并联运行燃气轮机发电机组供气系统设计

摘 要

摘要：结合工程实例，对并联运行燃气轮机发电机组燃气供气系统进行分析，针对原供气方案的不足之处，提出了改进方案。关键词：燃气轮机发电机组；分布式能源系统；供气系统Design of Gas
摘要：结合工程实例，对并联运行燃气轮机发电机组燃气供气系统进行分析，针对原供气方案的不足之处，提出了改进方案。
关键词：燃气轮机发电机组；分布式能源系统；供气系统
Design of Gas Supply System for Gas Turbine Generator Set in Parallel Operation
DOU Lianwang
Abstract：Combined with an engineering ease，the gas supply system for gas turbine generator set in parallel operation is analyzed.Aimed at the deficiency of the original gas supply scheme，the improvement scheme is proposed.
Key words：gas turbine generator set；distributed energy system；gas supply system
1 工程概况
   本工程为某燃气公司建设的一套小型燃气轮机发电系统，由4台燃气轮机发电机组(以下简称燃机)组成，4台燃机总发电功率为260kW。系统可根据用户电力负荷变化，自动确定投运机组的数量。当负荷较大时，4台燃机并联运行，负荷降低时，系统可以自动减少运行机组，使系统的电力输出与用户电力特性相匹配。
   单台燃机的供气要求见表1。
表1 燃机的供气要求
燃气种类
天然气
进气压力/MPa
0.52～0.57
压力波动/(MPa·s-1)
0.0069
进气流量/(m3·h-1)
21.5
进气温度/℃
≥水露点+10
含油体积分数/10-6
≤2
燃气过滤效率
过滤10μm粒径微粒的效率≥99.9%
启动时耗气量
正常耗气量的2倍
    燃气公司中压燃气管道压力为0.15MPa，无法满足燃机的进气要求，需要对燃气进行增压处理。
    针对本工程中燃机对燃料的要求，笔者参考相关资料[1～3]，设计了一套燃机供气系统。在实际运行时，该供气系统存在某些不足之处，通过对故障诊断，提出了改进供气方案。
2 原供气方案
    为满足燃机的进气要求，需要对燃气进行增压。在压缩机后设计了一台精密过滤器，除去压缩后气体中携带的润滑油液滴，为保证过滤器更换滤芯时不影响供气，设置了过滤器旁通管路。为保证能向4台压缩机平稳供气，同时考虑到机组启动时耗气量的急速增加，在4台燃机前设置1台不锈钢燃气储气罐，容积为2.5m3。在供气系统中设置压力表(PI)、压力变送器(PT)、温度计(TI)、温度变送器(TT)、压差变送器(PDT)，对燃气供气系统参数进行监测。各设备的技术参数见表2，燃机供气系统工艺流程见图1。
表2 各设备主要技术参数
螺杆
设计压力/MPa
1.O
压缩机
标况下最大排气量/(m3·h-1)
250
精密
过滤效率
过滤10μm粒径的
微粒效率≥99.9%
过滤器
设计压力/MPa
1.0
标况下最大流量/(m3·h-1)
250
涡轮
设计压力/MPa
1.0
流量计
标况下最大流量/(m3·h-1)
250
不锈钢
设计压力/MPa
1.0
储气罐
容积/m3
2.5
    系统运行时，压缩机向储气罐充气，然后通过储气罐分配给各台燃机。通过对压缩机进行编程，当压缩机的出口压力达到0.57MPa时，压缩机自动停机，处于待机状态；当出口压力低于0.5MPa时，压缩机自动启动，给储气罐增压。
    在本工程试运行期间，出现以下情况：压缩机频繁启动；燃机不断报警提示燃气供应压力不足。经笔者仔细分析供气系统方案，认为有以下几种情况可能造成上述故障。
    ① 压缩机设定的启停范围过窄
    压缩机设定的启停压力上下限之差过小(只有0.07MPa)，而排气量很大，压缩机启动后几分钟即可使储气罐压力达到设定压力(0.57MPa)，而燃机在不断耗气，很快压力降低至压缩机的启动设定下限，造成压缩机的频繁启动。
向压缩机提供商咨询后得知，螺杆压缩机的启停设定压力范围至少要达到0.1MPa，为避免频繁启动造成压缩机损坏，必须扩大压缩机的启停设定压力范围。在本项目中，无法再调整压缩机排气压力上限，否则将超出燃机的进气压力范围。虽然下限可以适当调整，将启动压力调整到0.47MPa以下，但此时燃机的发电效率将大幅降低。可见降低启动压力也不可取。
② 燃机前未设调压装置
燃机的进气压力范围很窄，当多台燃机同时运行时，燃机对管道的抽气造成燃机前压力波动太大，导致燃机进气压力波动超过允许的波动值，从而引起燃机报警。为消除该故障，必须采取措施稳定燃机前压力。
3 改进方案
方案一：保持压缩机的启停设定压力不变，增大储气罐的容积或者扩大燃机前燃气总管管径。一旦压缩机出口压力达到设定值停机后，储气罐及出口管道的压力在0.52～0.57MPa范围波动的时间足够长，可以延长压缩机的启停间隔。同时，较大的储气罐或者大口径燃气管道也是一个稳定的压力源，燃机前的进气压力波动会相应减小，从而可以有效解决原供气系统的问题。
    方案二：保持压缩机启动设定压力不变，提高停机压力设定点到0.6MPa，满足压缩机厂家对压缩机启停设定压力范围要求(压力上下限带宽≥0.1MPa)。然后在储气罐的出口增加一套燃气调压器系统，来自储气罐的较高压力燃气经调压后，达到0.57MPa。为避免类似故障发生，对所选择的调压器调压精度提出要求，使调压后管道压力波动范围满足燃机的进气波动要求。改进方案的工艺流程见图2。
    方案三：改进思路与方案二相同，即在原系统中增加燃气调压器。本方案中调压器不是设在储气罐之后，而是设在每台燃机的燃料进口处，压缩机的设定压力与方案二相同。本方案的工艺流程见图3。
4 改进方案比选
   方案一：需要更换储气罐或者燃机前燃气总管，拆除的储气罐或管道将无法利用，势必造成工程造价增加和设备浪费。
    方案二与方案一相比，只需增加一套调压系统，虽然造价增加，但没有设备浪费。
   方案三中，在燃机前调压更加合理，更能保证燃机苛刻的供气条件(即压力波动要求)。
    这3种方案中，方案3的可行性更大。笔者对方案3进行了可行性调研并与燃机设备商沟通，燃机设备商也很认同该方案，并给出了一个参考意见，即在燃机前设置调压器和过滤器，这种设计方案在国外应用比较广泛，见图4。
 

5 结论
   ① 为满足多台燃机启动阶段燃气消耗的急剧增加，燃机供气系统应设储气罐，作为缓
    ② 为避免燃气压缩机的频繁启动，燃气压缩机的启停设定压力范围尽量提高到0.1MPa以上。
    ③ 为满足燃机对燃气压力波动的要求，燃机前应设置调压装置。
参考文献：
[1] 郝小礼，张国强.建筑冷热电联产系统综述[J].煤气与热力，2005，25(5)：67-73.
[2] 盛凯夫，饶如鳞.燃气机驱动冷热电联供系统的发展前景[J].煤气与热力，2002，22(6)：510-514.
[3] 严铭卿.燃气工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：530-557.
 
(本文作者：豆连旺 上海燃气工程设计研究有限公司 上海 200070)