雙燃料燃氣輪機燃料管路回火原因分析及改進

申春艷,王尹卓然,趙 勇

(1.中國航發燃氣輪機有限公司,遼寧 沈陽 110000;2.東北大學,遼寧 沈陽 110000)

1 引 言

隨著燃氣輪機適應性需求的提高,目前海上平臺使用的燃氣輪機多配備雙燃料系統(即氣體燃料和液體燃料),且兩種燃料能夠互相切換和混燒。國外此項技術已發展得相對成熟,例如Siemens、GE、Solar等公司生產的雙燃料燃氣輪機,其性能先進,且能夠在60s內實現天然氣至柴油的在線切換[1]。

為實現重要能源裝備的國產化替代,需要在現有國產燃氣輪機燃燒室及燃料系統的基礎上,結合國外多型雙燃料燃氣輪機的設計理念,對燃燒室結構、燃料系統布置及控制系統進行改進設計。國內目前暫無真正意義上實現工程化應用的國產化雙燃料燃氣輪機,其原因主要在于雙燃料燃燒技術還處于瓶頸階段。而且,目前海上平臺用燃氣輪機幾乎全部采用雙燃料燃燒技術[2]。

為解決這一難題,通過調研大量國外先進的雙燃料燃氣輪機相關文獻資料,并通過分析、消化、改進等方式創新設計適合自身的雙燃料燃燒技術,并對其技術難點進行分析,為國產雙燃料燃氣輪機設計提供參考依據。雙燃料燃氣輪機是在單燃料基礎上改進研制的,存在單一燃料獨立工作和兩種燃料混合工作狀態。研制過程中的關鍵技術包括雙燃料噴嘴設計、燃料切換控制策略、混燒技術、低排放技術、清吹技術等。雙燃料噴嘴設計的難點在于保證燃燒室壁溫及出口溫度場均勻;燃料切換控制的難點在于降低波動幅值及縮短調節時間;混燒技術的難點在于對混燒區域的控制;低排放技術的難點在于將氣、液兩種燃料低排放技術結合;清吹技術的難點在于選擇合適的清吹氣源及清吹氣流量,從而實現冷卻噴嘴和避免高溫燃氣倒灌的目的[3-5]。

由于國內相關工程經驗較少,燃氣輪機采用設計的清吹系統進行功能驗證時出現了回火現象,嚴重影響燃氣輪機的穩定性及安全性。針對此現象,本文通過分析故障原因,提出了改進方案及并進行了工程驗證,證明了其合理性和可行性,為同類型燃氣輪機設計積累了一些經驗,為后期雙燃料燃氣輪機燃燒室設計提供了設計支撐。

2 故障現象

2.1 研制過程回火故障現象

初始設計的雙燃料燃氣輪機清吹系統結構如圖1所示,采用大流量的空壓機對燃氣及燃油總管進行清吹,通過調節閥控制清吹氣流量,并在每條管路上設置單向閥、速斷閥、壓力表及流量計,以實現清吹通道切換及監測保護的功能。

圖1 雙燃料燃氣輪機燃料及清吹系統示意圖

試驗過程中,燃氣輪機采用柴油點火啟動,全速空載狀態開始利用空壓機對燃氣管路持續清吹。燃氣輪機在大工況運行時發生了回火現象,部分燃氣總管及分管燒紅,如圖2所示。

圖2 某型燃氣輪機燃氣管路

2.2 相似故障及解決措施

針對雙燃料燃氣輪機回火問題,相關人員進行了廣泛研究,并對清吹系統及燃燒室結構提出了改進方案。鄧紅濤針對SOLAR CENTAUR H50型燃氣輪機長時間運行后燃油管路燒紅的現象(如圖3所示)進行了分析,得出燃油分管壓力不均是造成燃油管路燒紅的原因之一,并提出加裝前置壓縮機擴散器壓力空氣吹掃系統的改進方案[1]。張善軍等針對燃燒室高溫燃氣回流至燃料噴嘴造成分管燒蝕及噴嘴結焦的問題,設計了一種帶自身引氣清吹系統的雙燃料燃燒室噴嘴[2]。

圖3 燃油管路燒紅

3 回火原因分析及驗證

3.1 仿真分析

回火故障發生后,對燃氣輪機進行硬件檢查,發現周向各燃氣噴嘴存在不同程度的積碳?；诖爽F象,以回火故障前的燃燒室壓力及空壓機出口壓力作為邊界條件,利用ANSYS Fluent仿真計算軟件,建立如圖4所示的模型,進行速度場計算,結果如圖5所示。

圖4 仿真模型

圖5 計算結果

通過仿真分析可以得出,采用壓縮空氣對燃氣管路進行清吹時,由于空壓機的流量偏小,清吹空氣無法從所有噴嘴全部高速排出,導致燃燒室內高溫燃氣從部分噴嘴、分管倒灌至燃氣總管,造成回火故障。仿真分析結果與試驗現象一致,表明清吹氣量不足是誘發雙燃料燃氣輪機回火故障的關鍵因素。

3.2 分析結論驗證

為驗證仿真分析結論,再次試驗時采用二倍于原流量的空壓機進行清吹,并對燃氣分管及總管壁面溫度進行監測,測點位置見圖6,結果如圖7所示。采用更大流量的空壓機進行清吹后,未出現燃料總管及分管燒紅的現象。通過壁面溫度監測結果可知,部分燃氣分管壁溫會高于平均溫度,表明空壓機的清吹流量仍然偏小,清吹空氣無法從全部20個燃氣噴嘴高速排出,部分噴嘴內存在高溫燃氣倒灌的現象。由于噴嘴至速斷閥之間為“死腔”通道,理想情況下,倒灌的高溫燃氣會滯止于固定位置,但實際情況受火焰筒內氣流脈動的影響,滯止位置會發生波動,此結論與仿真分析結果一致。

圖6 燃氣管路壁溫測點周向分布示意圖(順氣流方向)

圖7 燃氣管路壁面溫度

3.3 空壓機能力需求

以燃燒室壓力為邊界條件,按不出現燃氣倒灌的情況對空壓機能力需求進行仿真計算,可以得出,為保證清吹效果,需保證一定的清吹速度,而清吹容積(燃料總管及分管)相對較大,則在整個清吹過程中需裝置大流量的壓縮機。從經濟性及場地空間考慮,采用空壓機清吹方案存在一定的局限性,需研制新的清吹方法。

4 清吹系統改進及應用情況

由于燃燒室擴壓過程存在流阻損失、空氣由小孔流入存在摩擦損失、冷熱氣流摻混及燃燒存在熱阻損失,燃氣輪機在各工況下的燃燒室內壓力均低于壓氣機出口壓力。燃燒室造成的壓力損失由總壓恢復系數表示,一般情況下,管式燃燒室的總壓恢復系數為0.95～0.99,環形和環管式燃燒室的總壓恢復系數為0.92～0.975[3]。燃燒室總壓恢復系數公式如下:

(1)

在現有空壓機能力無法滿足清吹需求的情況下,基于上述原理及空壓機清吹的運行經驗,對清吹系統進行改進設計(如圖8所示),即采用壓氣機出口的高壓空氣對燃氣管路進行清吹,利用壓氣機出口與燃燒室的壓力差,將噴嘴出口處清吹氣體始終保持正向流動;采用天然氣對燃油管路進行清吹,清吹流量及壓力可通過燃調閥調節。為保證燃氣輪機運行安全,在壓氣機引氣清吹管路上設置2個高溫速斷閥,并安裝壓力表進行泄漏報警監測。

圖8 雙燃料燃氣輪機燃料及清吹系統改進設計示意圖

為驗證上述方案的清吹效果,試驗過程中在壓氣機引氣及燃氣管路壁面設置溫度監測,測點位置見圖9,燃氣輪機由0.3工況至最大狀態的壓氣機引氣及燃氣管路壁溫測試結果如圖10所示。根據試驗結果可知,采取壓氣機引氣清吹燃氣管路后,壓氣機引氣管、燃氣總管、燃氣分管壁面溫度呈逐級下降趨勢,壁面最高溫度未高于設計點壓氣機出口溫度,表明燃燒室內高溫燃氣未出現倒灌現象,改進措施驗證有效。

圖9 壓氣機引氣及燃氣管路壁溫監測周向分布示意圖(順氣流方向)

圖10 壓氣機引氣及燃氣管路壁面溫度

5 結束語

吹掃冷卻技術主要用于冷卻未工作的燃料通道,延長噴嘴使用壽命。本文通過兩種吹掃方式的對比及對雙燃料燃氣輪機回火故障的仿真分析和試驗驗證,得出清吹氣量不足是導致回火故障的原因。所提出的采用壓氣機引氣及天然氣清吹的改進方案,可以有效避免燃燒室內高溫燃氣倒灌,實現對非工作燃料管路清吹保護的目的,且無需額外配備清吹設備。由此可以得出,雙燃料燃氣輪機的燃料及燃料吹掃系統本身并不復雜,但由于對該系統的特性及各項參數了解不夠,造成了燃氣輪機燃燒調整完全依賴于外方的局面,本文對燃氣輪機燃燒調整提供了重要的參考。