F级燃气轮机系统配置对比

周屹民

(杭州华电下沙热电有限公司，杭州 310018)

1 F级燃气轮机的发展概况

随着节能环保理念进一步深化，高效率﹑低排放的燃气-蒸汽联合循环发电机组逐渐成为电力行业的主要选项。在世界范围内,生产重型燃气轮机的厂家很多，具有代表现代技术流派的厂家主要有美国通用电气(GE)公司、德国西门子公司和日本三菱公司。

GE公司在F级燃气轮机开发过程中投入了大量资金，主要是将飞机发动机的先进技术和部件移植到工业和发电用的燃气轮机上，从而使其性能大幅提高。例如，由于应用了飞机发动机的先进冷却技术和材料，使燃气透平的进气温度提高了167 ℃，使PG9351FA机组的燃气初温达到1 318 ℃。该机组是当今世界F级先进燃气轮机的主要代表性机组。

1996年，GE公司又推出新的9FA机组，把原来的工况点压比提高到15.4，单机功率相应增加到255 MW。在这一时期，按模化准则，相应产生了7FA和6FA机组。截至2003年4月，GE公司已经生产了300余台F级燃气轮机发电机，拥有超过470万h的运行经验。

2004年，为了配合西气东送工程，国家打捆招标了一批9F级燃气轮机，其中多为GE公司的PG9351FA机组。2011年，浙江省由于缺电，抢建了一批燃气轮机电厂，其中包括部分6F级机组(PG6111FA)。

2 系统配置对比

2.1 参数对比

6F级和9F级燃气轮机各种技术参数比较见表1。

表1 各种技术参数

F级燃气轮机均采用“冷端输出”，即发电机布置在压气机侧。其中，6F级压气机转速高达5 232 r/min,通过减速齿轮箱将转速降低到3 000 r/min并带动发电机工作，以满足国内电网频率50 Hz的要求。如此高的压气机转速是为了保持一定的圆周速度，使其处在最佳值。

9F级燃气轮机压气机转速为3 000 r/min，典型的9F级燃气轮机采用单轴布置，即燃气轮机与蒸汽轮机布置在同一根轴上，启动燃气轮机的同时带动蒸汽轮机一起转动，因此，需要配备辅助蒸汽对蒸汽轮机进行冷却，以防止鼓风摩擦损失。由于该机轴系较长，安装难度增大，运行中容易引起机组振动。

2.2 启动方式

F级燃机摒弃了原来的启动马达，采用了静态变频(SFC)启动方式。它是一种专门用来把同步发电机作为电动机运行使之启动的一种大型变频装置。静态启动系统将恒定电压和恒定频率的三相交流电源变为可变电压和可变频率的交流电源。将这一电能输给发电机定子绕组，就可以让发电机在同步状态下逐渐升速。SFC采用的冷却方式不同，其中9F级燃气轮机的系统采用闭式冷却水进行冷却，6F级燃气轮机采用通风风机进行冷却。

2.3 CO2火灾保护系统

F级燃气轮机均配备了CO2火灾保护系统，在燃气轮机间、#2轴承隧道和发电机间里面布置了热感式火灾探测器。当各舱室的温度达到火灾温度时，由它们发出发生火灾信号，任何一个探测器动作均会发出“X区域火灾预报警”信号。当区域中A，B探测器都动作时，则发出“X区域火灾报警”信号，相应区域CO2释放，同时，燃气轮机停机，各风机停运，挡板关闭，气动喇叭发出报警声音。

9F级燃气轮机配备了储罐，储罐上有制冷压缩机，以维持CO2存储压力为2.0～2.1 MPa。6F级燃气轮机则采用了高压CO2气瓶，用来储存灭火用的CO2，钢瓶分为先行气瓶和后续气瓶2种。2组气瓶的放气母管之间装有压力差动单向阀门，先行气瓶通过先行放气系统管路和喷嘴向仓室迅速排放CO2气体，以达到灭火之目的。后续气瓶通过后续放气管路和喷嘴向仓室以较慢的速度排放CO2气体，使仓室内CO2气体保持在灭火的质量浓度范围内，时间为20～60 min，以防止复燃。CO2气瓶具有质量自检功能，当气瓶质量减小且低于规定值时，自称重机构动作，发出报警信息。

2.4 防喘放气阀

为了防止压气机喘振，燃气轮机均设置了防喘放气阀。F级燃气轮机从压气机9级和13级各抽了1路气，作为防喘放气气源，同时冷却第2级和第3级喷嘴和护环。防喘放气阀共4个，左右对称布置，通过电磁阀20CB来驱动防喘放气阀。

9F级燃气轮机的防喘放气管道布置在透平间上部，设置4个防喘放气阀隔离阀。在水洗隔离的时候需要爬上去隔离，操作起来较为不便。6F级燃气轮机的防喘放气管道布置在透平间下部，未设置隔离阀，水洗时不用隔离。仅在每条防喘放气管道上设置了底部排污阀，可在水洗时打开，防止管道内积水。

9F燃气轮机的防喘放气阀由压气机排气提供操作气源，在燃气轮机并网以后关闭防喘放气阀，并网后如果防喘放气阀未关闭，会使燃气轮机跳闸。因此，现在运行的9F级燃气轮机都对操作气源进行了改造，用厂内仪用气作为操作气源。在燃气轮机满足启动条件后，点击“START”按钮，仪用气会驱动防喘放气隔离阀进行阀门的关闭试验，试验合格后，燃气轮机继续启动过程，若不满足则启动停止。这样做的好处是防止在燃气轮机并网以后才发现阀门关不上而引起机组跳闸。机组跳闸的危害有：一方面影响燃气轮机寿命；另一方面是并网后跳闸会使电网调度对电厂进行考核。6F级燃气轮机在系统设计时就采用了仪用空气作为操作气源，在启动初期，机组也会做防喘放气阀的关闭试验。

2.5 油系统

燃气轮机的油系统主要包括润滑油﹑液压油﹑跳闸油﹑顶轴油及密封油。9F级燃气轮机的润滑油箱和液压油箱是分开的，并且油箱上部及周边未进行封闭。由于9F级燃气轮机采用氢气冷却，所以还有密封油系统。润滑油系统主要由2台交流润滑油泵、1台直流润滑油泵和1台直流密封油泵组成，正常运行时1台交流油泵工作，向系统提供合格油压的润滑油及密封油，当润滑油油压低时，启动备用润滑油泵，在密封油压差低时，启动直流密封油泵以维持正常的密封油差压。直流润滑油泵仅在交流润滑油泵故障时启动，以提供停机时的润滑油。润滑油系统上还设有2台顶轴油泵，在燃气轮机停机时,顶轴油泵在降速至1 500 r/min时启动，向燃气轮机轴承提供顶轴油，在启动过程中，顶轴油泵在升速至1 500 r/min时停止供油。

6F级燃气轮机只有1个油箱，油箱上部及周边进行全封闭，边上是天然气阀间，故称为油气模块，在油箱间及天然气阀间均配备有独立的通风风机进行通风冷却。6F级燃气轮机发电机由于采用空气冷却，所以没有密封油系统，由于轴系较短也没有配备顶轴油系统。6F级燃气轮机油系统配备2台交流滑油泵、2台液压油泵和1台直流油泵。在正常运行时，由1台交流油泵提供润滑油，油压低时启动备用交流油泵，直流油泵仅提供停机时的润滑油。

由于9F级燃气轮机是单轴布置，蒸汽轮机与燃气轮机共用1个润滑油箱，为防止轴封气漏入润滑油箱，配备了润滑油自洁系统，由循环泵﹑过滤器及加热器组成。润滑油经循环泵增压，流过加热器进入调节器的凝聚过滤器以及分离组件，能分离出5 μm的小水滴。

9F级燃气轮机的液压油及跳闸油系统由单独的液压油模块组成，包含2台液压油泵及蓄能器等组件，正常运行时液压油泵1用1备。6F级燃气轮机的液压油及跳闸油系统均取自润滑油母管，液压油经液压油泵升压，也是2台液压油泵，1用1备。

2.6 燃烧器

F级燃气轮机均配备了低氮干式(DLN)燃烧器，其中9F级燃气轮机有18个火焰筒，采用DLN2.0+燃烧器；6F级燃气轮机有6个火焰筒，采用DLN-2.6燃烧器。

在PG6111FA机组上，DLN-2.6燃烧系统的燃气控制模块安装在润滑油模块的基板上。该系统主要组成部分有速比阀(SRV)，根据燃气轮机转速的实际情况，6F级燃气轮机燃烧器主要用来调整燃气压力及遮断燃气轮机气体燃料供应；设置一组调节阀(GCV-1，GCV-2，GCV-3 ，GCV-4)，主要用来调整不同燃气母管和燃烧喷嘴的天然气流量。

其系统介质流程为：天然气经过滤器至SRV后分成PM1， PM2，PM3和QUAT 4个母管，通过VGC-1～VGC-4控制调节阀分别接至燃烧室附近的4个环管，从各环管上引出6路支管，分别与6个燃烧室喷嘴上的通道相连，与压气机排气预混后进入燃烧室燃烧。DLN-2.6的燃料控制系统取消了二次燃气、三次燃气的分配阀，采用全预混的燃烧模式，DLN-2.6系统的燃料控制系统组成结构如图1所示。

图1 DLN-2.6系统的燃料控制系统

DLN-2.0+燃烧室喷嘴布置如图2所示，每个喷嘴分别有一条预混燃烧通道和一条扩散燃烧通道，1个PM1和4个PM4为预混燃烧通道，5个D5为扩散燃烧通道。DLN-2.0+燃烧室把PM1布置在燃烧室的周边位置。在机组低负荷阶段(小于50％额定负荷)PM1喷嘴始终投入，特别是在0～10％额定负荷时，PM4喷嘴不投入运行，导致整个燃烧室温度场不均匀，产生局部热应力，影响火焰筒的寿命。在PG9351FA机组的实际运行中，火焰筒在临近PM1喷嘴的区域产生了鼓包现象。DLN-2.6燃烧室把PM1喷嘴移至中央位置，解决了火焰筒受热不均匀的问题，避免了火焰筒产生鼓包，延长了火焰筒的寿命。

DLN-2.6燃烧系统除了在燃燃室喷嘴布置上得到改进以外，还采用了全预混燃烧模式。DLN-2.0+燃燃系统在机组达到50％额定负荷才进入预混燃烧模式。DLN-2.0+燃烧室的每个喷嘴都设置了扩散通道和预混通道。采用全预混燃烧模式后，燃烧室去掉了扩散通道，仅保留预混通道，简化了燃烧室结构。从系统控制上来看，原来DLN-2.0+燃烧系统每个喷嘴的燃料量由2个控制阀来共同调节，而DLN-2.6每个喷嘴由单一的控制阀调节，喷嘴控制方式得到了简化。

图2 DLN-2.0+燃烧室喷嘴布置图

从机组污染物产生量方面看，DLN-2.6明显优于DLN-2.0。DLN-2.0燃烧系统从先导预混燃烧模式向预混燃烧模式切换前，在烟囱可以明显看到有棕黄色的烟气排出，说明该阶段排放的NOx质量浓度相当高，而DLN-2.6燃烧系统在各个模式切换过程中均未发现烟囱冒棕黄色烟气的现象。

3 结束语

6F级燃气轮机在国内投运的还比较少，目前正在运行的仅有新疆克拉玛依1套机组，浙江预计有多套6F级燃气轮机投产，因此，本文对6F级和9F级的燃气轮机的不同之处的分析比较，希望能对即将上马的6F级燃气轮机电厂运行有一定的帮助。

参考文献：

[1]楼华栋，陈小波，毛志伟.GE燃机DLN-2.6燃烧系统浅析[J].浙江电力，2011(12):70-73.

[2]中国华电集团公司.燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书:综合分册[M].北京：中国电力出版社,2009.