【文章內容簡介】 時，如果燃料供應系統(tǒng)的氣壓較低，則需利用燃氣增壓機來提高燃氣輪機燃 燒器入口的壓力至要求范圍內。 如果燃氣供應壓力高于燃機燃燒器入口的燃氣要求壓力，則需要設置減壓裝置降低壓力。 氣體燃料加熱裝置 燃氣輪機燃燒器不僅對入口燃料的壓力有要求，而且對入口燃料的溫度也有要求，一般為露點溫度加 28～ 30℃左右。 在寒冷地區(qū)，如我國新疆有的地區(qū)冬季最低氣溫達 39℃左右，在這種地區(qū)，燃氣供應系統(tǒng)配備燃料加熱裝置（如蒸汽加熱器等）來提高燃燒器入口的燃氣溫度。 氣體燃料主控系統(tǒng) 氣體燃料主控系統(tǒng)主要包括： ○ 1 氣體燃料過濾器； ○ 2 氣體速度 /比例截止閥和氣體控制閥組件； ○ 3 氣體燃料控制系統(tǒng)； ○ 4 通向各燃燒室的氣體燃料分配母管等。圖 1－ 6中給出了氣體燃料的系統(tǒng)圖。氣體燃料在流過過濾器時，可以除去其中夾帶的雜物，以免影響氣體控制閥和氣體速度比例截止閥的工作。過濾器下方裝有排污閥，要求定期開啟，以保持濾網清潔。在運行過程中過濾器也必須定期清洗，清洗周期的長短，則取決于氣體燃料的質量。 氣體速度比例截止閥和氣體控制閥串聯(lián)在一起，安裝在同一個殼體中，氣體控制閥的作用是，根據(jù)透平轉速和外界負 荷變化的要求，不斷地改變氣體控制閥的開度（即氣閥的通流面積），調整送入燃燒室的天然氣流量，氣體控制閥的閥芯是一個設計成為帶有裙邊的碟形體，閥座則設計成為漸縮漸擴型的拉伐爾管。由于在設計時已經確保氣體控制閥前后的天然氣壓力比總是滿足小于臨界壓比的條件，因而流過氣體控制閥的天然氣流量與閥門前后的壓力降無關，它只是氣體控制閥開度以及閥體前天然氣壓力 P2 的函數(shù)（當天然氣的溫度變化不大時）。 氣體控制閥為一個漸縮漸擴形的拉法爾噴管： 流體在噴管內流動，流速增加，壓力降低。 基本方程組 連續(xù)性方程式： 式中： 0??? vdvcdcAdAff（ 1－ 1） 2mA 噴管截面積、? 7 過程方程式： 式中： 聲速方程式： 馬赫數(shù)定義式： 由流動能量方程式、熱力學第一定律解析式、以及上述基本方程式，得： 若氣流通過噴管，此時氣體因絕熱膨脹，壓力降低、流速增加，所以氣流截面的變化規(guī)律是： 相應地，對噴管的要求是：對亞聲速氣流要做成漸縮噴管；對超聲速氣流要做成漸擴噴管；對氣流由亞聲速連續(xù)增加至超聲速時要做成漸縮漸擴噴管（縮放噴管），或叫做拉法爾噴管。各種噴管的形狀如圖 1－ 8 所示。氣體流經噴管做充分膨脹時，各參數(shù)的變化關系如圖 1－ 9 所示。 ffcdcMaAdA )1( 2 ??氣流截面擴張。，超聲速流動，氣流截面縮至最小；＝，聲速流動，＝氣流截面收縮；，亞聲速流動，,01,01,01????dAMadAMadAMasmc f /流體流速、? kgmv /3流體比容、?0?? vdvkpdp （ 1－ 2） pa壓力、?p定熵指數(shù)?kkpvc?ccMa f?（ 1－ 3） （ 1－ 4） （ 1－ 5） 圖 1－ 8 8 假定工質為理想氣體并取定值比熱容，噴管中流量隨工作條件的關系如下式： 由上式可知，當 2A 及 0p 、 0v 保持不變，也即 2A 和進口截面參數(shù)保持不變時，流量僅隨出口截面壓力與進口截面壓力之比而變，見圖 1－ 10 對于收縮噴管，當背壓 bp （噴 管出口截面外壓力）從大于臨界壓力 crp 逐漸降低時，出口截面上的壓力 2p 也逐漸下降且數(shù)值上與 bp 相等，此時 mq 則逐漸增大；到背壓等于臨界壓力時， 2p 仍等于 bp 等于 crp ， mq 達到最大 值，如圖中曲線 ab 所示。若 bp 繼續(xù)下降， 2p 不隨之下降，而仍維持等于 crp ， mq 也保持不變，為 b 點的值。因為，若氣流繼續(xù)膨脹，氣流的速度要增至超聲速，氣流的截面要逐漸擴大，而漸縮噴管不能提供氣流展開所需的空間，故氣流在漸縮噴管中只能膨脹到 2p = crp 為止，出口截面 上的流速也只能達到當?shù)芈曀?： 故而流量 mq 維持達臨界時的值不變。 將此時之壓力比，即臨界壓力比代人式 (1— 6)，即得 圖 1－ 9 ??????????????????????kkm ppvpkkAq 112020 11200cr,2 12 vpk kcc ff ???（ 1－ 6） （ 1－ 6） 9 如噴管為縮放噴管，在正常工作條件下 bp crp ，在噴管最小截面處壓力為 crp ，流速為當?shù)芈曀?crfc, 。盡管在噴管最小截面以后氣流速度達超聲速，噴管截面面積擴大，但據(jù)質量守恒原理其 截面上的質量流量與最小截面處相等。降低背壓，最小截面處壓力及流速不變，所以雖然出口截面的壓力下降，出口截面面積增大，出口流速也增大，但流量保持不變，如圖中曲線 bc 所示。但若出口截面面積 2A 是定值，隨 2p 降低，實際需要的喉部流通面積會減小，則會出現(xiàn)流量減小，如圖中虛線所示。 在設計工況下，漸縮漸放噴管的喉部截面處的氣流達到臨界狀態(tài)，氣流速度在收縮段是亞聲速的，到最小截面處等于當?shù)芈曀?，在擴張段達到超聲速 。設計工況下氣體在噴管內的壓力變化如圖 1－ 12 中曲線 ABC 所示。 若降低背壓 bp ，使之小于原出口截面設計壓力 2p ，此時喉部截面處的氣流仍為臨界狀態(tài)，故噴管流量不變。但按噴管內氣體實現(xiàn)完全膨脹的情況，通過相同的流量要求更大的出口截面面積，故噴管內氣體只能膨脹到原設計出口截面壓力 2p ，而不能繼續(xù)膨脹到 bp 。氣體流出噴管后，在管外自由膨脹，降壓至 bp ，情況與漸縮噴管相似，也稱為膨脹不足。 圖 1－ 10 噴管流量隨出口壓力變化示意圖 11122m a x 1212 vpkkkAm k ??????? ??? 10 氣體速度 /比例截止閥的作用有兩個： ○ 1 調整進入氣體控制閥的天然氣壓力 P2，使P2 成為透平轉速的函數(shù)。也就是說，當氣體速度 /比例截止閥與氣體控制閥串聯(lián)在一起工作時，可以適應機組轉速和外界負荷變化的需要，來共同調整供向燃燒室的天然氣流量。 ○ 2 保證機組在正常停機或事故停機時，能夠既迅速又嚴密地切斷供向燃燒室的天然氣。 氣體控制閥的開度（即通 流面積）是由氣體控制閥的控制伺服閥 65GC 通過一個油動機來操縱的。當然，氣體控制閥的開度（也就是油動機活塞的位置）應該根據(jù)伺服閥65GC、透平轉速以及外界負荷之間的關系來確定。當機組轉速和外界負荷確定不變時，就要求向燃燒室供給一定數(shù)量的氣體燃料，也就是說，在轉速電子調節(jié)系統(tǒng)中，就有一個標準的燃料輸入信號。而氣體控制閥的開度大小，則可以通過兩個線性可變差動變壓器 96GC 2，來感受出一個反饋信號。當這個反饋信號在機組的控制系統(tǒng)中與標準的燃料輸入信號作比較后，就能夠產生一個偏差信號 ，這個信號在經過伺服閥驅 動放大器的放大后，將傳送給 65GC，通過它去操縱油動機動作，最后使氣體控制閥的開度定位。 氣體速度比例截止閥的動作原理與氣體控制閥基本上是相似的，它是由一個氣體速度比例截止閥的控制伺服閥 90SR 通過油動機來操縱的，當氣體速度比例截止閥的開度改變時，可以使氣體控制閥前的天然氣壓力 P2 相應地發(fā)生變化。這個閥門的開度大小則可以通過一個線性可變動變壓器 96SR 來感受出一個反饋信號。這個反饋信號將與天然氣壓力 P2 發(fā)生的反饋信號（它是由氣體壓力傳感器 96FG 產生的）一起輸送給轉速電子調節(jié)系統(tǒng)中的壓力控制環(huán)路。當它們 在其中與標準的燃料輸入信號進行比較后，也能夠產生一個偏差信號。這個信號在經過伺服閥驅動放圖 1－ 13 圖 1－ 11 漸縮噴管中的壓力變化曲線 圖 1－ 12 縮放噴管中的壓力變化曲線 11 大器的放大后，將傳送給 90SR，通過它去操縱油動機動作，最后使氣體速度比例截止閥的開度定位。 氣體速度比例截止閥與氣體控制閥的動作，可以滿足整臺機組在啟動和正常運行時，氣體燃料流量的控制和調節(jié)特性的需要。 從圖 1－ 13 中可以看出，在氣體速度比例截止閥的控制閥 90SR 及其油動機之間，還裝有一個液壓泄油閥，這個閥門的動作是由跳閘控制油系統(tǒng)來控制的。當機組在正常情況下運行時（那時跳閘控制油系統(tǒng)中液壓油的油壓正常），液壓泄油 閥所處的位置能夠允許控制伺服閥 90SR 把液壓油輸送給油動機，以此去控制氣體速度比例截止閥的開度大小。當機組進行正常停機或事故停機時，跳閘控制油系統(tǒng)中的液壓油將迅速泄壓。液壓泄油閥中的彈簧將會使套筒升起，從而把油動機中的液壓油泄到機組的潤滑油箱中去。這樣就能使氣體速度比例截止閥立即關閉，由此達到切斷天然氣供給的目的。 為防止燃氣輪機停機后，有一定數(shù)量的天然氣泄漏到燃燒室中去，在啟動過程中沒有排盡，而致使點火后引起爆炸，當機組停運時，上述兩道閥門后的天然氣管道應立即自動地旁通大氣（見圖 1－ 14），即使有泄漏現(xiàn) 象，也只允許把漏氣排向高空，從而嚴防排入燃燒室。 燃機主控制系統(tǒng)確定的燃料基準 FSR ,會按比例分配給燃氣和燃油系統(tǒng)。當只燃用天天然氣時 ,其燃料量就等于 FSR 決定的總燃料量。燃燒控制系統(tǒng)的任務就是合理組合和分配燃料量 ,保證燃燒效率和穩(wěn)定性 ,抑制環(huán)境污染物的生成。 傳統(tǒng)的燃燒室采用的是擴散燃燒方式 ,即將燃氣直接噴入燃燒區(qū)域 ,和助燃空氣邊擴散摻混邊燃燒。擴散燃燒的過量空氣系數(shù)近似為 1 ,燃燒溫度非常高 ,通常高于空氣中 N2 和 O2 化學反應的起始溫度 1650℃ ,因而會產生大量的 NOx 污染物 ,而采用預混燃燒方式則可以有效地抑制 NOx 的生成。預混燃燒是預先將燃氣和空氣混和成均相、稀釋的可燃混和體 ,使燃燒在較高的過量空氣系數(shù)下進行 , 降低燃燒溫度 , 從而抑制 NOx 的生成。但正因為預熱燃燒在燃燒前進行了均勻混和 ,它的可燃范圍有限 ,在低負荷時燃燒穩(wěn)定性和效率都比較差。 針對兩種燃燒方式的不同特點 , GE 公司先后開發(fā)了幾代干式低 NOX (DLN) 燃燒室 :DLN 1 ,DLN 2 ,DLN 2 + ,DLN 2. 6 以及 DLN 2. 5H 等。 9FA 燃機的燃燒室為DLN 2 + 型 ,是兩級串 聯(lián)式燃燒室 ,每個燃燒室中有 5 個燃燒筒 ,每個燃燒筒有兩級噴嘴 ,燃燒室噴嘴布置如圖 1－ 8 所示。其中 ,D5 為位于燃燒筒后端的擴散噴嘴 ,PM1 和 PM4 是位于前端的預混噴嘴。 DLN 燃燒控制系統(tǒng)的作用就是根據(jù)運行工況 ,調節(jié) D5 、 PM1 和 PM4 的燃氣量 ,使燃燒系統(tǒng)的熱效率和排放量達到最佳 ,在任意負荷下都能穩(wěn)定運行。因此 ,燃燒控制系統(tǒng)是整個燃機控制系統(tǒng)中的關鍵和核心。燃氣系統(tǒng)的結構如圖 1－ 9 所示 ,由燃氣截止閥ASV ,燃氣速比閥 SRV 和 3 個燃氣控制閥 GCV1 、 GCV2 、 GCV3 組成 ,這些閥門 都是液壓伺服閥。其中燃氣速比閥采用 PI 調節(jié)來控制閥后燃氣壓力 P2 ,3 個燃氣控制閥圖 1－ 6 圖 1－ 14 12 分別控制進入 18 個燃燒室的 D5 、 PM1 和 PM4 的流量。 圖 1－ 15 DLN 2 + 燃燒室噴嘴布置 圖 1－ 16 燃氣系統(tǒng)結構 圖 1－ 17 燃料控制系統(tǒng)操作畫面 13 第 2章 燃氣輪機的控制系統(tǒng) 燃氣輪機控制系統(tǒng)使機組盤車把機組帶動到清吹轉速、點火，再把機組轉速提升到額定工作轉速，還要控制同期并網，然后把燃氣輪機加負荷到適當?shù)墓ぷ鼽c。這一系列過程必須自動發(fā)生和完成，同時要減小燃氣輪機熱通道部件和輔助部件中的熱應力。 燃氣輪機控制系統(tǒng)通?？煞譃?4 個功能 子系統(tǒng)，即：①主控制系統(tǒng)；②順序（程序）控制系統(tǒng)；③保護系統(tǒng)；④電源系統(tǒng)。在上述各功能系統(tǒng)中主控制系統(tǒng)是主要的，它必須完成 4 項基本控制：①設定啟動和正常的燃料極限；②控制燃氣輪機轉子的加速；③控制燃氣輪機轉子的轉速；④限制燃氣輪機的透平進口溫度。 每個時刻只有一個控制功能或系統(tǒng)能控制送到燃氣輪機的燃料流量。這幾個控制系統(tǒng)都輸入到“最小值選擇門”，該選擇門的輸出作為燃料控制系統(tǒng)的輸入。采用最小值可給燃氣輪機提供最安全的運行。 順序（程序）控制系統(tǒng)提供了在啟動、運行、停機和冷機期間輪機、發(fā)電機、啟動裝置和輔機的 順序控制。順序控制系統(tǒng)監(jiān)測保護系統(tǒng)和其他主要系統(tǒng)，如燃料系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)，并發(fā)出燃氣輪機按預定方式啟停的邏輯信號。這些邏輯信號包括轉速級信號、轉速