1MW燃气发电机组结构的模块化设计

秦川

摘要：本公司1MW燃气发电机组系列产品将核心机所需的全部系统集成在同一个集装箱上，体积较大，且系统复杂，产品生产装配进度慢，工期长。为解决上述问题，将产品引入模块化设计理念，将产品各系统模块化，改变产品主体结构。提高空间利用率，有效减少产品体积，缩减占地面积，同时提高产品装配效率，缩短工期。

关键词：燃气发电机组、模块化、体积、工期

引言

本公司1MW燃气发电机组系列产品将核心机组所需系统集成在一个集装箱上，存在两大问题。其一，由于系统高度集成，导致产品体积大，占地面积大;其二，系统复杂，生产过程中立体交叉作业，效率低，工期长。

产品总长度（长×宽×高）为13500×3000×8000mm，占地面积达40.5m2。在实际项目应用中，场地资源严重影响项目投资成本。为提供更具竞争力的产品，需减小产品尺寸，缩减占地面积，提高空间利用率。

为满足发电机组独立运行，需将电控系统、冷却水系统、滑油补给系统、烟气系统、进排风系统全部集成在同一个集装箱上，复杂的系统相互交错在集装箱内和集装箱顶部。施工过程立体交叉，相互存在影响。施工内容复杂，工期长。为提高市场竞争力，需缩短产品供货周期，优化设计方案。

1 原设计方案介绍

1.1产品PID图、结构图

系统PID图如下：

1.2冷却水系统

如图2所示，冷却水系统分缸套水系统和中冷水系统，两者分别布置在发动机正时齿轮前端和发动机侧面的集装箱内部通道顶部。工厂装配时，必须先将发电机组定位结束后，根据发电机组接口和对应的设计图，现场配做管道，进行辅助设备安装。如发电机组未装配到位，则此项工作将延后进行，影响施工进度。

1.3 润滑油添加系统

如图2所示，润滑油添加系统布置在机组室，发电机组正时齿轮前端，工厂装配时，必须先将发电机组定位结束后，根据发电机组接口和对应的设计图，现场配做管道，进行辅助设备安装。如发电机组未装配到位，则此项工作将延后进行，影响施工进度。

1.4 烟气排气系统

烟气排气系统放置于集装箱顶部，此系统施工相对独立，对进度影响不大。

1.5 燃料供给系统

如图2所示，燃料供给系统放置于发电机组接口处，在集装箱内部。该系统需在发电机组定位安装完成后，进行管道施工，对整体施工进度有影响。

1.6 通风系统介绍

如图2所示，通风系统的设立为满足发电机组燃烧所需空气量和带走机组热辐射，确保发电机组工作环境满足运行需求。产品进排风采用的结构是端进端出。进排风在同一水平线上，使得产品整体长度无法缩减。

1.7 非标集装箱介绍

如图3所示，非标集装箱作为产品的主体框架，承载所有系统。各系统分布在集装箱内和集装箱顶部。由于各系统布置分散，空间利用不佳，箱体尺寸大（长×宽×高：135000mm×3000mm×3000mm），导致产品体积无法缩减。

2 新方案介绍

新方案引入模块化设计产品尺寸（长×宽×高）为12500mm×3000mm×8000mm，缩小占地面积3m2。且各系统成模块化，彼此独立，相互装配仅需接口连接，生产过程互不干涉，效率显著提高。产品外观如图4和图5。

应用模块化设计理念后，将产品分为发电机组模块、集装箱模块、管路模块、排风模块、进风模块、燃气进气模块、电控系统（配电柜、控制柜）、排气系统。如下图6、图7、图8所示。

2.1管路模块

将冷却水系统和滑油补给系统集成在同一个撬体上构成管路模块。图6、图7所示，管路模块置于发电机组正时齿轮端前面，详细介绍如下：

冷却水管根据PID图和相关要求進行连接和安装，包括供货的水泵、三通阀、温度传感器、流量开关、电加热器、安全阀、膨胀水箱等。水管都可以在运输和维修时拆卸，支架牢固，符合国家相关标准的要求。缸套水热量不进行利用，直接依赖散热器将热量消耗。如进行利用可选配板式换热器，产品箱体留有板式换热器二次侧接口。

冷却水管采用优质钢管Q235，缸套水系统管规格DN80，中冷水管规格DN65。水管高点安装自动排气阀，低点设排水阀。安全阀泄水管接至集装箱底板以下，并做好过渡孔的隔音防护，避免造成对人身的烫伤及噪音外传。水管焊接完毕后需进行水压试验，试验压力为使用压力1.5倍。保压120分钟无泄漏为合格。表面温度超过50℃的管道全部做防烫隔热处理。

滑油补给系统包含，润滑油箱、滑油驳运泵、电磁阀等。滑油箱容积为700L，采用碳钢板制作，内部清理干净并作防锈处理。润滑油箱顶部装有超声波液位开关一个，实时监测油位，且实时将信号传输给ES柜，通过PLC计算。超出正常的量程范围30～80%，供补油故障报警。油箱安装液位指示，油箱顶部设安装孔及呼吸装置。新润滑油补充设一台新油泵，根据机组油底壳液位自动控制。新油管及阀门采用不锈钢材质，螺纹连接。发动机上的预润滑泵同时作为废油泵，通过手动阀门控制。换油时将废油抽至集装箱壁上的连接接口。集装箱内不设废油箱。

2.2排气系统

将集装箱顶部排气系统管路（包含消声器和排气防雨帽）集成在一个撬体上，安装于集装箱顶部，如图6所示。在装配时，整体吊装至集装箱顶部完成安装，详细介绍如下：

排气消音器放在集装箱顶，立式安装，法兰连接，用钢构支架牢固支撑。排气消音器降噪效果40±2DB（A）。消音器入口设有不锈钢波纹管，平衡机组运行时管道受热的膨胀量。排气消音器用Q235低合金钢制作，排气管采用40#钢管，符合ASTMA53标准。外部涂层均采用有机硅酮铝粉耐高温漆，使用寿命>10年。集装箱内排气管隔热采用可拆卸式防火隔热套，方便增压器维护时拆卸。外部排气管隔热采用岩棉，护甲为厚镀锌板。消音器卧式安装烟气出口处距地面8米，排气口采用防雨帽。水平排烟管中心线距集装箱顶距离为1.2m。排气消音器最低处设排水口并带沉水弯管，冷凝水接管道排放至地面。排气管安装排气背压传感器。排气系统可选配带有烟气利用接口的形式。在排气管道中增和三通阀，可将烟气通入板式换热器、锅炉及溴化锂机组。排气系统可选配尾气处理设备，最低可将NOx排放控制在30mg/Nm3以内。

2.3燃气进气模块

将发动机燃气进口前端所需的快速截止阀、过滤器、阻火器等组件集成到一个撬体上，构成燃气进气模块。如图7所示，该模块安装于集装箱内的发电机组燃气进口侧面，装配时以整体吊装至集装箱内部，详细介绍如下：

燃气供给系统包含自动切断阀、阻火器、温度传感器、压力表、进机软管。燃气供给系统单元采用吊挂方式安装在集装箱内，不影响机组检修及维护空间。实现对燃气的通断，过滤，流量控制，防回火的功能。燃气管道接入接口在集装箱侧墙壁上，法兰连接。所有燃气管道及管件、法兰均采用304L不锈钢，采用氩弧焊焊接，管道装配焊接后做好气密试验，试验压力不小于1bar。燃气供给系统设备的规格根据气源浓度不同进行选配。当气源为低浓瓦斯时，燃气进气系统的两个电磁通断阀改为气动蝶阀。

2.4进排风系统

进排风系统包含进风模块和排风模块。如图6、图7所示，进风模块将消声装置做成整体安装于集装箱端部，排风模块将排风消声装置做成整体，装配于集装箱顶部，形成端进上出的通风方式，不但可以有效的将机组室内热辐射带走，且缩短了集装箱尺寸。详细介绍如下：

集装箱发电机侧强制进风，发动机侧自然排风，满足机组在设计环境温度正温差15K的条件下，确保通风散热及燃烧用空气的要求。进风口位于发电机侧，安装防雨百叶窗，进风过滤采用G3级袋式滤器，过滤精度10um。进风过滤器设有一套微压差与控制器配套装置，安装在进风口适当位置，并将信号传给AS柜，通过PLC编程来实现报警，便于及时清洁或更换袋式滤器。在进、排风通道上设消音器，消音器组件可以拆卸，进、排风口设防虫网和防雨百叶窗。进风风机采用定频控制，跟据环境温度情况，自动启停风机，确保机组在集装箱门全部关闭的正常运行状态下的任何功率段，满足通风量及箱内温度，保证机组正常运行。排风消音箱集成在机组室端的集装箱顶部。排风风阀开关根据机组运行情况而定，且与火警信号联锁，一旦火警发生，风阀会在失电的条件下，快速关闭风阀，确保火势不会蔓延。

2.5集装箱模块

如图6、图7所示集装箱模块依旧作为产品主框架。如图8所示，集装箱从结构上分为机组室、电控间和进风端，取消原设计排风端，将排风端做成排风模块置于集装箱顶部，缩减集装箱整体尺寸。详细介绍如下：

高压发电机组配套集装箱尺寸为12500*3000*3000mm，集装箱墙板采用2mm波纹钢板，顶板采用厚2mm波纹钢板，地板为4.5mm厚防滑花纹钢板。预留燃气入口对接法兰（含反法兰、配套螺丝及垫片），底板采用槽钢焊接，结构强度高，满足发电机组长期室外运行的需要。集装箱箱隔音层采用优质60K吸音岩棉，内侧面板采用1.0mm镀锌孔板，隔音及防火性能优良，机组100%负载运行时箱外水平一米、垂直1.2m处≤85dBA。在集装箱发动机侧设独立控制室，内空1850*1830*2800mm，面积约3.4m2，控制室内装饰同机房内。机组控制ES柜、辅助动力柜AS柜安装于控制室。控制室过道底板上铺防滑橡胶绝缘板，安装冷暖两用空调，使控制室内温度为15℃～30℃（环境温度0～40℃）。

集装箱发动机室前右侧和左后侧分别开一个隔音门，发动机室与控制室之间开一个门，控制室端头开一个门通往室外尺寸为2200*1000mm。所有门锁配备相同的钥匙，且在任何时候内外均能打开。所有门均为风雨密封门。集装箱箱内顶部设置吊挂导轨，且发动机两侧各约0.6米的维修空间，以便于维修。集装箱发电机侧进风消音端做成全开门形式，便于大修时发电机组出入。发动机与外部连接的所有出口法兰均布置在集装箱顶或侧面，所有管道均用法兰连接且带反法兰、垫片、紧固螺丝，满足室外防雨水渗漏，方便拆卸。集装箱外设爬梯至箱顶，满足巡视及检修要求。爬梯的设置符合GB4053.1—1993《固定式钢直梯安全技术条件》。集装箱顶设置防护栏，防护栏符合GB4053.3—1993《固定式工业防护栏安全技术条件》。集装箱需保证在机组运行及停机期间良好的防水，集装箱及集装箱上的接口处不可有渗漏和滴漏。

2.6针对原方案的优化总结

尺寸优化：将原方案的进排风系统的端进端出方案改成端进顶出，有效的缩减了产品主体尺寸。

装配进度优化：将各系统模块化设计，各系统之间的生产互补干涉，各模块生产完毕后，仅需将接口拼接完成即可得到完整的产品。仅对各模块间的安装顺序做出要求。即：排风模块、集装箱模块、电控系统、排气系统模块、燃气供给模块不做安装顺序要求。管路模块、发电机组模块、进风模块依次按顺序装配。

3 结语

通过模块化设计，使各系统之间相互独立，可单独生产，产品整体生产周期不受各系统的施工顺序影响，使得生产效率有极大的改善。单台机组生产周期缩减至原生产周期的70%。且将进排风系统做成模块后，放置于集装箱顶部，改变进排风系统结构，得产品尺寸有明显改善，宽度和高度不变的前提下，长度缩减1米，节省占地面积3m2。在项目中有效解决了场地资源受限的问题。

参考文献：

[1]GB4053.1—1993 固定式鋼直梯安全技术条件[S].

[2]GB4053.3—1993 固定式工业防护栏安全技术条件[S].