典型双燃料燃气轮机产品对比及技术难点分析

2019-01-30冉军辉孔庆毅张春梅

舰船科学技术 2019年1期

杨强，冉军辉，孔庆毅，张春梅

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

双燃料燃气轮机是利用双燃料燃烧技术，在燃气轮机不停机情况下，实现不同燃料的无扰动在线切换。通过在燃气轮机中实施双燃料燃烧技术，可以提高燃气轮机对燃料的适应性，拓宽燃气轮机应用领域。

目前，海上平台用燃气轮机几乎全部采用双燃料燃烧技术。以现有中海油为例，其海上平台及处理厂共有各型燃气轮机机组174台套，全部依赖进口，其中80%以上均为双燃料机组。未来5年，该公司对单机功率20 MW级以上的双燃料机组需求量在10台以上。由于缺少国内替代资源，海上平台发电用双燃料燃气轮机逐步形成美国Solar公司、德国Siemens公司和美国GE公司等少数几家国外厂家垄断市场的势态。这些厂家掌握海上平台用双燃料燃气轮机发电机组的设备供货、维修保养、产品定价等话语权，造成设备使用和维护成本居高不下，进度受制于人，一旦产生利益冲突，将直接威胁到海上平台的电力供应，进而对油气生产造成极大影响。

现国内暂无真正意义上实现工程化应用的国产化双燃料燃气轮机，其原因主要在于双燃料燃烧技术处于瓶颈阶段。为解决这一难题，需调研大量国外先进的双燃料燃气轮机相关文献资料及实地考察，并通过分析、消化、改进等方式创新设计适合自身的双燃料燃烧技术。为实现双燃料燃气轮机国产化，打破双燃料燃烧技术瓶颈，现主要对国外具有先进双燃料燃烧技术的几家代表性公司产品进行文献资料收集，并对其技术难点进行分析，为国产双燃料燃气轮机设计提供参考依据。

1 技术现状

2.1 美国GE公司燃气轮机PGT25+G4

美国GE公司燃气轮机PGT25+G4功率为33 MW，其燃烧室属于环形燃烧室。它由喷嘴、内外罩壳、内外火焰筒等组成。罩壳用于连接压气机后机匣与火焰筒，同时分配来自高压压气机的气流，使进入燃烧室的气流稳定，罩壳由环、内外罩组成，内外罩分别焊接在火焰筒内外壁面；燃机共有30个空气雾化喷嘴，沿轴向均匀分布，每个喷嘴后部安装有轴向旋流叶片，主要用于火焰稳定燃烧和混合燃料与空气，旋流叶片内表面通过气膜冷却结构保护，防止燃烧室高温气体烧蚀叶片，喷嘴顶端安装有文式里管装置，可有效避免燃烧时在喷嘴表面附着积碳。PGT25+G4燃气轮机剖面图和三维图分别如图1和图2所示。

图1 PGT25+G4燃气轮机剖面图Fig. 1 PGT25+G4 gas turbine

图2 PGT25+G4燃气轮机三维图Fig. 2 PGT25+G4 gas turbine nozzle

2.2 乌克兰Zorya-Mashproekt公司燃气轮机DG80L3

乌克兰Zorya-Mashproekt公司燃气轮机DG80L3功率为25 MW，现运行于伊朗北阿地区，其燃烧室属于回流式环管燃烧室。它是由壳体、16个火焰筒、16个3通道的燃料喷嘴、天然气总管、燃油总管、空气总管、16支天然气管、16支燃油管、16支空气管、闭环空气供应管、2个点火器、4个放气阀（通常为关闭状态）和32个定位器等组成。16个火焰筒组装成环安装于涡轮一级导向器上，并通过32个定位器固定；16个喷嘴通过高压压气机承力机匣上的安装孔插入，与16个火焰筒装配；外壳位于火焰筒外部，并与高压压气机承力机匣和高压涡轮承力机匣通过螺栓连接；内壳位于火焰筒内部，一端与高压压气机承力机匣通过螺栓连接，另一端与扩压器搭接；2个点火器通过外壳上的安装孔插入2个火焰筒间的联焰管内。DG80L3燃气轮机燃烧室剖面图如图3所示。

2.3 美国Solar公司燃气轮机Titan130

图3 DG80L3燃气轮机燃烧室剖面图Fig. 3 DG80L3 gas turbine combustor

美国Solar公司燃气轮机Titan130功率为15 MW，现运行于海上平台，其燃烧室属于环形燃烧室。它是由喷嘴、外壳、火焰筒及可变空气阀等组成，其中喷嘴数量共有14个，燃烧室上有14个空气调节系统装置。Titan130燃气轮机及燃烧室剖面图如图4和图5所示。德国Siemens公司燃气轮机SGT500。

图4 Titan130燃气轮机剖面图Fig. 4 Titan130 gas turbine

图5 Titan130燃气轮机燃烧室剖面图Fig. 5 Titan130 gas turbine combustor

德国Siemens公司燃气轮机SGT500功率为20 MW，现运行于中海油曹妃甸海上平台，其燃烧室属于环形燃烧室。共有7个火焰筒、2个高效点火器和2个火焰探测器；燃烧室的体积是普通燃烧室的4 ～ 5倍。喷嘴为空气雾化喷嘴，其设计保证了SGT500机组可以使用天然气、柴油、原油和重油作为燃料，并可混合燃烧。在燃烧室外壳上方有气体燃料总管、液体燃料进油和回油总管、压缩空气总管分别接入7个火焰筒，喷嘴也相应的具有4个通路，其中介质分别是压缩空气、进油、回油以及天然气。燃料系统的设计可以保证机组在低负荷工况下的燃料雾化，雾化的原理设计为物理雾化设计，相比依靠外界气源更加稳定。SGT500燃气轮机结构图如图6和图7所示。

图6 SGT500燃气轮机结构示意图Fig. 6 SGT500 gas turbine

图7 SGT500燃气轮机结构三维图Fig. 7 SGT500 gas turbine graphic model

2 对比分析

2.1 结构对比

通过对比分析Solar公司、Siemens公司、GE公司和Zorya-Mashproekt公司双燃料燃烧室及双燃料喷嘴结构，其结构形式及优缺点如表1所示。

表1 双燃料燃烧室结构对比Tab. 1 Comparison of dual-fuel combustor structure

根据表1对比结果表明，不同结构形式燃烧室及双燃料喷嘴具有各自的优缺点。因此，在双燃料燃气轮机燃烧室研制时，应根据自身设计体系成熟度合理选取，并加以分析改进，以降低设计风险。

2.2 燃料系统对比

Solar公司、Siemens公司、GE公司和Zorya-Mashproekt公司的双燃料系统主要组成、功能等基本相同，主要差别在于燃气轮机单一燃料负荷运行吹扫系统，以及双燃料切换时间、工况范围等。其详细差异如表2和表3所示。

表2对比结果表明，国外各公司采用不同形式对单一燃料负荷运行时的燃料路进行吹扫。主要分为同种介质气吹扫不同燃料路或不同介质气吹扫不同燃料路，同时如采用从高压压气机后引气吹扫需考虑是否冷却。因此，在双燃料燃气轮机燃烧室研制时，具体选用何种吹扫气介质应根据用户需求和现场条件进行设计。

表2 燃气轮机单一燃料负荷运行吹扫系统差异对比Tab. 2 Dual fuel system purge system difference comparison

表3 燃气轮机双燃料系统切换特性差异对比Tab. 3 Comparison of switching characteristics of dual fuel systems

表3对比结果表明，双燃料切换耗时应与燃机功率等级（即运行时燃料总量）相关，切换工况范围应与喷嘴结构形式、燃料气阀门特性等相关。因此，在确定双燃料燃气轮机功率等级及双燃料喷嘴结构形式后，可初步估计大致切换耗时及切换工况范围，准确数据仍需通过大量试验加以验证。

2.3 排放对比

NOx排放量作为燃气轮机重要考核指标，对比Solar公司、Siemens公司、GE公司和Zorya-Mashproekt公司燃气轮机排放水平及采取措施，在国产化燃气轮机燃烧室设计时予以借鉴。国外燃气轮机NOx排放指标及采取措施对比如表4所示。

为明确燃机NOx排放量设计输入，查询国内燃气轮机NOx排放的相关标准：

表4 燃气轮机排放指标及NOx低排放技术对比Tab. 4 Comparison of gas turbine emission index and NOx low emission technology

1）火电厂排放标准GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》中规定以燃油为燃料的燃气轮机组NOx最高允许排放浓度分别为120 mg/m3，以天然气为燃料的燃气轮机组NOx最高允许排放浓度分别为50 mg/m3；

2）北京地区排放标准DB11 847-2011《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》中规定单台燃气轮机NOx最高允许排放浓度为30 mg/m3；

3）关于海洋环境下排放标准，经查询国际海洋公约相关文献附则IV、API616燃气轮机标准，以及咨询中国船级社技术专家，均无关于燃气轮机NOx排放的排放限定。

因此，污染物排放限定值需根据燃气轮机安装地区，选择相关污染物排放标准。根据该标准明确设计输入，并合理选择降排放技术，实现燃气轮机低排放要求。

3 双燃料燃烧技术难点

3.1 双燃料喷嘴设计技术

双燃料喷嘴是双燃料燃烧室的关键部件。双燃料喷嘴的设计将直接影响燃烧室出口温度分布、火焰筒壁面温度分布、污染物排放等性能指标，同时对燃烧室是否能长时间可靠运行也有重要的影响。为突破双燃料喷嘴设计技术难题，可采用现有燃烧室喷嘴成熟结构框架加以改进，在不考虑污染物排放水平的前提下，设计满足燃烧室性能要求的双燃料喷嘴，降低研制风险，之后再进行局部调整，实现低排放指标。

3.2 双燃料在线切换技术

双燃料燃气轮机在运行过程中，在保持输出功率变化量不超出设定值的前提下，完成2种或多种燃料的切换是双燃料燃烧技术的又一大难题。由于该技术为国外生产厂家的核心技术，参考资料较少，因此要实现双燃料在线切换，需对阀门特性、燃料特性、燃烧性能、切换逻辑及控制策略、风险评定等相关内容进行深入分析研究，并通过大量试验加以验证，试验中重点考察对象为燃烧稳定性（燃烧时产生的压力脉动频率）、切换耗时和切换工况范围。

3.3 双燃料混烧技术

根据运行条件需要，用户会对双燃料燃气轮机提出双燃料混烧要求。双燃料混烧与双燃料切换的区别在于：双燃料混烧为2种燃料同时燃烧，保证燃气轮机长时间运行；双燃料切换主要以单一燃料燃烧为主，在遇突发情况时，需短时间内完成2种燃料的切换，切换过程为双燃料混烧状态。双燃料混烧重点考察2种燃料同时燃烧时燃烧室壁面温度、出口温度分布等性能，其允许长时间混烧区域较允许在线切换区域窄。因此，可通过燃烧室结构设计、气动计算、热力计算、三维仿真和试验验证等手段，实现双燃料长时间混烧。

3.4 双燃料低排放技术

双燃料低排放技术难点在于将以燃油为燃料时的低排放技术与以天然气为燃料时的低排放技术统一结合起来。以燃油为燃料时，国内较为成熟的降排放技术是注水或注蒸汽技术，相较国外多样化的降排放技术，诸如分级燃烧技术、变几何燃烧技术、富态-急冷-贫态燃烧技术、贫油直接喷射技术等，仍有较大差距；以天然气为燃料时，国内较为成熟的降排放技术是贫燃预混技术，已具备一定的技术基础。但如果要同时实现双燃料燃烧技术与双燃料低排放技术，技术难度较大。因此，为降低研制风险，可分2步实施：首先着重攻关双燃料燃烧室2种燃料混烧技术及2种燃料在线切换技术，待研制成功后，下一阶段再重点进行低排放技术攻关。

3.5 吹扫冷却技术

吹扫冷却技术主要功能在于冷却未工作的燃料通道，延长喷嘴使用寿命。根据国外机组的大量相关文献，吹扫气介质存在多样化设计，包括采用同种介质或2种介质吹扫不同燃料路，其吹扫气介质的种类也具有很大差异。经分析研究，其吹扫气介质和吹扫方式的选取应根据用户要求和燃气轮机安装地点现场条件进行合理选择，当选用从燃气轮机自身引气吹扫时，应注意压缩空气是否需要冷却和附属设备尺寸重量；当选用外部气源引气吹扫时，应注意现场气源压力是否满足吹扫条件；当选用燃料气吹扫时，应注意控制吹扫气流量，避免恶化燃烧室燃烧性能。不管选用何种吹扫方式，都应利用大量试验研究加以验证，保证燃烧室的运行可靠性。