天然气长输管道燃气轮机燃料气调节阀替换技术研究

王冠霖 （中国石油西部管道公司生产技术服务中心，新疆 乌鲁木齐 830011）



天然气长输管道燃气轮机燃料气调节阀替换技术研究

王冠霖 （中国石油西部管道公司生产技术服务中心，新疆 乌鲁木齐 830011）

摘要：燃气轮机被广泛的应用在天然气长输管道。控制燃气轮机运行的关键设备燃料气调节阀替换技术的研究，在管道行业尚数首次，打破了燃气轮机厂商的技术垄断，为涉及燃气轮机控制专业的同行提供了技术借鉴，更重要的是对提高管道行业燃气轮机运维质量、降低运维成本提供了明确的技术路线。

关键词：燃气轮机；燃料气调节阀；替换；控制系统；流量系数；燃料气供应需求

1　引言

西气东输一线、二线工程起新疆，分抵上海、香港，途径十余省，两条干线全长近万公里。以甘肃古浪为界，西气东输一线、二线西段共计81台机组，其中燃驱机组67台，均为进口机型。伴随着燃驱机组的广泛应用，作为控制燃气轮机运行的关键设备燃料气调节阀在实际运维中逐步暴露出一系列的问题，直接影响到机组的平稳、高效运行。

燃料气调节阀由燃机厂商提出技术要求，第三方厂商定制供货，面向最终用户的相关技术支持由燃机厂商负责提供。由于外方公司技术垄断，我方在燃料气调节阀运行和维护方面的工作难以深入开展，运维中出现的技术问题乃至备件采购，均需燃机厂商经手。面对解决问题周期长、技术服务费用高、备件采购成本不具备谈判条件等矛盾，燃气轮机燃料气调节阀替换技术研究就显得极为迫切。

2　技术前提

燃气轮机在某一工况下运行时，其所需要的燃料气供应量为固定值。根据燃料气供应量需求，监测燃料系统相关参数（燃料气调节阀阀前压力、阀后压力，燃料气供气温度等），同时结合燃料气调节阀阀组特性相关系数：燃料组分（根据现场天然气情况实际测量）、阀门通流特性（由阀体供货厂家提供），就可以得到对应此工况条件下的燃料气调节阀的开度指令。

不同厂家的阀组特性不同，开度与流量的对应关系亦不同。无论开度与流量的对应关系如何改变，都需要燃料气调节阀满足特定工况下的燃料气流量需求，方可保证燃气轮机的正常运行。

由此，在进行燃料气调节阀替换时，控制程序部分无需更改燃气轮机原有燃料控制逻辑（运行工况对应所需燃料气供应量），而是需要根据不同阀组特性差异，变更燃料气流量与调节阀开度对应关系，使新的燃料气调节阀开度指令与燃气轮机所需的燃料气流量相对应。

3　技术分析

燃料气调节阀是根据燃气轮机转速、功率等要求，按照自动控制系统的信号，遵照一定的燃料气供给规律，向燃气轮机燃烧室燃料管供应一定数量的气体燃料，同时实现紧急情况下，快速中止燃料的供给并排空燃料管内的气体燃料。考虑到天然气燃料的特殊性，新的燃料气调节阀需要性能可靠，保证燃气轮机运行安全稳定。

3.1工作要求

西气东输一线、二线西段使用的某型燃气轮机在ISO条件下，压比21.5，输出功率31.6MW，效率41%。该燃气轮机燃烧室为环形常规非低排放燃烧室，通过一根燃料总管给装有30个燃料喷嘴的燃烧室供燃料气。该型燃气轮机现有燃料系统工作要求为：

（1）燃料系统为单路供燃料气，过滤精度25um；

（2）天然气供给压力3.5～4MPa，供给温度40℃；

（3）点火时燃料气消耗量170kg/h，燃料气调节阀阀后压力0.215MPa，燃烧室压力0.198MPa；

（4）额定工况燃料气耗量6200kg/h，最大耗量7200kg/h。

3.2燃料气调节阀选型

在燃料气调节阀选型过程中，对应最大燃料流量时燃料气调节阀的前后压差，以通常燃气喷嘴喷射压比为1.2进行估算。

于是，在最大燃料气耗量时，燃料气调节阀的阀后压力，即燃料喷嘴前的压力为：

进一步可知，最大燃料流量时燃料控制阀的前后压差为：

根据燃料气调节阀流量系数Cv，得出以下计算表达式，时，燃料控制阀出口为亚音速流动，有：时，燃料控制阀出口为超音速流动，有：

式中，Cv为流量系数，gpm；Qm为燃料流量，kg/h；P1为燃料阀阀前绝对压力，MPa；P2为燃料阀阀后绝对压力，MPa；为燃料气温度，℃；u为天然气分子量，g/mol；Vcr为临界压比；K为天然气绝热指数，通常取1.3。

根据现场天然气组分，如表1所示，可知天然气分子量约为17.135，密度约为0.765kg/Nm3。

于是，针对供气压力3.5MPa和4.0MPa两种情况，由式（3）～（5）计算出机组在点火状态和最大燃料量状态时的燃料阀流量系数及开度如表2所示。

表1　天然气组分一览表

表2　燃料控制阀选型计算一览表

从表2计算结果可以看出，选择流量系数Cv为30的燃料阀可以满足西气东输一线、二线西段使用的某型燃气轮机对燃料气的调节要求，并留有足够余量。

3.3燃料气调节阀性能

本技术研究结合首台国产燃气轮机对燃料气调节阀的选型，用流量系数Cv为30的某公司非定制产品B型燃料气调节阀与现西气东输一线、二线西段使用的某型燃气轮机配套A型燃料气调节阀进行技术比对，如表3所示。

表3　燃料气调节阀技术对比一览表

从表3可以看出，同A型燃料气调节阀相比，B型调节阀可调范围更宽，但其对环境温度要求范围较窄，对气体过滤精度要求较高。总体而言，用B型燃料气调节阀去替换A型调节阀，在技术应用上是可行的。

4　特性试验

4.1试验原理

采用空气介质进行燃料气调节阀的流量特性试验，试验原理如图1所示。将压缩空气供应至燃料气调节阀流量特性试验台的管道入口，依次经过入口球阀、过滤器、切断阀、质量流量计最终到达燃料气调节阀前，通过操控台设置燃料气调节阀开度。在流量特性试验台出口设置带有调节阀的排空管，通过操控台设置排空管上调节阀开度，以此建立燃料气调节阀前后压差。通过采集燃料气调节阀不同开度下的阀前压力、阀后压力、阀前温度，以及通过燃料气调节阀的气体流量，从而建立开度I与流量系数Cv的函数关系。

图1　流量特性试验原理图

4.2试验内容

对燃料气调节阀进行流量特性试验，一是对供货厂家提供的燃料气调节阀进行复检，确保其合格、可靠；二是对燃料气调节阀在不同开度条件下的通流能力进行标定，为燃料气调节阀的整机配试提供可靠依据。试验内容如下：

（1）不同开度下的流量特性试验，建立起开度与流量系数的函数关系式；

（2）燃料气调节阀控制系统调试，包括就地控制模式调试、PLC控制程序编译调试等，检验控制系统的可靠性。

4.3试验过程

试验总体过程如下：

（1）使用氮气进行气体置换、吹扫管道，确保无杂质颗粒存在；

（2）使用专用支架、管路、密封件等将燃料气调节阀安装就位；

（3）将专用的测控接线、元器件与燃料气调节阀连接；

（4）燃料气调节阀安装完成后，进行阀位归零操作；

（5）使用氮气对流量特性试验台进行密封性试验；

（6）调节燃料气调节阀开度（初步定为10点，根据实际情况可增加试验状态点），并设置排空管上调节阀的开度，进行流量特性试验，采集系统采集并记录试验数据。

具体各项试验内容如下：

（1）就地控制模式调试

·在燃料气调节阀就地控制器上自动或手动设置燃料气调节阀最大及最小设定点，使控制器输出信号与燃料气调节阀相应阀位对应；

·在燃料气调节阀就地控制器给出数组等值递增开度信号，检查燃料气调节阀开度反馈值是否相应作等值变化；

·检查燃料气调节阀反馈值与给定信号之间的误差是否在允许范围内，否则重新标定控制器输出信号与燃料气调节阀阀位；

（2）控制程序编译调试

·依据燃料气调节阀控制器特性进行通道组态及量程标定；

·进行控制器程序变量对应匹配；

·输入燃料气调节阀特性公式。

（3）与现场流量计配合，反复试验校正燃料气调节阀特性曲线

·依据厂家提供的燃料气调节阀特性曲线进行试验；

·试验台起动后，等值递增燃料阀阀位开度信号；

·当流量稳定五分钟后，记录现场流量计的示数，建立燃料气调节阀阀位开度与实际流量之间的对应关系；

·依据燃料气调节阀阀位开度与实际流量之间的对应关系，在控制系统中，重新标定燃料气调节阀特性曲线；

·依据标定后的燃料气调节阀特性曲线，再次进行校正，反复试验，直至燃料气调节阀曲线满足控制要求。

4.4 试验数据处理

燃料气调节阀出口气体流动状态分为亚音速和超音速两种情况，其流量系数Cv计算方法如式（3）和式（4）。由于试验介质采用的是空气，而实际工作介质为天然气，因此，需对由空气介质试验计算出的流量系数Cv进行修正，以确定天然气工作介质下的真实流量系数cV。

流量系数修正方法为：

式中，Cv为空气介质试验得出的流量系数，gpm；Cv为天然气工作介质对应的流量系数，gpm；u为天然气分子量，g/mol。

根据试验设定的燃料气调节阀开度I，以及经修正后的流量系数Cv，建立燃料气调节阀开度与流量系数的函数关系，即：

在此基础上，结合式（3）和式（4），进一步建立起燃料气调节阀开度与燃料流量、前后压力、燃料温度以及燃料组分（即平均分子量）的函数关系，即：

5　整机配试

为检验燃料气调节阀在试验台上试验结果的准确性，同时确保燃料气调节阀能根据燃气轮机转速、功率等的要求，按照自动控制系统信号，依给定的燃料供给规律，向燃气轮机燃烧室供给定量的燃料气，需将燃料气调节阀安装在燃料系统上，与燃气轮机一起进行配试。

为实现B型燃料气调节阀在西气东输一线、二线西段使用的某型燃气轮机燃料系统上的安全、可靠使用，需实施以下主要调试内容。

（1）校正燃料气调节阀不同开度下与流量系数的特性关系；

（2）验证燃料气调节阀控制系统的可行性和可靠性，包括就地控制模式调试、控制程序编译调试、远程遥控模式调试等。

5.1控制系统就地控制模式

（1）在燃料气调节阀就地控制器上自动或手动设置燃料气调节阀最大及最小设定点，使控制器输出信号与燃料气调节阀相应阀位对应；

（2）在燃料气调节阀就地控制器给出数组等值递增开度信号，检查燃料气调节阀开度反馈值是否相应作等值变化；

（3）检查燃料气调节阀反馈值与给定信号之间的误差是否在允许范围内，否则重新标定控制器输出信号与燃料气调节阀阀位。

5.2控制程序编译调试

（1）依据燃料气调节阀控制器特性进行通道组态及量程标定；

（2）进行控制器程序变量对应匹配；

（3）输入燃料气调节阀特性公式。

5.3控制系统远程控制模式

（1）在燃料气调节阀就地控制器给出数组等值递增开度信号，检查燃料气调节阀开度反馈值是否相应作等值变化；

（2）检查燃料气调节阀反馈值与给定信号之间的误差是否在允许范围内，否则重新标定控制器输出信号与燃料气调节阀阀位。

5.4流量计配合校正特性曲线

（1）燃料气调节阀依据试验台校正后的特性曲线进行配机试验；

（2）燃气轮机起动后，以阀位开度信号等值递增（如渐次增加10%）的控制策略，渐升工况；

（3）每一个工况点稳定五分钟后，记录现场流量计的示数，建立燃料气调节阀阀位开度与实际流量之间的对应关系；

（4）全部工况点完成后，正常停机；

（5）依据燃料气调节阀阀位开度与实际流量对应关系，在控制系统中，重新标定燃料气调节阀特性曲线；

（6）依据标定后的燃料气调节阀特性曲线，重新起机测试，反复试验，直至特性曲线满足燃机控制要求。

6　结语

在充分了解机组运行特性、燃气轮机控制系统、燃料系统的基础上，对西气东输一线、二线西段使用的某型燃气轮机燃料气调节阀的替换技术深入研究，结合工作要求、设备选型、性能比对、特性试验及整机配试环节，证明对现有燃料气调节阀的替换是完全可行的。

文献标识码：B

文章编号：1003-0492（2016）04-0086-04中图分类号：TE832

作者简介

王冠霖（1979-），男，新疆乌鲁木齐人，工学学士，高级工程师，现就职于中国石油西部管道公司生产技术服务中心。

Replace Technology Research of Gas Turbine Fuel Gas Regulating Valve for Long Distance Natural Gas Pipeline

Abstract:Gas turbine driven compressor unit is widely used in natural gas long transmission pipeline. It is the first time in the pipeline industry to make research on the fuel gas control valve replacement operation of the key equipment. It breaks the technological monopoly of gas turbine manufacturers, and provides technical reference for professional counterparts in the gas turbine control domain. Moreover, it provides a clear technical route for improving the quality of operation and maintenance of pipeline gas turbine industry and reducing operation and maintenance costs.

Key words:Gas turbine; The fuel gas regulating valve; Replace; Control system; Flow coefficient; The fuel gas supply demand