轻型燃气轮机双燃料吹扫系统探讨

2022-11-03程志刚

现代工业经济和信息化 2022年9期

程志刚

（中国航发燃气轮机有限公司，辽宁沈阳 110169）

引言

双燃料燃气轮机的吹扫系统并不复杂，它们都是燃气轮机燃料系统的辅助部分[1]。吹扫应用于大多数的常规和低排放机组的燃料系统，以确保燃机具有良好的燃烧性能和运行可靠性，并延长燃机的使用寿命。用于吹扫的的介质有多种，如外部供应的压缩空气、净化处理后的水、燃机压气机排气（PCD 空气）等。所有液体燃料回路和部分燃气回路都应被吹扫，配置因机型和历史原因而异，越是新型或近些年出产的燃机，吹扫净化系统配置就越完善，这是燃气轮机持续发展改进的历程和结果。

1 吹扫系统的目的

燃料系统的吹扫是为了避免燃料喷嘴结焦、串扰和燃料系统部件发生腐蚀。

1.1 结焦

喷嘴液体燃料通道积垢（通常称为“结焦”）会导致喷嘴堵塞或损坏，从而引起燃烧室温度场分布不均或喷嘴材料脱离，进而导致涡轮硬件损坏。结焦的产生是在燃机停机或切换燃气后，液体燃料管路中存有剩余的液体燃料，剩余液体燃料被加热，从而产生结焦。燃料喷嘴结焦后，可能会导致氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）或未燃烧碳氢化合物（UHC）的排放增加、燃烧温度场分布不均匀、启动困难以及燃烧室噪声或燃烧不稳定等问题。同时，燃料喷嘴结焦可能会改变火焰轮廓，导致燃机燃烧室壁和燃机部件受损[1]。

1.2 串扰

燃料喷嘴之间的串扰会导致燃料进入非活动或休眠液体燃料回路。这种交叉流动是由于燃烧室内的微小压力变化，导致高温气体从燃烧室通过燃料喷嘴流入休眠液体燃料歧管，然后通过其他燃料喷嘴流回燃烧室而产生的。这种交叉流动会夹带燃料或燃烧产物，导致结焦、燃料管和燃料歧管过热以及燃料系统部件腐蚀等情况发生。

将燃料或燃烧产物吸入休眠燃料通道，会导致燃料系统部件过热和机械故障。吸入燃烧产物会导致燃料分配管过热。吸入未燃烧的燃料在某些情况下还会导致燃料在分配管内燃烧，也会导致燃料分配管严重过热。这两种过热现象肉眼可见，但不会同时发生在燃机的所有燃料分配管中。长期的燃料分配管过热，可导致管线产生裂纹甚至断裂。

1.3 腐蚀

如果现场使用的燃气含有大量硫化氢（H2S）并被带入交叉串扰流中，含有H2S 的燃气回流到液体燃料通道并与来自燃烧产物或空气中的水蒸气的冷凝水混合时，会形成氢硫酸。此外，液体燃料中的元素硫可与夹带水或冷凝水混合形成硫酸，这些情况都会导致后续的腐蚀发生。

在单液体燃料燃机上，在燃机停机后，吹扫系统用于清除燃料喷嘴中的残余液体燃料，以防止燃料喷嘴通道中形成结焦。燃料喷嘴在工作期间暴露在PCD空气的高温下，此时液体燃料充当冷却液，以保持液体通道温度较低。停机后，由于燃机整体的热容量较大，燃料喷嘴就被动保持高温状态，并且在没有液体燃料继续冷却的情况下，液体燃料通道温度升高，在这些条件下，积留在燃料喷嘴中的液体燃料可能会形成结焦。

在双燃料燃机液体燃料系统吹扫的主要目的：

1）从液体燃料系统中排出液体燃料（在某些情况下还提供冷却），以防止发动机停机或燃料切换时结焦。

2）防止高温气体从燃烧室回流到休眠燃料回路（串扰）。

3）当燃料中存在硫化氢（H2S）时，防止腐蚀。

燃机吹扫系统目前通常采用两种流体介质：空气和水。空气吹扫系统可使用冷却或未冷却的压气机出口排气，或由撬外压缩空气供应的设施空气。水吹扫系统使用现场提供的净化水。需根据燃机的工作条件和燃料系统设计来选择适当的吹扫系统。

所有吹扫系统的设计都要求现场提供的燃料满足燃机厂家燃料系统规范的要求。任何吹扫系统都无法克服燃料质量差的缺点。因此，客户必须使用满足燃料系统规范的燃气或液体燃料。

2 吹扫方式

燃机为了适应不同的运行模式：启动、稳态运行、燃料切换和停机，通常在任何给定机组上使用多个吹扫子系统。表1 和表2 汇总了不同的吹扫子系统，其中，三种比较常用的吹扫方式为：PCD 液体燃料反向吹扫、液体燃料模式运行时对燃气系统热PCD 正向持续吹扫和燃气模式运行冷却PCD 对液体燃料系统正向持续吹扫。

表1 燃机吹扫方式汇总

表2 不同状态下吹扫方式

2.1 液体燃料系统PCD 反向吹扫

所有运行液体燃料的机组都有一个反向吹扫阀，该阀组设置在燃料隔离单向阀和液体燃料喷嘴与撬块边缘连接之间。排放系统的设计必须尽可能地减少液体燃料管线上的低凹设计，便于液体燃料可以靠压力和自重顺利流到撬块外。在液体燃料运行期间，阀门通常关闭。

反吹扫主要用于以下两种情况下：1）液体燃料启动失败或液体燃料模式下停机。2）气切换后的反吹扫。

2.2 燃料系统正向吹扫

2.2.1 燃气总管的连续PCD 正向吹扫（热前吹）

当燃机使用液体燃料运行时，热前吹可防止液体燃料被吸入到休眠的气体燃料系统通道。该子系统由两个高温吹扫关断阀、一个排气阻尼孔和一个压力变送器组成。PCD 吹扫空气通过吹扫关断阀输送至气体燃料总管。燃机在燃气模式下运行时，这些阀门关闭（不需要吹扫）。

2.2.2 液体燃料总管及喷嘴等的连续PCD 正向吹扫（冷前吹）

冷却后PCD 吹扫系统被用于燃机运行于气体燃料时，在不超过204 ℃的温度下，用冷却后PCD 空气吹扫处于休眠状态的液体燃料分配块或液体燃料总管、尾管和喷油器。吹扫气流由PCD 和燃烧室压力之间的压差驱动。系统必须产生足够的流量，使液体燃料总管压力至少比燃烧室压力高1 psi。

该吹扫子系统结构组成通常包括冷却器、疏水阀、吹扫关断阀、排气阀、RTD 和压力变送器等。在燃机于液体燃料模式下运行时，吹扫阀关闭（不需要吹扫），阀门之间的压力受到监控，必要时，通过一个小型排气阀排放至撬块边缘外连接处。

2.3 外接低压空气吹扫

仅用于小功率的低排放燃气轮机。低压空气吹扫系统由一个关断阀和两个隔离止回阀组成，均位于撬块上。客户需要按照燃机对空气的要求标准供应压缩空气，并将压力调节至厂商规定压力范围。通常在液体燃料关闭或熄火后使用正向吹扫，不在液体燃料到燃气燃料切换期间使用。在液体燃料停机后，以及在初始反吹扫，清除歧管中剩余的大部分液体燃料后，使用空气迫使剩余的液体燃料进入燃烧室。

外接压力要求和流量要求取决于厂家要求。