荷，由满负荷运行降到60%-95%负荷之间运行，由于业主要求燃料切换时全厂负荷不能低于600MW，燃机降负荷至80%额定负荷，开始切换至燃油工况；
（4）启动燃油推进泵，为了减少燃油状态下氮氧化物排放量，启动燃油注水系统，切换至备用燃料轻油，天然气流量逐渐减小，燃油流量逐渐增加。此时天然气和燃油在燃烧室内进行混合燃烧；
（5）天然气流量逐渐降为0，燃机由燃油80%运行负荷下升至满负荷运行。整个燃料切换过程完成。
3、 缓冲系统计算
3.1 天然气耗量计算
根据以上切换程序，切换过程各步骤的持续时间及燃料流量整理见表1.
表1 燃料切换过程数据
由于燃料切换过程中燃机保持在80%以上较高负荷，切换过程中燃机效率变化不大，因此可近似认为燃料消耗量与燃机负荷成线性关系。根据以上燃料切换数据，整个燃料切换过程天然气消耗量可以按照式1计算：
(式1)
4、缓冲系统设计
4.1 缓冲系统流程
根据以上两种方式计算缓冲系统容积后进行缓冲系统设计。来自天然气主供应管线的天然气首先进入天然气增压机前置过滤器，过滤出天然气中的固体颗粒及水分。天然气进入增压机加压，压力从44 barg增压到80 barg，进入天然气高压储罐或管束储存。增压机连续运行直至高压储罐或管束达到设定压力，当由于环境温度降低或天然气消耗，高压储罐或管束压力低于某一设定值时，增压机开启继续向高压储罐或管束充气直至再一次达到设定值。当进行燃料切换时，高压储罐或管束出口隔离阀打开，由于减压后天然气温度降低，为了防止天然气达到露点产生液态组分，减压阀前需要设置水浴炉加热。高压天然气经过减压阀减压到燃机入口要求压力，满足燃机连续运行要求。
4.2 缓冲系统布置
天然气缓冲系统一般可以采用高压储罐或者高压管束两种储气方式。当缓冲系统容积较大，一般选用高压储罐方式储气。高压储罐单个容积为10m3-20m3之间，立式布置，高度10m左右，所有储罐通过管道连接到供气母管，储罐通过地脚螺栓固定到混凝土基础。高压储罐储气方式布置紧凑，占地面积小；储罐在工厂完成制造及水压试验，现场安装工作量小；供货周期长，造价较高，适合储气容积较大的储气系统。
当缓冲系统容积较小，一般选用高压管束方式储气。储气容积由多根大直径高压管束组成，管束水平布置，管束可选择耐高压的焊接钢管，管束长度由缓冲系统区域整体布置决定，高压管束每隔一段长度设置支架，当占地面积受限时可采用多层布置。高压管束储气方式水平布置，占地面积大；管束在现场完成焊接组装及水压试验，现场安装工作量大；供货周期短，造价较低，适合储气容积较小的储气系统。
5、结论
（1） 本工程Alstom-GT26三拖二燃气-蒸汽联合循环机组设置了燃料切换缓冲系统，可以有效防止机组快速甩负荷，燃料切换过程中机组出力不低于600MW，保证机组及电网平稳安全运行。
（2）本文介绍了燃料切换缓冲系统的工作原理、系统流程及设备设置，在实际工程设计中具有广泛应用价值。
（3）本文介绍了燃料切换缓冲系统的具体计算方法，缓冲容积可以使用容积差值法及摩尔数插值法计算，计算结果基本一致。可作为缓冲系统设备选型的理论依据。
（3）本文介绍了燃料切换缓冲系统设计及布置方法，当缓冲系统容量较大时，应选用高压储罐储气方式，可以减少现场工作量，保证系统安全运行；当缓冲系统容量较小时，应选用高压管束储气方式，在保证安全的基础上可以有效降低造价。
参考文献
[1] 孙喜春. 关于发展燃气-蒸汽联合循环发电的探讨，企业技术开发 2013, 32(14).
作者简介
许红，山东电力建设第三工程公司 热机工程师。
论文作者:许红
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：天然气论文; 燃料论文; 系统论文; 高压论文; 燃油论文; 机组论文; 储罐论文; 《电力设备》2018年第20期论文;