M251S型燃气轮机零值班燃料试验及研究.docx
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M251S型燃气轮机零值班燃料试验及研究
M251S型燃气轮机零值班燃料试验及研究
第24卷第2期
2011年6月
《燃气轮机技术》
GASTURBINETECHNOLOGY
Vo1.24N0.2
Jun.,2011
M251S型燃气轮机零值班燃料试验及研究
周小力,杨锐
（1.湖南涟源钢铁集团有限公司热电厂,湖南娄底417009;
2.浙江杭州汽轮机股份有限公司,杭州310022）
摘要:
本文描述了涟钢应用日本三菱M251S型燃气轮机零值班燃料试验方法及取得的效果和亟待改进的
问题.
关键词:
零值班燃料;试验;研究
中图分类号:
TM611.24文献标识码:
B文章编号:
1009—2889（2011）02—0065～05
低热值高炉煤气燃气轮机为了点火和保安大多
采用值班燃料的方式.值班燃料的连续不断使用,
造成采购,使用,维护成本的增加,且因该部分的设
备故障导致停机在多个运行单位都有报道.以三菱
的M251s型燃气轮机为例:
1台燃机必须采用2台
活塞式焦炉煤气（COG）压缩机或者1台螺杆式焦
炉煤气压缩机与之配套,该部分使用,维护成本较
高,且故障率也不低.为此,通过努力,涟钢与杭汽,
三菱在2010年3月15日至3月18日实施了关闭
值班焦炉煤气的零值班燃料试验.
1基本原理
1.1燃机燃烧室结构
M251S型燃机燃烧室主体构造由下列部件完成:
a.主喷嘴;b.值班喷嘴;c.燃烧筒;d.过渡段.见图1.
图1燃烧室结构图
其工作原理为:
燃机具备条件时,点火栓启动高由于值班焦炉煤气点燃后火焰前温度高于600~C以
压点火装置点火,值班焦炉煤气经隔离阀和控制阀上,所以很容易直接将燃烧筒内的高炉煤气引燃,随
送入值班燃料喷嘴与压缩空气混合点燃,如果火检着高炉煤气量的提高燃机逐渐升速.
装置检测到火焰,则自动控制高炉煤气隔离阀和超1.2零值班燃料管道改进
速跳闸阀打开,高炉煤气经主喷嘴向燃烧筒供气.要实现燃机零值班燃料运行,就必须对燃料系
收稿日期:
2010—07—29改稿日期:
2010—10一o1
66燃气轮机技术第24卷
统进行改造,因为只是切断值班燃料供应,就会造成
燃料从喷嘴倒灌到值班燃料环形管道内燃烧,沙钢
就发生过因值班燃料管道堵塞,而烧坏了值班燃料
环形管道的实例.为此,对值班燃料管道进行了改
进（见图2）,增加了高炉煤气吹扫及供阀,高炉煤气
吹扫切断阀,氮气密封阀及相关的节流装置（未在
图上标注）.
氮气奄封阀放阀
嘉笏!
{）一l『）禺扫切断阀上11隔离阎乐缩栅
燃烧室
\
涡轮
//
赢
乎景控制阀值班焦气'高炉煤气值班焦炉煤气一流—J———1—二i一髂蹴
就压
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寓?
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值班焦炉煤气环形管
2工艺管线
1.3零值班燃料控制逻辑的改进
在增加了相关阀门的同时,对燃料系统的控制
逻辑也进行了相应的修改,然后进行零值班燃料运
行的试验.燃机点火过程及投入高炉煤气也发生了
相应的变化.
当高炉煤气热值在2400kJ/m～3732kJ/rn
（标准状况下）之间时,其它辅助设备正常,燃机就
具备启动条件.启动电机运转带动燃机清吹（防止
燃烧室,余热锅炉内有煤气）,此时高炉煤气吹扫及
供阀关闭,高炉煤气隔离阀打开,氮气密封阀关闭,
同时热值控制系统调整煤气热值到点火需求热值,
当清吹时间达到程序设定值时,燃机降速至610#
rain左右,值班焦炉煤气投人,点火栓进枪,COG流
量控制阀和值班焦炉煤气放散阀打开.然后打开值
班焦炉煤气隔离阀,4s后再关值班焦炉煤气放散
阀,点火,火检成功后,升速打开高炉煤气放散阀,高
炉煤气超速跳闸阀和高炉煤气隔离阀,吹扫4s后高
炉煤气放散阀关闭,主燃料投入,燃机升速,180s
后,氮气密封阀打开,燃机进入调速器控制模式.约
30min后,自动励磁系统和自动同期装置投入,开始
自动并网发电,带初始负荷1.5MW,燃机自动转入
负荷控制模式.
启动,清吹,点火,加速至3O00r/min并网燃机
转速与燃机排气温度曲线如图3.
速度曲线
/
/
——7
//温度曲线
燃火/,/
7
图3燃机转速,排气温度曲线圈
当高炉煤气热值和负荷达到试验所需的热值
和负荷时,进行零值班燃料试验:
启动"零值班燃料投入"开关,高炉煤气吹扫及
供阀打开,同时,焦炉煤气流量控制阀从原有的开度
向阀位开度25%方向关闭,然后氮气密封阀打开,
值班焦炉煤气隔离阀关闭,接着高炉煤气吹扫切断
阀关闭,值班焦炉煤气放散阀打开,至此,值班焦炉
煤气已退出,回流高炉煤气吹扫已投入.
如果需要退出零值班燃料,则只需启动"零值
班燃料退出",在焦炉煤气压力达到额定压力时,氮
气密封阀关闭,高炉煤气吹扫切断阀打开,同时,焦
炉煤气流量调节阀向对应负荷阀位开度推进,然后,
焦炉煤气放散阀关闭,焦炉煤气隔离阀打开,高炉煤
气吹扫及供阀关闭,零值班燃料退出,值班焦炉煤气
系统恢复运行.
事故状态零值班燃料燃机停机联锁的逻辑为:
高炉煤气吹扫及供阀切断,高炉煤气吹扫切断阀打
开,氮气密封阀打开4s后关闭.如果没有投零值班
燃料,由于高炉煤气吹扫及供阀切断,高炉煤气吹扫
切断阀打开,氮气密封阀关闭,则与没有实现零值班
燃料停机方式一致,关闭焦炉煤气隔离阀,焦炉煤气
流量控制阀,打开焦炉煤气放散阀.
2试验过程及数据
2.1试验数据
在燃气热值为高热值3090kJ/m一3600kJ/m
（标准状况下,文中燃气高热值数值都为标准状况
下）的范围之内,实施了从额定负荷到空负荷的零
值班煤气试验.其数据如下所示.
（1）100%负荷
在100%负荷下关闭值班焦炉煤气,将燃料热值
第2期M251S型燃气轮机零值班燃料试验及研究67
从3500kJ/m降到了3070kJ/m,低循环燃烧振动
以及BPT偏差（燃机各叶片通道温度与叶片通道温
度平均值的偏差）均在控制值以下,见图4,图5.
}3-30Hz一——Limit:
2.2kPaL—c
lI
j;A1arm:
i.5kPa
{{】
{I{{
图4低循环燃烧振动（旁路阀开度0%）
Alarm+30"C（Trip+60~C）
『
^aIⅢuLlI1pouL,——
图5BPT偏差
（2）75%负荷
在75%的负荷下关闭值班焦炉煤气,将燃料热
值从3400kJ/m.开始降低,当降至3200kJ/m以
下时,低循环燃烧振动的程度开始变大,见图6.
j{
;830Hz+———～————Limit:
2.2k
I
l}0i
盎l【A1arm:
1.5k
_____二『￡
j{J
图6低循环燃烧振动（旁路阀开度18%）
因为加大燃烧器旁路阀开度有减少低循环燃烧
振动的趋势,所以在低热值侧打开旁路阀实施了试
验,并确认燃烧振动得到控制.在低热值侧调节燃
烧器旁路阀开度,见图7.
{I
;8瑚H…一0……1lLimit:
2.2kPa-Ij
iT『I
}{rAlarm:
1.5kPa
二鬻磷潮二304050
Combustorbypassvalvedemand（%）
图7相对于旁路阀开度的低循环燃烧振动（3090kJ/m）
（3）50%负荷
在50%负荷下关闭值班焦炉煤气的运行中,当
燃料热值为3400kJ/m以上时,燃烧振动和BPT
偏差均在控制值以下.在低热值侧,与75%负荷时
一
样,打开了燃烧器旁路阀进行了试验,确认燃烧振
动不存在问题.热值为3400kJ/m以及3090kJ/
m时,调节燃烧器旁路阀开度时的低循环燃烧振动
见图8,图9.
鲻
l
8-30HLimit:
2.2kPa
Alarm:
.5kPa.
翻巍盔一r—岫穰
图8相对于旁路阀开度的低循环燃烧振动（3400kJ/m）
J=
;
Limit:
2.2kPa8—3OHz
I
A1arm:
.1
.5kPa
l
j醯鳝爵毳矗
l鞫
图9相对于旁路阀开度的低循环燃烧振动（3090kJ/m）
（4）25%负荷
在25%负荷下关闭值班焦炉煤气的运行中,燃
料热值为3400kJ/m以上时,燃烧振动和BFF偏
差均在控制值以下.在低热值侧,与75%负荷时一
样,打开了燃烧器旁路阀进行了试验,确认燃烧振动
不存在问题.热值为3400kJ/m以及3090kJ/m
时调节燃烧器旁路阀开度时的低循环燃烧振动见图
10,图l1.
（5）空负荷
在空负荷下关闭值班焦炉煤气的运行中,燃料
热值为3400kJ/m以上时,燃烧振动和BPT偏差
均在控制值以下.在低热值侧,与75%负荷时一
样,打开了燃烧器旁路阀进行了试验,确认燃烧振动
不存在问题.热值为3400kJ/m以及3090kJ/m
时调节燃烧器旁路阀开度时的低循环燃烧振动见图
12,图13.
2.2试验结论
试验分别以100%,75%,50%,空载负荷下的
燃烧性确认,以及高热值3600kJ/m,3400kJ/m,
68燃气轮机技术第24卷
Il
iS-30Hl{Limit:
2.2kPa
}J'iA1arm:
1.5kPa
jii
盘一趣酗
I}Limit:
2.2kPa8—30Hz}
{
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A1arm:
1.5kPaf
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lMlJ2
图12相对于旁路阀开度的低循环燃烧振动（3400kJ/m）
^
V
鲻
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幽
8—30ttzLimit:
2.2kPa
A1arm:
1.5kPa
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黼嚣磅嘲
708090100
Combustorbypassvalvedemand（%）
图l3相对于旁路阀开度的低循环燃烧振动（3090kJ/m）
3090kJ/m时的燃烧性确认,试验结果为在燃料热
值为3400kJ/m以上时,维持现在的设定状态就可
以运行,但热值为3090kJ/m时,燃烧振动的级别
较大,在当前的设定状态下不能运行.但是,通过改
变燃烧器旁路阀的开度设定,确认到所有负荷带,燃
料高热值带均可运行,见图l4.
3试验遗留及处理
3.1试验遗留
由于4月14日涟钢3}}燃机（没有实行零值班
燃料的三菱M251S机组）发生了高炉煤气复燃事
100
75
詈5O
.25
0
309034003600
Fuelgascalorie（kJ/m~）
0:
当前的设定状态下可以进行零值班煤气运行
△:
通过改变燃烧器旁路阀的设定可以运行
图14各负荷带,燃料热值带的燃烧确认结果
件,原定进行1#燃机零值班系统的负荷摆动试验,
负荷急降试验,100%甩负荷试验被迫推迟.
事件描述:
2010年4月14日10:
30接调度通
知,高炉复风,要求启动3#燃机.12:
18并网后带初
始负荷,由于煤气不足以及对应的汽轮机还在暖管,
负荷一直没有往上加.13:
l8负荷在1.5MW以下
摆动,突然由0.28MW降为一0.16MW,此时发电机
已变为同步电机,高炉煤气热值急剧下降,从3500
kJ/m降到2400kJ/m以下.50s后,燃机发电机
功率由负转正,最高到3.48MW,最终由于燃机逆功
率保护动作停机.
涟钢分析认为,燃烧器没有全部熄火,因为高炉
煤气热值下降（工艺原因）,燃烧器部分熄灭,当高
炉煤气热值上升时燃烧器被再次引燃.
在有值班燃料的情况下,高炉煤气热值急速下
降,再突然上升,会对设备造成一定的冲击和破坏;
而在没有值班燃料的情况下,此时的高炉煤气在燃
烧室内可能会发生爆燃,其后果将更加严重.基于
这个原因,上述三个小试验被暂缓进行.其实,如果
不发生4月14日的事件,余下的三个试验已经顺利
完成了,因为此前的试验在各种热值和各种负荷段
燃烧都很正常,甩负荷和负荷急降对燃机运行几乎
不会有很大影响.
3.2问题的处理
为解决燃机熄火后复燃以及有可能的熄火后爆
燃,避免造成设备损失和人身伤害,涟钢和杭汽,三
菱进行了长达3个多月的技术交流.作为技术支持
方的三菱提出了如下的解决办法:
（1）高炉煤气在进燃机前先经高炉煤气气罐,
让高炉煤气内各气体成分均匀搅拌,热值变化就不
会发生大起大落.
（2）在燃机联锁保护中增加一个BPT温差和
第2期M251S型燃气轮机零值班燃料试验及研究69
降低动作负荷突变范围的紧急联锁.
但是,涟钢认为第一条虽然能从根本上起到防
止高炉煤气热值大起大落的作用,但是这要取决于
业主方的实际条件及场地情况;对于第二条涟钢认
为不能很好地解决熄火后突然爆燃的问题,因为控
制系统的响应还是有一定的时间滞后,同时,追加该
项紧急停机条件反而会增加误动停机的可能.
现在涟钢已找到一个该类问题较完善的解决方
法（在此不便公开）,目前正在和技术支持方作沟通.
9月16日涟钢与三菱达成协议,由三菱在燃机
控制系统留出一路高炉煤气异常数字输入,一路4
～
20mADC模拟量输入,显示高炉煤气0—100%状
态信号,当该信号低于45%时报警,低于40%且高
炉煤气异常数字输人为真时,联锁停燃机.控制逻
辑由三菱完成,高炉煤气状态检查由用户自成系统,
并由用户接入.余下的四个试验项目9月17日正
式进行,除甩负荷试验发生火焰丢失现象外,其余三
项试验获得通过.三菱暂无法解决燃机甩负荷时发
生火焰丢失的问题,现只能采用甩负荷时燃机跳闸
来处理.热值突降时,由用户的外部信号连锁控制
燃机停机,同时提高燃机零值班燃料高炉煤气热值
投退点,当高炉煤气经自动控制增热后热值还是低
于2990kJ/m时,零值班燃料退出.
节约一台焦炉煤气压缩机的投资成本,更能节约大
量的运行成本,降低停机次数,具体效益数据如下:
（1）节约设备采购成本和设备调试安装成本
焦炉煤气压缩机一台成本约350万元,安装调
试费50万,合计节约400万元.
（2）降低焦炉煤气燃料成本
每套燃机可节约900m/h的焦炉煤气,同时需
补充2600m/h的高炉煤气运行,按年运行8000h
计算,每年可节约560万元.
（3）提高燃机出力运行,增加发电量
每套燃机的出力提高0.5MW,按0.572
（kW?
h）的电价计算,年运行8000h,500h的提高
量计算,可创效230万元/年.
（4）提高热值运行,降低氮气消耗
对于很多钢企来说,高炉煤气热值偏高,由于热
值至少可以提高100kJ/m运行,对发电几乎没有影
响.按年运行8000h,每小时可少用2000m左右
的氮气,低压氮气的价格按0.28元/rn计算,每年
每套可节约448万元的运行成本.
同时,降低焦炉煤气压缩机,焦炉煤气净化装置
的维护成本等效益同样也非常可观.我们相信,通
过涟钢,杭汽,三菱的共同努力,可靠运行的零值班
燃料时代很快就会到来.
4结语参考文献
:
燃机实现零值班燃料运行,有着巨大的经济效[1]三菱M251S型燃机零值班燃料试验报告
益,在多台共用焦炉煤气压缩机时,它不仅至少可以[]三菱M型燃机GTc控制逻辑图?
M251STypeGasTurbineZeroPilotFuelGasTestandResearch
ZHOUXiao—li.YANGRui
（1.HunanLianyuanIron&SteelCo.Ltd,HunanLoudi417009,China;
2.HangzhouSteamTurbineCo.Ltd,Hangzhou310022,China）
Abstract:
ThethesisdescribestheeffectontheapplicationofMITSUBISHIM251SgasturbinezeropilotfuelgastestinLYSteeland
theproblemthatshouldbesolved.
Keywords:
zeFopilotfuelgas;test;research
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