燃氣輪機燃燒技術探討

董建剛

（山西大唐國際云岡熱電有限責任公司，山西 大同034400）

1 預混燃燒如何實現火焰面溫度控制

穩定的預混燃燒受三個因素的限制，即可燃極限、可燃溫度（燃點）和燃燒速度。火焰只有當燃料在混合氣體中符合某種比例范圍時才能點燃并繼續燃燒，這個比例范圍的上下限稱為可燃極限（燃料氣體積與混合氣總體積之比）。對于不同的燃料/空氣比的組合，可燃極限隨工作條件如燃燒器類型和燃料氣壓力等不同而有很大的變化。為了保證機組在變工況條件下燃燒火焰的穩定性與燃燒完全性，要求天然氣在15.5℃和0.103Mpa 情況下，可燃極限的上限與下限之間的最小比值應不小于2.2:1。每一種混合氣體在可燃極限內存在著一個能夠開始點燃的最低溫度，這個溫度稱為火焰的點燃溫度，從安全的角度來說，任何氣體組合的火焰在任何氣體混合比下的點燃溫度都應高于燃燒器噴口的溫度。火焰一旦點燃，就立即向未燃燒的混合氣體傳播，燃燒速度就是指這個傳播速度。每一種氣體組合在不同的混合比時燃燒速度可能變化很大，從火焰穩定的角度看，燃燒速度是三個因素中最主要的。氣體的供應壓力雖然決定于燃氣輪機的類型、燃燒系統的設計選型、天然氣的品質分析和現場的特殊條件。但不管怎樣，為了得到穩定而安全的火焰，從燃燒器噴出的氣流速度必須保證大于燃燒速度（一般為3－10 倍），才不至于回火，但氣流速度也不能過大，過大會將火焰“吹遠”，甚至吹滅火焰。結合“熱NOX”的生成受三個條件的限制：燃燒溫度、在火焰區滯留時間、O2濃度，DLN－2.0＋型燃燒器最有可能按燃料氣/空氣的比值以近貧燃火焰要求來設計它的旋流器。這樣，既可以確保預混燃燒火焰溫度在設計的控制范圍內，提高燃燒效率，降低NOx 和CO 排放量；另外，又可保證燃燒穩定，控制燃燒噪聲在較低水平。

2 MWI 參與燃料/空氣比的控制

由于在一定負荷下，機組的IGV 開度一定，空氣流量是確定的，此時控制燃料/空氣比只要控制燃料量就可以了。

雖然燃氣輪機對燃料的熱值范圍要求較寬（如PG9351FA 燃氣輪機組可以適應70－100%的天然氣熱值），但是對特定的燃燒系統來說，熱值的變化范圍是受限制的。對選定的燃燒器，它的燃燒器噴嘴只能適應于固定范圍內的壓比，由燃料熱值引起的變化只能通過改變燃燒器噴嘴大小或者調整燃料溫度的方法來適應，在機組運行中更換燃燒器噴嘴是不切實際的。因此，只有采用調整燃料溫度的方法了，但是為了避免燃料密度因素的影響，引入了校正韋伯指數 （Modified Wobbe Index,簡稱MWI）的概念，用來衡量進入燃燒器的相對能量。在允許的MWI 數值范圍內可以保證燃機在不同負荷運行時燃燒器噴嘴的壓比。

在燃氣輪機的MKVI 控制系統中，上述天然氣的低位熱值（LHV）、相對比重(SGgax)由位于天燃氣調壓模塊的氣相色譜儀檢測和計算,并轉換成4—20mA DC 信號送至MKVI 控制系統，再由MKVI 控制系統計算出VFGW（校正韋伯指數）值，把得出的VFGW（校正韋伯指數）值進行韋伯指數的補償計算，在邏輯控制中，根據本機組韋伯指數的設計值（KMWI－DES＝42.08）,除以VFGW（校正韋伯指數），算出一個從設計值來的氣體燃料校正韋伯指數量值VMWI－RAT，再把VMWI－RAT 賦予下一功能塊進行氣體燃料校正韋伯指數修正限制（上限：1.05，下限：0.78），并把氣體燃料校正韋伯指數修正變化率在限制范圍內定于0.002%/sec，從而得出氣體燃料校正韋伯指數的偏置值VFQ－MWI, 再用VFQ－MWI 乘以司服閥控制調節的比例增益常數FQKCG(76.61),最終得到根據MWI 來的司服閥控制調節的比例增益值FQKCG－MWI。然后把FQKCG－MWI 值賦予下一個邏輯控制。

3 預混燃燒對天然氣溫度的要求

我們的機組采用余熱鍋爐的中壓省煤器出水來加熱天然氣至185℃，以控制當量韋伯指數在設計值。為了系統的安全穩定燃燒，要求在整個運行范圍內，保持或控制當量韋伯指數的變化在5%范圍內，在燃料熱值和比重有變化時，用調節燃料氣體溫度的方法，設法保持當量韋伯指數基本不變，保持各工況下運行穩定和高效率，否則，應改變機組的燃燒方式或停機。《DLN－2.0＋（PG9351）燃料氣體加熱運行的要求》 所示。運行時，余熱鍋爐中壓省煤器出口水溫低于120℉（49.4℃），禁止性能加熱器投入運行，并網前主要靠電啟動加熱器發揮作用。并網后，隨著電啟動加熱器和性能加熱器的投入運行，天然氣溫度逐漸上升，在TTRF 大于1900F 時，為了保證韋伯指數在合格范圍內，需要天然氣溫度在145℃以上。

在機組從點火到進入BASELOAD 負荷的不同運行工況中，隨著天然氣溫度和壓氣機排氣溫度CTD 的不斷升高，和D5 擴散燃燒天然氣流量的減少，各燃燒方式對天然氣溫度要求是不同的,但是必須保證天然氣在結露點之上,這對于燃機的安全運行是至關重要的。從點火和暖機直至加速至95%額定轉速，燃燒室處于擴散燃燒，一般只需冷加熱燃料氣就可以；從95%額定轉速，經全速空載至約10%額定負荷，燃燒室處于從擴散燃燒向先導預混燃燒過渡，可以采用冷加熱也可以采用熱加熱的加熱方法，如果燃氣投入加熱,根據燃燒室動態特性的要求, 在燃燒基準溫度＜1700F 的情況下, 不允許燃料溫度大于51.7°C；從10%額定負荷到25%額定負荷區段，燃燒室處于先導預混燃燒，也可以采用冷加熱或熱加熱方式，但是必須滿足當量韋伯指數熱溫度限值。從25%到50%額定負荷區段，仍然是先導預混燃燒，，但是，此時熱加熱溫度必須成功的控制當量韋伯指數在限值上。50%到100%額定負荷區間，是預混燃燒階段，此時要求調節熱加熱溫度，控制好當量韋伯指數，直至燃機進入基本負荷溫度控制。以燃氣輪機組MKVI 控制系統對當量韋伯指數的要求（39.9819＜MWI＜44.1905,且上下限各有0.4208 的死區范圍在允許范圍內，L3FGW－PERM 置1 才能進入預混燃燒模式，見如下的邏輯控制：

相應的應控制天然氣溫度在約低于370°F，一旦天然氣溫度達到380°F，應把性能加熱器跳掉，關閉性能加熱器的出水調節閥，降低天然氣的溫度，否則待天然氣溫度升到390°F 時，則直接AUTO SHUTDOWN 燃機以保護設備。但是天然氣溫度降到額定參數，應將性能加熱器繼續投入運行，否則天然氣溫度將迅速下降，如果TTRF1 大于1900F ，導致當量韋伯指數低機組降負荷，嚴重情況下燃機的燃燒控制模式由PM 預混燃燒切換至PPM 先導預混燃燒。

4 總結

從氣體燃燒的角度來看，為降低NOX排放并確保燃料的燃燒效率，必須控制好燃料/空氣比以控制預混燃燒火焰溫度，使機組在設計的范圍內運行，因此對燃料溫度、流量及空氣的流量必須有嚴格的限制，在實際運行中，對天然氣的性能加熱器、氣相色譜儀、燃料調節系統等設備應加強監視。

［1］GE 隨機資料[Z].