SGT5－2000E(LC)型燃气轮机及其辅助设备介绍

张秋池，张栋芳

(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200030;2.上海电气电站设备有限公司汽轮机厂燃机部，上海 200240)

SGT5-2000E(LC)型燃气轮机是西门子公司为迎合上世纪90年代IGCC 市场需求而推出的一款适用于低热值燃料(合成气)的重型燃气轮机，自1999年在意大利的ISB Energy，Priolo Gargallo 电厂首次成功应用以来，目前已取得了超过670 000 h 的运行经验［1］，并且在中国唯一的IGCC 示范项目中获得成功应用［2］。相对于燃用常规天然气燃料的燃气轮机，SGT5－2000E(LC)型燃气轮机及其辅助设备具有两个显著的特点:一是燃料热值低、流量大、燃烧特性不同;二是需增加相关的燃料控制系统。本文将结合以上两个特点，对SGT5－2000E(LC)型燃气轮机及其辅助系统所进行的改进工作进行详细的介绍与分析，为低热值燃气轮机设计提供参考，本文对改造为燃用低热值燃料的燃气轮机的改进具有借鉴意义。

1 设计改进

SGT5－2000E(LC)型燃气轮机(设计工况出力约为175 MW，排气温度为554.4℃［3］)的原型机为燃用天然气的SGT5－2000E 型燃气轮机，其结构特点详见图1。

同燃用天然气的燃气轮机相比，燃烧低热值合成气的SGT5－2000E(LC)型燃气轮机会产生一些特殊问题，主要有:

1)由于合成气燃料热值低，为维持透平初温水平不变，低热值燃料流量需大幅增加［4］，这将造成透平通流阻塞系数增大，使燃气轮机偏离原设计工况运行，导致压气机喘振边界偏移;

图1 SGT5-2000E(LC)型燃气轮机的主要特点［3］

2)与天然气相比，合成气燃料中的氢含量多，由于成分上的区别，燃料的燃烧特性发生了变化。由于合成气中氢气的火焰传播速度快，富氢燃料在燃烧中容易发生回火、燃烧振荡现象［5］，进而危害燃机的安全运行;

3)由于合成气主要成分CO 的着火下限高，当合成气中含有较多的CO 时，点火会比较困难。这就要求合成气燃烧器应具备点火迅速、燃烧稳定、燃烧效率高的特点;同时需增大燃烧横断面积，增加燃烧室长度，进而增加CO 的停留时间以保证其充分燃烧，有利于降低尾气中CO 的排放;

4)由于合成气中氢气具有燃点低、燃烧快的特点，通常低热值燃气中所含的氢气会在燃烧器出口的前部完全燃烧，并以较快的速度释放热量，致使喷嘴出口位置出现过热现象，进而造成热部件使用寿命降低;燃烧区域局部过热还会导致NOx排放过高。

鉴于上述分析，在燃烧天然气改为合成气的燃气轮机改型设计中，西门子公司就以下两方面展开重点技术攻关:

1)解决压气机喘振边界偏移的问题;

2)解决合成气燃烧不稳定及NOx排放高的问题。

为解决上述问题，同时兼顾燃气轮机使用合成气长期运行的要求，西门子公司对SGT5－2000E(LC)型燃气轮机进行了以下两方面的改进设计。

1.1 压气机的改进设计

为能够满足机组的正常运行，同时解决因合成气燃料量的增加而造成进入透平通流中的高温气体流量增大，必须改变透平通流结构。SGT5－2000E(LC)型燃气轮机在常规SGT5－2000E 型燃气轮机压气机的第10 级后增加一级，即压气机级数由原来的16 级改为17 级;同时调整进口导叶的工作角度，使压气机在压缩空气质量流量不变的情况下加大喘振裕度，在同样压比的情况下降低由于合成气燃料量的增加对透平通流造成的不良影响。以上改进解决了燃用合成气的燃机的第一个技术问题。

1.2 燃烧器的改进设计

为解决燃用合成气时易发生的燃烧回火、燃烧不稳定以及NOx排放高的技术问题，SGT5－2000E(LC)型燃气轮机的燃烧器在原型机燃烧器的基础上，通过对燃烧器喷嘴结构进行设计改进，使得燃烧器出口稀释后的低热值燃气与压缩空气能够得到更加充分、有效的混合，进而使燃烧火焰稳定;另外，通过对合成气燃料注入蒸汽的方式稀释燃气，减少过热现象，从而达到控制燃烧温度并抑制NOx产生的目的。通过以上改进，使新型燃烧器能适应原型机筒形燃烧室而不必对燃烧室结构进行改进。图2 为燃烧器改进示意图。

图2 燃烧器改进示意图

在燃烧器喷嘴的改进设计中，除了对燃料管路分布进行优化改进外，还对燃烧器喷嘴的出口结构进行了改进:一是在喷嘴出口采用整流片的结构形式，加强燃烧器喷嘴出口混合气体的旋流强度，使得压缩空气和燃料气得到充分的混合;二是在喷嘴出口采用扩展锥的设计，最大限度地防止燃烧沉淀物在喷嘴出口堆积而导致局部过热现象发生，同时进一步加强了燃烧的稳定性。燃烧器喷嘴结构的改进详见图3。

图3 燃烧器喷嘴的改进示意图

1.3 结构未改动部分

图4 合成气燃料供应系统示意图［7］

除上述结构改进外，SGT5－2000E(LC)型燃气轮机其余部分基本采用SGT5－2000E 型燃气轮机的原有结构设计［6］，这样既保持了原机组的设计特点，又大大提高了运行的可靠性。

2 燃气轮机辅助设备的改进

由于燃料的差异，SGT5－2000E(LC)型燃气轮机除了需要配备燃用天然气的燃机所配备的常规辅助系统外，还需要改进燃料供应系统设计，即增加三个辅助系统:合成气燃料供应系统、合成气注N2系统以及燃料注蒸汽系统。以下分别对这三个辅助系统作简要的介绍。

2.1 合成气燃料供应系统

合成气燃料供应系统的主要功能:(1)调节通往燃烧室的主燃料管路和次燃料管路中的合成气流量;(2)在紧急情况下迅速切断燃料气;(3)提供与氮气注入系统和蒸汽注入系统的接口;(4)留有气体放散点接口。系统示意图详见图4。

上述系统功能通过以下流程实现:

1)合成气燃料由气化岛供应至系统接口法兰处。燃料首先进入合成气分析仪进行成份测定，之后流经过滤器。过滤器的主要功能是通过过滤燃料气中的污染物来保护阀门、仪表、燃烧室喷嘴和其他燃烧室组件。合成气流经过滤器后分成两路管路供应燃料:主管路和次管路。在主管路和次管路上分别设置有1 套调节阀和一用一备的2 套关断阀。

2)系统与合成气注N2系统有4 个接口:2 个接口位于合成气调节阀的下游，主要作用为注N2后置换管路中的残留可燃气体;另外2 个位于关断阀门和调节阀之间，注N2后起到系统隔离与密封的作用。

3)注蒸汽系统接口位于次合成气管路调节阀的下游，主要作用为注入一定比例的蒸汽量进而调节燃料与蒸汽的混合比率。在特定条件下，注入蒸汽以满足次管路中燃料的最小运行压力要求。

4)与天然气燃料供应系统相同，合成气燃料供应系统在系统阀门之间的管道上均配有燃气放散管道及阀门。

2.2 合成气注N2系统

合成气注N2系统的主要功能:(1)向合成气燃料供应系统注入惰性气体(氮气)用于在燃机启动过程中吹扫管道中残留的可燃气体，防止管道内发生气体燃烧;(2)注入氮气起到保持合成气和空气的隔离与密封作用，避免合成气与空气混合产生爆炸的危险，同时注入的氮气压力较高可确保阀门燃气侧的可燃气体不发生向管道内泄流的现象;(3)在次合成气管路中气体温度超过最大值时注入N2可起到冷却管网的作用。系统示意图详见图5。

图5 合成气注N2系统示意图［7］

2.3 燃料注蒸汽系统

燃料注蒸汽系统的主要功能:用于稀释合成气燃料，降低在合成气燃烧过程中产生的NOx。蒸汽仅注入到次级合成气管路中，在控制系统的调节下注入相应的蒸汽量与合成气燃料充分混合。为防止整套燃料系统中水的凝结，所注入的蒸汽为过热蒸汽。系统示意图详见图6。

2.4 其它辅助系统设备

SGT5－2000E(LC)型燃气轮机的其它辅助系统如进气系统、排气系统、润滑油与顶轴油系统、降噪设备与消防系统等，均与常规燃用天然气的SGT5－2000E 型燃气轮机所需的辅助系统相似，本文不另作介绍。

图6 燃料注蒸汽系统示意图［7］

3 结论

本文分析了SGT5－2000E(LC)型燃气轮机及其辅助系统的特点，详细介绍了SGT5－2000E(LC)型燃气轮机相对于SGT5－2000E 型燃气轮机在压气机、燃烧系统上的改进，并对SGT5－2000E(LC)型燃气轮机辅机所进行改进或新增的三个系统的功能及流程进行了介绍与分析。本文通过分析可为低热值燃气轮机设计提供参考，对改进燃用低热值燃料的燃气轮机具有借鉴意义。

［1］ZHANG Wei.Siemens Gas Turbine SGT5-2000E Overview［R］.Beijing:Energy Sector of Siemens，2013.

［2］国内首个绿色煤电项目华能天津IGCC 示范电厂年底并网［J］.资源节约与环保，2011，5(1):25-30.

［3］上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，西门子IGCC 技术介绍［R］.上海:上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，2008.

［4］Zhang Qiu-chi，Zhang Dong-fang.Introduction to GT and GT Auxiliary Equipments in Some IGCC Power Plant［C］//Asian Congress on Gas Turbines 2012.Shanghai:Chinese Academy of Sciences，2012:2-3.

［5］焦树建.IGCC 技术发展的回顾与展望［J］.电力建设，2009，30 (1):2-4.

［6］黄志慧，崔耀欣.STG5-2000E(LC)IGCC 燃气轮机结构介绍［J］.热力透平，2009，38 (2):119-121.

［7］Siemens AG.Syngas Skid Erection ＆ Commissioning Manuals［M］.Berlin:Energy Sector of Siemens，2010:50-100.