摘要：介绍了靖边燃机发电厂PG5301N型燃气轮发电机组改烧气体燃料的控制系统及其调试过程。
0 前言
1998年陕北靖边燃气发电厂从北京第一热电厂购进两套旧的PG5301N燃气轮发电机组，这两套机组是70年代日本日立公司生产的。该机组的控制系统为Mark-I，燃料系统为单燃料，燃烧重油。由于陕北天然气资源比较丰富，电厂决定将其改造成只烧天然气。
PG5301N燃气轮发电机组的改造设计、机组的安装、检修、改造施工及机组的调试、运行工作由南京燃气轮机研究所和深圳南港动力工程有限公司共同完成。
二十几年前的旧机组资料已经不完整，而且当年外方更未提供气体燃料方面的任何资料。按GE公司规定，这种5000系列机组以天然气为燃料时，应先用轻油进行点火，点火成功后在切换到天然气。靖边电厂为了节约投资，决定不设置液体燃料储存及输送设备，并将机组底盘上的液体燃料系统全部拆除。这样，这两套机组只能用气体燃料进行点火，由于其结构原因所致，用气体燃料进行点火容易发生爆炸，有一定的危险性，类似的事故国内外均有发生。但经过我们设计、调试及施工人员的共同努力，很好地解决了这一难题。本文简单介绍该项目的气体燃料系统。
1 气体燃料管路系统
气体燃料系统管路图如图1所示。
气体燃料首先进入滤清器，过滤后再进入气体燃料组合阀，经精确调解后进入燃烧室前的环形分配母管。分配母管环绕透平全周，对供给每个燃料喷嘴的气体燃料按等压设计，从而确保十个燃烧室的气体燃料流量相等。
滤清器与气体燃料组合阀之间的管路上装有压力开关63FG-3，当气体燃料压力低于整定值时，再轮机控制盘上给出气体燃料低压报警信号。
气体燃料组合阀，即速比阀和控制阀二部分组装在一个壳体内，气体燃料控制阀前的比例阀的作用就是使该阀的出口压力自动的成为转速的函数。速比阀的控制是一个闭环回路，机组正常运行时，来自转速控制系统的转速模拟信号与速比阀后压力传感器96FG感受的速比阀后压力信号进行比较，机组稳定运行时与此两值相等，电压符号相反，比较结果为零。此时积分器输出一个定值，此值即为阀门要求的位置，线性可变差动变压器是一个感受阀位的装置，此阀位信号反馈到积分器的输出点，其电压值与积分器的输出电压值符号相反为负反馈。负反馈的作用是提高速比阀伺服系统的稳定性。稳定运行时电液伺服阀的驱动电压为零，速比阀不动，这是出口压力即为转速的单值函数；当机组转速变化时，输入的转速模拟信号改变；使系统失去平衡，积分器输出值改变，驱动控制器前的气体压力(即速比阀后的压力)在启动过程中，即低转速情况下小于控制阀的临界压力，这时通过控制阀的气体流量与控制阀的行程及控制阀的前参数有关。但启动完毕以后机组达到额定转速，控制阀前压力超过控制阀的临界压力时，通过控制阀的气体流量只与阀门开度成正比。所以速比阀在启动过程中对机组燃料供应量起作用，而在带负荷情况下，燃料只与VCE即控制阀的开度（或行程）成正比关系，与机组转速无关。
速比阀同时还有气密性，当阀门关闭时，天然气完全切断。速比阀和控制阀均为单向作用阀，即阀的打开是靠电液伺服阀控制的油缸下部进入液压油推动活塞使阀打开的。而阀的关闭是靠电液伺服阀控制的油缸下部卸油的同时，阀的上部弹簧张力下压造成的。速比阀中装有一只液压卸油阀VH5-1，液压卸油阀时有遮断油压控制的，当机组遇到危急情况时，遮断油压突然下降，快速卸去油缸下部的油压，速比阀在顶部大弹簧的作用下，立即关闭，切断机组的气体燃料供应，使机组紧急停机。
速比阀与控制阀由各自的电液伺服阀及油动机控制，电液伺服阀是很精密的部件，对油质要求很高，液压油的过滤精度不低于5um
PG5301N机型额定功率是21700KW，PG5371机型额定功率是25230KW，两者使用的燃料流量，压力都有变化。为了将PG5371机型的组合阀应用到PG5301型燃机，使其能根据燃机转速和外界符合变化的要求，不断地改变气体控制阀的开度（及气体的流通面积），籍以调整供应到燃烧室去的天然气流量，我们进行了仔细的换算，以作为机组调试的依据。
2 基本情况
2.1 PG5301N型燃气轮发电机组
燃料：轻柴油
基本负荷：21700 KW
尖峰负荷：23000 KW
转速：5100/3000 r/min
控制盘是GE（美国通用电气公司）Mark-I型盘
表一 PG5301N型燃机液体燃料规范设定值
负荷状态
转速 (%n0)
VCE （V）
流量 （L/min）
数字给定
点火
18
8.1
9.2
暖机
20
7.6
8.3
最小流量
100
6.8
35
全速空载
7.9
48.8
100.3
50%负荷
11.2
90.1
101.6
100%负荷
15.4
142.7
103.7
尖峰负荷
15.9
149.0
104
注：表中的设定值为标准状态下的数值（下同）。
n0为燃机额定转速：5100r/min。
液体燃料低热值：41038KJ/kg
液体燃料高热值：43132KJ/kg
液体燃料比重：0.8234（38℃）
靖边燃气电厂提供的气体燃料参数：
热值：最低：33113KJ/Nm3
最高：36768.35 KJ/Nm3
比重：0.7 Kg/Nm3
2.2 南京汽轮电机厂生产的R005燃机，可以烧油，也可以烧气，基本参数与PG5301N型机组相同燃料：轻柴油。
转速：5100/3000/r/min
控制盘是MARK-I型盘
表二 ROO5燃机气体燃料规范设定值
转速（%n0）
VCE（V）
流量（Nm3/min）
控制阀行程（mm）
8
9.6
9.525
6.0
4.78
7.5
47.18
8.33
10.6
93.63
15.7
101.7
基本负荷
14.4
144.1
24.77
14.9
147.9
25.91
热值：32348 KJ/Nm3 48157 KJ/kg
比重：0.5512
注：PG5301N机组是单烧油的机组，因而无烧气的任何资料，但PG5301N机组与R005机组基本参数相同，而R005机组规定是 用油点火，然后切换至气体燃料，也没有用气点火的参数，表中点火流量是计算后加上去的。
2.3 PG5371机组的气体燃料技术参数
基本负荷：25280 KW
尖峰负荷：27130 KW
控制盘是MARKV型盘
表三 PG5371燃机气体燃料规范设定值
备注
6.92
5.94
点火转速 16%
47.5
6.20
110.2
14.78
188.5
25.96
203.56
28.12
热值：37278 KJ/Nm3 48212 KJ/kg
比重：0.6149
将表二中的R005燃机气体燃料热值与PG5301N燃机进行折算，得出PG5301N燃机控制阀行程和流量。见表四
表四 R005燃机和PG5301N燃机气体燃料控制阀行程和流量值
气体燃料流量（Nm3/min）
R005燃机
PG5301燃机
9.303
9.38
8.136
46.08
14.98
89.34
24.19
140.75
25.3
144.46
注：本表中PG5301N燃机所用的气体燃料组合阀为R005燃机的组合阀
2.4 计算PG5301N燃机使用PG5371燃机气体燃料组合阀时的参数值
先求出点火时控制18%n0阀行程。
PG5301N燃机点火转速为18%n0，而PG5371燃机为16%n0，行程不变，而流量改变。
18%n0点火时流量为：6.92×18%÷16%=7.785（Nm3/min）
18%n0点火时流量为9.38Nm3/min时的控制阀行程为：
9.38×5.94÷7.785=7.157（mm）
表五 PG5301N燃机气体燃料规范设定值（组合阀用PG5371燃机的）
7.157
7.35
10.7
11.98
14.83
19.38
15.15
19.95
注：为安全起见，第一次点火时可以将点火VCE定为7.5V
3 调试
3.1 压力传感器调试
输入压力0-1.72Mpa(0-250psi)。输出电压0-5V.
表六
压力（Mpa）
0
0.39
0.78
1.176
1.72
理论值（V）
1.1376
2.275
3.413
5
如试验结果与理论值出入较大，可通过调零和调增益两个电位器校准，反复调整两个电位器，直至符合上表为止。
3.2 控制阀调试
表七
4
12
16
L1（mm）
14.31
21.468
28.624
VL1（V）
0.7
1.226
1.752
2.278
2.804
VL2（V）
表中：L1为控制阀行程。
VL1为LVDT位置反馈值。
VL2为另一个LVDT位置反馈值。
3.3 速比阀位置回路调试
表八
VP1（V）
2
6
10
7.94
15.88
23.8
31.75
1.28
1.867
2.45
3.03
表中：VP1为压力控制信号（0-10V）。
L1为速比阀行程（0-31.75mm）。
VL2为LVDT位置反馈值。
注：LVDT零位必须调准，即阀门关闭位置时为0.7±0.1（V）
3.4 速比阀压力回路调试
表九
n（r/min）
522（2.559v）
918（4.5v）
5100（25v）
P1（MPa）
0.12（0.348v）
1.39（4.03v）
表中：n为机组转速：0-5100r/min, 模拟电压：0-25V
P2为速比阀阀后压力
A、压力控制卡SSAB卡接头10号插脚处输入转速模拟电压信号2.559V（相当于转速为522r/min）,微调改变电压值，注意LVDT反馈值的变化，在LVDT 有微小变化时的值，此值即应为2.559V.
B、在SSAB卡输入转速模拟电压25V（相当于转速为5100r/min），在压力传感器输入处输入模拟电压4.03V（相当于1.39Mpa）。以上两种输入电压可固定其中一个，另一个进行微调。注意速比阀的开度变化，即LVDT不变化时的两种模拟值，即为上述两种模拟值。
需要指出的是：MS5000系列（主要是指PG5301机型）用气点火发生爆炸事故国内外并不鲜见。GE公司电传称：MS5000系列结构存有死角， 不能直接用气点火，用油点火成功后再切换到气体燃料。死角在哪里？详情不得而知。我们分析：热通道无死角之说，但排气是部分气流速度减缓，存有紊流区，一旦天然气在热通道空气中浓度达到5-15%时，点火时就存在爆炸的危险。而造成破坏的主要是排气室。
对靖边燃气电厂而言，要解决油点火光的问题，就得建造一套完整的供油系统，冬天还需一套加热装置。无论施工建造，还是运行管理，都不是一件易事。
鉴于靖边燃气电厂无油点火装置，我们除了在气体燃料系统采用一流设备、不锈钢管路、进口管接头、增设了通风机、20VG电磁阀、危险气体检测装置等，以防止运行中天然气管路漏气及点火前速比阀后存有余气；同时将GE规范中清吹时间适当延长，点火时间适当缩短的控制手段，在技术和设备上力争安全。
值得注意的是：PG5301N机组只有单套的压力传感器。一旦失灵，速比阀不能调压（同天然气供气压力），那么在点火阶段如燃烧室的天然气量是正常时的好多倍，这将造成点火时的不平稳并对高温部件产生严重损伤，这对燃机安全运行时绝不许可的，这就要求运行人员严密监视其完好性。
3.5 综合多方面的考虑，提出了机组的改造方案：
3.5.1 对天然气的供气要求（天然气供至机组进气法兰口的参数）：
(1) 天然气供气压力：1.45-1.90Mpa（表压）
(2) 天然气供气温度：最小：高于供气压力下天然气露点28℃，最大65℃。
(3) 天然气供气量：3150-11665m3/h（按燃气热值为此33123KJ/m3）
(4) 天然气应符合GE规范GEI-41040E
3.5.2 改造：
（1） 增加气体燃料系统
（2） 增加液压油的相关部分.
（3） 增加控制油的相关部分
（4） MARK I控制盘
*撤掉原以轻柴油为燃料的控制卡件
*增加以天然气为燃料的控制卡件
*撤掉65FP伺服阀和77FD-1,2流量分配其转速探头
（5）其他构件
*拆除主雾化空气压缩机;
*拆除主燃油泵和流量分配器;
*拆除启动雾化空气压缩机传动皮带
*天然气小室的罩壳门加百叶窗
*增加危险气体检测
*增加气体燃料间通风机
*关闭无关的雾化空气冷却管路
4 调试、运行中几项措施
（1） 在3.4节速比阀压力回路调试中所述压力控制阀SSVB卡调试的方法是按照GE公司所建议的，此方法要求需建立8.1Mpa的液压油压力。因机组无辅助液压油泵，故必须开机到高速盘车下进行调试。我们根据该卡的工作原理，采取了在机组静止状态下进行调试，取得了完全相同的效果。即在输入相应的转速及压力模拟电压后，调节该卡的偏置及增益电位器使SSVB卡输出（22#脚）的电压停止积分在1-9VDC放大区之间。
（2） 该机组作为长庆油田电网独立单机运行（一台运行，一台备用），因此要求机组具有较强的调节负荷变化的能力及运行的可靠性。由于油田负荷对电网的频率要求不是很高，故没有对机组进行无差运行改造，仅通过试验将有差不等率从4%调整到3%。当电网负荷从10000KW变到3000KW时，电网频率变化约为0.5Hz,而且机组变化过程较平稳，完全符合油田电网的要求。
（3） 两台机组已投产运行一年，在电厂及保运人员的精心维护下，机组状况良好，已两次实现连续运行超100天，最长一次达218天，受到油田嘉奖。
（4） 实际调试中，计算的规范值与实际的情况有差异，点火值为7.8V、暖机值为7.3V，全速空载时的VCE较高，达到9V，带基本负荷时，VCE达到19V，已接近最大VCE值。主要原因是计算的控制阀开度过小，可以通过调整控制阀伺服放大卡SSVA的增益并配合调整适当的点火、暖机VCE来解决。
（5） 在调整中必须检查在静态时速比阀及控制阀的阀杆与油动机的油缸活塞杆之间有0.03-0.05英寸的间隙，这样才能确保阀在机组静态时关闭。
两台PG5301N机组油改气，使用了新型的组合阀总成，不设油点火系统，国内尚无现成资料，也无现成的机组可以借鉴。由于既尊重GE公司规范，又进行了大胆的探索，经南京燃气轮机研究所和深圳南港动力工程有限公司工程技术人员和施工人员的共同努力，最终交出了一份完满的答卷。
MS系列燃机油改气所须增加的设备和配件
一、燃机改为单烧天然气
1、进口件 天然气组合阀（包括速度/比例截止阀、气体控制阀、线性可变差动变压、油动机等） 天然气过滤器 压力传感器 压力开关 防爆接线盒、穿线软管、管接头等 电磁阀 电液伺服阀2台（1台用于速比阀、1台用于气体控制阀） 燃料喷嘴（如原喷嘴能烧天然气则此项不要） 轮控盘若为MARKⅠ或Ⅱ则需添置卡件 4-5块 ； 轮控盘若为MARKⅣ或Ⅴ改造则只需修改软件 2、国产件 气体燃料间组件及气体燃料管路 气体燃料间排气装置 可燃气体检测报警装置 电缆及其组件 配置件制作
1、进口件
天然气组合阀（包括速度/比例截止阀、气体控制阀、线性可变差动变压、油动机等）
天然气过滤器
压力传感器
压力开关
防爆接线盒、穿线软管、管接头等
电磁阀
电液伺服阀2台（1台用于速比阀、1台用于气体控制阀）
燃料喷嘴（如原喷嘴能烧天然气则此项不要）
轮控盘若为MARKⅠ或Ⅱ则需添置卡件 4-5块 ；
轮控盘若为MARKⅣ或Ⅴ改造则只需修改软件
2、国产件
气体燃料间组件及气体燃料管路
气体燃料间排气装置
可燃气体检测报警装置
电缆及其组件
配置件制作
二、燃机改为烧天然气和油双燃料
除上述单烧天然气所需增加的设备和配件外，还要增置一些配件以及为保留雾化空气系统并对其进行改造而需添置的设备： 1、进口件 气体燃料截止电磁阀（在单烧天然气改造时该阀可用原液体燃料截止电磁阀替代） 气体燃料控制油压力开关（在单烧天然气改造时该开关可用原液体燃料控制油压力开关替代） 雾化空气旁通阀 清吹（冲洗）电磁阀 清吹（冲洗）气动阀 清吹（冲洗）单向阀（一套10只） 2、国产件 雾化空气旁通系统管路及管接头 清吹（冲洗）系统管路及管接头
除上述单烧天然气所需增加的设备和配件外，还要增置一些配件以及为保留雾化空气系统并对其进行改造而需添置的设备：
气体燃料截止电磁阀（在单烧天然气改造时该阀可用原液体燃料截止电磁阀替代）
气体燃料控制油压力开关（在单烧天然气改造时该开关可用原液体燃料控制油压力开关替代）
雾化空气旁通阀
清吹（冲洗）电磁阀
清吹（冲洗）气动阀
清吹（冲洗）单向阀（一套10只）
雾化空气旁通系统管路及管接头
清吹（冲洗）系统管路及管接头
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2002年5月
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