三菱M701F燃機A-CPFM系統自動燃燒調整分析

2012-06-13 02:09:26石玄

東北電力大學學報 2012年4期

石玄

(廣東省深圳市廣前電力有限公司前灣燃機電廠，廣東深圳518054)

隨著社會的發展，電網對調峰機組的要求越來越高。而三菱M701F燃氣輪機具有技術先進，熱效率高，啟停速度快的特點，在全國的燃機發電廠中占有了重要地位［1］。由于M701F型燃機的燃燒室及其熱通道處于高溫高壓的工況中，容易產生燃燒不穩定和燃燒壓力波動，可能導致火焰筒或過渡段等部件出現裂紋等故障。如何對燃燒進行持續的監控和自動的燃燒調整是一個成熟的機組必須解決的問題。

1 燃燒波動原理及A-CPFM的目的和作用

燃燒壓力波動原理如圖，燃氣在燃燒過程中，燃燒所產生的熱能以聲光模式釋放出來并使燃燒室產生一定壓力，而當燃燒因素產生變化，劇烈的聲光釋放又會產生大量的熱能，反過來這些熱能又加劇了聲光的釋放，如此就激發了燃燒中的壓力波動。燃燒壓力波動會引起燃燒不穩定，且嚴重的燃燒壓力波動會使熱部件損壞甚至破裂［2］。所以三菱M701F燃氣輪機通過安裝CPFM(燃燒室壓力波動監視系統)的監視和閉鎖保護，系統會在壓力波動初期監測到變化，提前Run Back(快速降負荷)或跳機來阻止熱部件的損壞。

但是在燃機的運行過程中，由于環境、燃氣條件的變化，設備異常、老化等因素的影響，機組的燃燒狀況偏離了初始的最佳工況出現燃燒壓力波動、燃燒不穩定，僅僅靠CPFM系統觸發保護，提前Run Back或跳機是不夠的，因為這樣意味著機組所帶負荷無法提升，發電效率嚴重下降且安全系能也無法保障。怎樣使燃機在運行工況改變甚至惡化的情況下自動進行燃燒調整，獲取燃機的最佳運行方式和運行工況點，避開燃燒不穩定的區域，防止高溫熱部件的燒損，保證機組的穩定運行，提高燃機的運行可靠性。這就是三菱M701F燃氣輪機A-CPFM(燃燒室壓力波動自動調整系統)所要達到的目的。

圖1 燃燒壓力波動產生原理

2 三菱M701F燃機燃燒控制

影響燃燒穩定性和Nox排放量的主要因素是進入燃燒器的燃料量和空氣量［3］。三菱M701F燃機對燃料和空氣量采用分開調整的模式。

三菱M701F燃機的燃燒室包括20個燃燒器，采用環管型布置。每個燃燒器由燃燒噴嘴、火焰筒、過渡段和旁路閥等其它附件組成。每個燃燒噴嘴由圍成一圈的8個DLN預混主燃料噴嘴和位于圓心的1個值班燃料噴嘴組成。值班燃料噴嘴產生的是擴散火焰，其主要作用是維持火焰不滅。而其它大部分燃料通過DLN預混主燃料噴嘴，與空氣預先混合后進入火焰筒燃燒，其產生的為預混火焰。這種噴嘴布置和燃燒方式可以使燃燒室的燃燒區域比較穩定，且實現較少的Nox排放［4］。其中值班燃料噴嘴與主燃料噴嘴的燃料比呈分段函數關系。對燃料的調整，三菱M701F燃機通過對PLCSO(值班燃料控制輸出信號)的調整來實現。

三菱M701F燃機的空氣是通過壓氣機壓縮后到達燃燒室，與燃料充分混合后燃燒。對空氣量的調整，三菱M701F燃機采用獨有的旁路閥控制。在每個燃燒室均配有一個燃燒室旁路閥，通過旁路閥開度(BYCSO)的大小，來調節參與燃燒的空氣流量大小。

燃燒器燃料量、旁路閥開度與燃機負荷關系如圖:

圖2 燃料量、旁路閥開度與燃機負荷關系圖

3 M701F燃機A-CPFM燃燒自動調整流程

M701F燃機A-CPFM自動調整系統是依據高速采集的數據、并對燃燒穩定區域進行分析，通過對燃機PLCSO和旁路閥開度(BYCSO)大小的自動調整，使燃機穩定運行。其流程如圖:

3.1 數據收集

主要包括:燃燒室壓力波動、NOx排放量、BPT偏差、燃氣壓力溫度，燃氣的成分等參數。其中燃燒室壓力波動數據非常重要和精確。三菱M701F燃機在每個燃燒室中都安裝一個壓力波動傳感器，而且還在其中第3號、8號、13號和18號共4個燃燒室各安裝了一個燃燒壓力波動加速度傳感器。機組正常運行時，每個傳感器的測量數值進行FFT變換后轉化為9個不同的頻段進行分析，對于各個頻段，其波動的幅值大小是A-CPFM自動燃燒調整地重要依據。

3.2 穩定領域預測

圖3 A-CPFM燃燒自動調整流程

三菱M701F燃機在大修后或大的工況改變后，都必須進行人工燃燒調整。其目的是使燃機能在PLCSO偏置±1%，BYCSO偏置±10%的安全區域運行。機組正常運行時，A-CPFM系統利用和過去穩定運行數據的對比，加上現時的燃燒室壓力波動、Nox排放量、BPT偏差、燃氣壓力溫度，燃氣的成分等參數，通過回歸分析的方法，同時按各燃燒器及各頻率帶計算出燃燒室的預測最穩定區域，并決定燃燒調整的修正方向。