輕型燃氣輪機雙燃料吹掃系統探討

程志剛

（中國航發燃氣輪機有限公司， 遼寧 沈陽 110169）

引言

雙燃料燃氣輪機的吹掃系統并不復雜，它們都是燃氣輪機燃料系統的輔助部分[1]。吹掃應用于大多數的常規和低排放機組的燃料系統，以確保燃機具有良好的燃燒性能和運行可靠性，并延長燃機的使用壽命。用于吹掃的的介質有多種，如外部供應的壓縮空氣、凈化處理后的水、燃機壓氣機排氣（PCD 空氣）等。所有液體燃料回路和部分燃氣回路都應被吹掃，配置因機型和歷史原因而異，越是新型或近些年出產的燃機，吹掃凈化系統配置就越完善，這是燃氣輪機持續發展改進的歷程和結果。

1 吹掃系統的目的

燃料系統的吹掃是為了避免燃料噴嘴結焦、串擾和燃料系統部件發生腐蝕。

1.1 結焦

噴嘴液體燃料通道積垢（通常稱為“結焦”）會導致噴嘴堵塞或損壞，從而引起燃燒室溫度場分布不均或噴嘴材料脫離，進而導致渦輪硬件損壞。結焦的產生是在燃機停機或切換燃氣后，液體燃料管路中存有剩余的液體燃料，剩余液體燃料被加熱，從而產生結焦。燃料噴嘴結焦后，可能會導致氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）或未燃燒碳氫化合物（UHC）的排放增加、燃燒溫度場分布不均勻、啟動困難以及燃燒室噪聲或燃燒不穩定等問題。同時，燃料噴嘴結焦可能會改變火焰輪廓，導致燃機燃燒室壁和燃機部件受損[1]。

1.2 串擾

燃料噴嘴之間的串擾會導致燃料進入非活動或休眠液體燃料回路。這種交叉流動是由于燃燒室內的微小壓力變化，導致高溫氣體從燃燒室通過燃料噴嘴流入休眠液體燃料歧管，然后通過其他燃料噴嘴流回燃燒室而產生的。這種交叉流動會夾帶燃料或燃燒產物，導致結焦、燃料管和燃料歧管過熱以及燃料系統部件腐蝕等情況發生。

將燃料或燃燒產物吸入休眠燃料通道，會導致燃料系統部件過熱和機械故障。吸入燃燒產物會導致燃料分配管過熱。吸入未燃燒的燃料在某些情況下還會導致燃料在分配管內燃燒，也會導致燃料分配管嚴重過熱。這兩種過熱現象肉眼可見，但不會同時發生在燃機的所有燃料分配管中。長期的燃料分配管過熱，可導致管線產生裂紋甚至斷裂。

1.3 腐蝕

如果現場使用的燃氣含有大量硫化氫（H2S）并被帶入交叉串擾流中，含有H2S 的燃氣回流到液體燃料通道并與來自燃燒產物或空氣中的水蒸氣的冷凝水混合時，會形成氫硫酸。此外，液體燃料中的元素硫可與夾帶水或冷凝水混合形成硫酸，這些情況都會導致后續的腐蝕發生。

在單液體燃料燃機上，在燃機停機后，吹掃系統用于清除燃料噴嘴中的殘余液體燃料，以防止燃料噴嘴通道中形成結焦。燃料噴嘴在工作期間暴露在PCD空氣的高溫下，此時液體燃料充當冷卻液，以保持液體通道溫度較低。停機后，由于燃機整體的熱容量較大，燃料噴嘴就被動保持高溫狀態，并且在沒有液體燃料繼續冷卻的情況下，液體燃料通道溫度升高，在這些條件下，積留在燃料噴嘴中的液體燃料可能會形成結焦。

在雙燃料燃機液體燃料系統吹掃的主要目的：

1）從液體燃料系統中排出液體燃料（在某些情況下還提供冷卻），以防止發動機停機或燃料切換時結焦。

2）防止高溫氣體從燃燒室回流到休眠燃料回路（串擾）。

3）當燃料中存在硫化氫（H2S）時，防止腐蝕。

燃機吹掃系統目前通常采用兩種流體介質：空氣和水?？諝獯祾呦到y可使用冷卻或未冷卻的壓氣機出口排氣，或由撬外壓縮空氣供應的設施空氣。水吹掃系統使用現場提供的凈化水。需根據燃機的工作條件和燃料系統設計來選擇適當的吹掃系統。

所有吹掃系統的設計都要求現場提供的燃料滿足燃機廠家燃料系統規范的要求。任何吹掃系統都無法克服燃料質量差的缺點。因此，客戶必須使用滿足燃料系統規范的燃氣或液體燃料。

2 吹掃方式

燃機為了適應不同的運行模式：啟動、穩態運行、燃料切換和停機，通常在任何給定機組上使用多個吹掃子系統。表1 和表2 匯總了不同的吹掃子系統，其中，三種比較常用的吹掃方式為：PCD 液體燃料反向吹掃、液體燃料模式運行時對燃氣系統熱PCD 正向持續吹掃和燃氣模式運行冷卻PCD 對液體燃料系統正向持續吹掃。

表1 燃機吹掃方式匯總

表2 不同狀態下吹掃方式

2.1 液體燃料系統PCD 反向吹掃

所有運行液體燃料的機組都有一個反向吹掃閥，該閥組設置在燃料隔離單向閥和液體燃料噴嘴與撬塊邊緣連接之間。排放系統的設計必須盡可能地減少液體燃料管線上的低凹設計，便于液體燃料可以靠壓力和自重順利流到撬塊外。在液體燃料運行期間，閥門通常關閉。

反吹掃主要用于以下兩種情況下：1）液體燃料啟動失敗或液體燃料模式下停機。2）氣切換后的反吹掃。

2.2 燃料系統正向吹掃

2.2.1 燃氣總管的連續PCD 正向吹掃（熱前吹）

當燃機使用液體燃料運行時，熱前吹可防止液體燃料被吸入到休眠的氣體燃料系統通道。該子系統由兩個高溫吹掃關斷閥、一個排氣阻尼孔和一個壓力變送器組成。PCD 吹掃空氣通過吹掃關斷閥輸送至氣體燃料總管。燃機在燃氣模式下運行時，這些閥門關閉（不需要吹掃）。

2.2.2 液體燃料總管及噴嘴等的連續PCD 正向吹掃（冷前吹）

冷卻后PCD 吹掃系統被用于燃機運行于氣體燃料時，在不超過204 ℃的溫度下，用冷卻后PCD 空氣吹掃處于休眠狀態的液體燃料分配塊或液體燃料總管、尾管和噴油器。吹掃氣流由PCD 和燃燒室壓力之間的壓差驅動。系統必須產生足夠的流量，使液體燃料總管壓力至少比燃燒室壓力高1 psi。

該吹掃子系統結構組成通常包括冷卻器、疏水閥、吹掃關斷閥、排氣閥、RTD 和壓力變送器等。在燃機于液體燃料模式下運行時，吹掃閥關閉（不需要吹掃），閥門之間的壓力受到監控，必要時，通過一個小型排氣閥排放至撬塊邊緣外連接處。

2.3 外接低壓空氣吹掃

僅用于小功率的低排放燃氣輪機。低壓空氣吹掃系統由一個關斷閥和兩個隔離止回閥組成，均位于撬塊上?？蛻粜枰凑杖紮C對空氣的要求標準供應壓縮空氣，并將壓力調節至廠商規定壓力范圍。通常在液體燃料關閉或熄火后使用正向吹掃，不在液體燃料到燃氣燃料切換期間使用。在液體燃料停機后，以及在初始反吹掃，清除歧管中剩余的大部分液體燃料后，使用空氣迫使剩余的液體燃料進入燃燒室。

外接壓力要求和流量要求取決于廠家要求。

2.4 水吹掃

在油切氣或液體燃料狀態停機后，水用于將殘余液體燃料吹掃至燃燒室。此外，在從氣體燃料切換為液體燃料之前，水用于降低噴嘴液體燃料通道的壁溫。如果沒有這種初始水吹掃，液體燃料在第一次進入噴嘴時可能會形成焦炭，從而導致噴嘴結焦。

水吹掃系統由安裝在燃機撬內的部件和一個單獨的水泵撬塊組成。水泵撬塊包括泵和電機總成、吸濾器、安全閥、壓力變送器、水電導率傳感器和分析儀。泵電機可由變頻驅動器（VFD）驅動，相關VFD 必須位于安全（非危險）區域。該系統滿足NEC 或ATEX應用的認證。

在提供水處理系統時，客戶應考慮燃機廠家對燃氣輪機壓縮機清洗水和吹掃水的要求。

3 結語

本文詳細闡述了輕型雙燃料燃機常用的幾種燃料系統吹掃吹掃工作方式，希望能對提高燃氣輪機輔助系統的認識有所裨益。