GE燃機DLN-2.6燃燒系統淺析

樓華棟， 陳小波，毛志偉

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

GE公司從20世紀80年代開始，不斷開發和改進干式低NOX（簡稱DLN）燃燒技術。DLN-2.6是針對F級燃氣輪機開發的燃燒系統，并在1996年首次投入運行。應用DLN-2.6燃燒系統的燃機型號有PG6111FA，PG7371FA和PG9231EC等。DLN-2.6燃燒系統包括燃燒室、控制系統、燃料系統及輔助系統，系統通過控制空氣/燃氣比和燃燒模式達到了NOX和CO的較低排放。本文針對應用在GE MS6001FA（PG6111FA+E）機組上的DLN-2.6燃燒系統進行介紹分析。

1 PG6111FA+E及DLN-2.6燃燒室簡介

GE PG6111FA+E機組為18級軸流式壓氣機，壓比為14.7∶1，設計出力77.06 MW，排氣溫度598.3℃。在第9級和第13級開有抽氣口。設6個逆流環形燃燒室，每個燃燒室有6只燃料噴嘴，可燒天然氣、輕柴油，可進行油氣燃料互切。3級軸流式沖動式透平，采用壓氣機的排氣和抽氣冷卻。排氣經過導流擴壓段送至余熱鍋爐。

DLN-2.6燃燒室由火焰筒、端蓋、導流襯套、燃燒室外殼、過度段、噴嘴等構成。2只高能點火器分別安裝在2個燃燒室內，點火后通過燃燒室之間的聯焰管將各個燃燒室點燃。4只火焰探頭分別安裝在3個燃燒室，用于火焰檢測。壓氣機排氣首先對過濾段形成沖擊冷卻，再逆流向前，經過火焰筒與導流襯套之間的環形空間流向燃燒室頭部。其中有少量空氣用于冷卻帽罩，其余空氣經噴嘴上的旋流器進入頭部的預混區，與燃料噴管噴出的燃料氣進行混合。空氣與燃料混合物由預混區經噴嘴流入火焰筒，被置于上部燃燒室上的2只高能點火器點燃。燃燒產物經過渡段進入透平第一級噴嘴環。具體結構見圖1。每個燃燒室有1只PM1噴嘴、2只PM2噴嘴、3只PM3噴嘴和15只QUAT噴口。PM1噴嘴布置在中央，PM2和PM3噴嘴均勻布置在PM1四周，15只QUAT噴口布置在燃燒室邊緣。各噴嘴布置情況見圖2。

圖1 DLN-2.6燃燒室結構

圖2 DLN-2.6燃燒室的噴嘴布置

2 DLN-2.6燃燒系統的結構與燃燒模式

在PG6111FA+E機組上，DLN-2.6燃燒系統的燃氣控制模塊安裝在潤滑油模塊的基板上。該系統主要組成部分有：速比閥（SRV），用于根據燃機轉速調整燃氣壓力以及遮斷燃機氣體燃料供應；1組調節閥（GCV），用于調整不同燃氣母管和燃燒噴嘴的天然氣流量；1組吹掃閥（VA13），當機組在啟動、停運階段，對各噴嘴調節閥后的天然氣燃料管道進行吹掃。

系統介質流程如圖3所示，天然氣經過濾器至SRV后分成PM1，PM2，PM3和QUAT 4個母管，通過4個GCV后分別接至燃燒室附近的4個環管，從各環管上分別引出6路支管和6個燃燒室噴嘴上相應的通道相連，與壓氣機排氣預混后進入燃燒室燃燒。和DLN-2.0+系統相比，DLN-2.6的燃料控制系統取消了二、三次燃氣的分配閥，采用全預混的燃燒模式。

圖3 DLN-2.6系統的燃料控制系統

在PG6111FA+E機組上，DLN-2.6燃燒系統具有5種燃燒模式：預混模式1，PM1燃燒；預混模式2，PM2燃燒；預混模式3，PM1+PM2燃燒；預混模式6B，PM1+PM2+PM3燃燒；預混模式6Q，PM1+PM2+PM3+QUAT燃燒。PM2噴嘴又可稱為點火噴嘴，在機組點火階段PM2和PM1噴嘴都投入，系統通過高能火花塞點燃PM2噴嘴，在此階段PM1起到穩定燃燒的作用。當機組達到一定的燃料消耗量后，PM1噴嘴撤出，機組切換到模式2運行。當機組沖轉至95%額定轉速后，GCV1打開，PM1噴嘴開始投入，同時GCV2緩慢下關，至燃機全速（FSNL）后PM2噴嘴完全撤出。機組在模式1運行時進行并網操作，隨后由MARK VI系統通過計算得出的燃燒基準溫度（TTRF）來決定是否進行模式切換。以PG6111FA+E機組為例，當TTRF達到926.7℃時，由模式1切換至模式3運行；當TTRF達到1 093.3℃時，由模式3切換至模式6B；當TTRF達到1 137.8℃時，由模式6B切換至模式6Q運行直至滿負荷。MARK VI的系統邏輯為每個切換點的TTRF設置1個偏置量，機組降負荷時，當TTRF達到“切換點溫度-偏置量”，燃燒模式進行回切；在機組甩負荷時，直接切至模式1運行。機組在同一燃燒模式運行時，MARK VI系統通過控制各燃料通道的GCV開度對天然氣流量按一定比例進行分配，保證機組啟動運行過程的燃燒穩定。機組在點火啟動至滿負荷、正常停運和甩負荷過程中，各模式之間的切換方式如圖4所示。

圖4 機組啟動、停運時的模式切換

3 與DLN-2.0+燃燒系統的比較

3.1 燃燒室噴嘴布置

DLN-2.0+燃燒室把PM1噴嘴布置在燃燒室的周邊位置，在機組低負荷階段（小于50%額定負荷）PM1噴嘴始終投入，在0%～10%額定負荷時，PM4噴嘴不投運，因此導致燃燒室溫度場不均勻，產生局部熱應力，影響火焰筒的壽命。如PG9351-FA機組就曾在實際運行中出現了火焰筒在臨近PM1噴嘴的區域產生鼓包的現象。而DLN-2.6燃燒室把PM1噴嘴移至中央位置，解決了火焰筒受熱不均勻的問題，延長了火焰筒的壽命。

3.2 燃燒控制模式

DLN-2.0+燃燒系統在機組達到50%額定負荷時進入預混燃燒模式，DLN-2.6燃燒系統除了改進燃燒室噴嘴布置之外，在燃燒模式上也進行了優化，采用了全預混燃燒模式。DLN-2.0+燃燒室的每只噴嘴都設置了擴散通道和預混通道，DLN-2.6燃燒系統在采用全預混燃燒后，僅保留預混通道，簡化了燃燒室結構。從系統控制上看，DLN-2.0+燃燒系統每個噴嘴的燃料量由2個控制閥共同調節，而DLN-2.6系統則由單一的控制閥調節，因此噴嘴控制方式得到了簡化。

3.3 污染物排放

DLN-2.6燃燒室在中間位置增加了1個PM1噴嘴，且PM1噴嘴在整個燃燒過程中始終投入運行。在機組高負荷運行時，當PM2和PM3噴嘴的空氣/燃料比低于其貧著火極限時，可以使PM1噴嘴的空氣/燃料比高于周圍的貧著火極限，且能維持燃燒的穩定性，因此其總空氣/燃料比高于均勻供燃料的DLN-2.0+燃燒系統，使總的預混空氣量增加，從而降低了燃燒區域的火焰溫度，減少NOX的產生。在機組低負荷運行時，PM1噴嘴保證了機組燃燒的穩定性，也促使燃氣在燃燒室能停留足夠的時間讓CO完全燃燒，降低CO的產生量。DLN-2.0+燃燒系統在低負荷階段采用擴散燃燒模式，此時燃燒室在燃燒區域產生局部高溫區，由于燃燒氣體在高溫下更容易生成NOX，因此NOX的產生量比較高。而DLN-2.6燃燒系統采用全預混燃燒模式，從模式切換要求可以看出，機組在低負荷運行時燃燒室的溫度較低，所以NOX產生量也相當低。改造后的PM1噴嘴解決了由于燃燒室溫度降低使CO產生量增加的情況。值得指出的是，DLN-2.0燃燒系統從先導預混燃燒模式向預混燃燒模式切換前，可以看到煙囪有明顯的棕黃色煙氣排出，說明在這個階段燃機NOX排放量較高，而DLN-2.6燃燒系統在各個模式切換過程中均未發現此現象。

表1是2臺PG6111FA+E燃機機組和應用DLN-2.0+燃燒系統的PG9351FA燃機機組在燃燒天然氣運行時的實際污染物排放數據，表中數據是3臺機組在各負荷階段連續測量得到的平均值。從表1數據可以看出，在額定或部分負荷時，PG6111FA+E機組的NOX排放量小于15 mg/L，CO排放量小于6 mg/L。對比PG9351FA燃機機組的NOX和CO排放數據，在O2排放量相近的情況下，PG6111FA+E燃機機組污染物排放的各項指標明顯優于采用DLN-2.0+燃燒系統的PG9351FA燃機機組。

表1 3臺機組的煙氣測量數據

4 結語

GE燃機采用中央PM1噴嘴穩燃、全預混燃燒技術的DLN-2.6燃燒系統，結構較前一代燃燒系統簡化，燃燒模式更簡單，且提高了機組在部分負荷運行狀態下的燃燒穩定性，同時，大氣污染物的排放也得到了更好的控制。

[1]毛志偉，趙琦，馬圓珍.GE公司干式低NOX燃燒系統的發展[J].浙江電力，2005，24（1）:16-19.

[2]焦樹建.燃氣輪機系統[M].北京：清華大學出版社，2004.