9FA燃機啟動過程煙囪可見黃煙問題探析

周楊軍，潘勇進

（1.中國華電集團公司浙江分公司，浙江杭州310017；2.杭州華電半山發電有限公司，浙江杭州310015）

9FA燃機啟動過程煙囪可見黃煙問題探析

周楊軍1，潘勇進2

（1.中國華電集團公司浙江分公司，浙江杭州310017；2.杭州華電半山發電有限公司，浙江杭州310015）

介紹了干式低氮燃燒器，分析了燃機啟動過程中煙囪可見黃煙產生的機理，并以GE9FA燃機為例，介紹了通過LVE優化及XD5改造消除啟動過程可見黃煙的方案。針對改造后出現的問題，提出了建議，為其他燃機電廠解決同類問題提供了借鑒和參考。

LVE；XD5；DLN2.6+燃燒器；燃燒模式；模型控制；可見黃煙

0　引言

天然氣發電作為一種高效、清潔、靈活的能源利用方式，近年來在我國得以快速發展，國內燃機裝機總量已從2009年的2403萬kW一躍至2014年的5567萬kW，五年裝機規模增長1.3倍，占全國電力總裝機的4.1%。隨著燃機總裝規模的快速增長，以及環保要求的日益嚴格，其啟動過程中煙囪可見黃煙的問題開始受到公眾的關注，也成為各燃機電廠加強環保管理的重要方向。

1　DLN燃燒器介紹

DLN（Dry Low NOx）燃燒器意為干式低氮燃燒器，是相較于注水、注蒸汽方式而言的，即通過將傳統的擴散燃燒方式改為均相預混、貧燃方式來控制燃燒溫度進而降低NOx的排放。但天然氣預混貧燃方式的可燃范圍比較狹窄，因此各燃氣輪機制造廠在燃燒器設計中普遍采用了擴散燃燒和預混燃燒相結合的組合燃燒模式，滿足機組不同工況下的燃燒穩定和排放控制需要。

2005年我國第一批打捆招標引進的GE公司9FA燃氣輪機采用了DLN2.0+燃燒器，每只燃燒器有五個燃料噴嘴，分別由D5、PM1、PM4三條燃料管路供氣，其中D5供應5個噴嘴的擴散燃料通道，PM1供應預混通道的1個噴嘴，PM4供應預混通道的其余4個噴嘴（如圖1所示）。2007年后GE公司對9FA燃氣輪機配置了新一代DLN2.6+燃燒器，每只燃燒器采用5+1布局共六個燃料噴嘴，分別由D5、PM1、PM2、PM3四條燃料管路供氣，D5供應外圍5個噴嘴預混區的四周短噴管，可控制燃燒脈動；PM2供應外圍的2個噴嘴，PM3供應外圍其余的3個噴嘴；PM1供應中央噴嘴（如圖2所示）。

圖1　DLN2.0+燃料噴嘴的示意圖

圖2　標準DLN2.6+燃料噴嘴的示意圖

由表1可知，9FA燃機啟動過程從點火到滿負荷過程的燃燒模式切換是由軟件計算的TTRF1進氣基準溫度來控制。2.0+燃燒器全程經歷擴散燃燒模式（D5）、亞先導預混燃燒模式（SPPM）、先導預混模式（PPM）、預混模式（PM）四種燃燒模式切換，在PM（對應負荷200MW）模式前，D5擴散燃燒通道均投用；2.6+燃燒器則在2.0+基礎上增加了亞預混模式（SPM），在SPM（對應負荷120～130MW）模式前，D5擴散燃燒通道均投用。由于擴散燃燒的存在，機組NOX排放大幅升高。

表1　2.0+、2.6+燃燒器燃燒模式切換

2　可見黃煙生成機理

天然氣屬清潔燃料，主要成分為甲烷、乙烷、丙烷等飽和烴氣體，以及少量的高碳分子氣體混合組成，具體成分因產地而異。其燃燒主要產物是CO2和H2O，SO2和煙塵排放量極少，排放的主要污染物為NOX。天然氣等碳氫類氣體燃料火焰中生成的的NOX主要是熱力型NOX和快速型NOX為主，在燃燒溫度高于1650℃以上時NOX生成急劇增加。

燃機啟動過程中NO2生成反應如下：

由于燃機啟動過程中需投用D5擴散燃燒通道，而擴散燃燒時燃燒區的溫度通常高達2000～2200℃以上，造成NO大量生成；同時啟動階段煙氣中氧量較高，以及燃燒不完全而生成的CO、未燃盡碳氫等，均促成NO轉NO2的轉化率大幅升高，使煙氣中NO2濃度顯著升高。而NO2是一種紅棕色氣體，稀釋后呈黃棕色，燃機啟動過程中的可見黃煙就來自于NO2的高濃度排放。根據手工監測，9FA燃機啟動過程中NO2的峰值可高達150～200mg/m3，而一般煙氣中NO2濃度高于20mg/m3時肉眼即可見黃煙。

3　改造實施與效果

3.1標準型2.6+燃燒器的改造

由于擴散燃燒的存在，標準設計的DLN2.6+燃燒器在120～130MW前煙囪均可見黃煙。要消除黃煙，必須考慮盡量減少D5通道運行時間。

3.1.1LVE（Low Visible Emission）優化改造

LVE是GE控制優化產品OpFlex的眾多優化功能之一，通過控制軟件升級，提高機組運行靈活性。杭州華電半山發電有限公司于2014年11月在8號燃機上率先開展了2.6+燃燒器LVE優化改造，通過應用OpFlex Startup NOx，優化燃燒模式，并同步開展了燃機汽機性能測試、啟動調試與燃燒調整等工作。考慮軟件優化不改動設備硬件，方案采用了D5短時點火，燃燒穩定后快速切換到預混燃燒模式，以最大限度的接近全預混燃燒模式。

改造后，燃機控制系統采用了基于模型的先進控制技術（MBC），其中最典型的是ARES和BCP模型，前者是一個高仿真燃機模型，能實時調整自己來匹配實際的燃機，主要用于預測并控制燃機的四個關鍵參數：壓氣機排氣壓力、排氣溫度，燃機排氣溫度和燃機負荷；后者用于精確計算汽輪機負荷，這對單軸機組是非常重要的。同時機組的啟動過程燃燒模式有了較大變化，其中模式切換不再采用燃燒基準溫度TTRF1，而是采用由模型生成的CA_CRT信號控制，見表2。

表2　2.6+燃燒器LVE優化后燃燒模式切換

3.1.2改造效果

由表2可以看出，LVE優化后，D5投用時間僅有1～3min（視透平溫度變化），較優化前大幅縮短。從CEMS排放數據來看，機組啟動過程中污染物排放明顯下降，NOX排放均值從原來的60mg/m3下降至30mg/m3，峰值也從90mg/m3降至50mg/m3，啟動過程中煙囪未見冒黃煙現象，全程符合國家排放要求。

3.1.3存在問題及建議

半山8號燃機LVE改造后，機組在啟動過程升速至50%額定轉速時，曾發生排氣分散度大和個別火焰筒熄火事件。孔窺檢查各燃燒噴嘴供氣管路和火焰筒均無燒損和堵塞現象。研究與實踐表明，天然氣預混燃燒存在乏氣熄火和富氣熄火兩個邊界，當機組轉速接近50%額定轉速時，邊界最窄，容易出現熄火現象（如圖3所示），因此結合火焰穩定性、燃燒脈動和天然氣熱值、天氣等因素綜合判斷，該事件是由LVE改造后燃料配比不合理引起。由于機組啟動過程中燃料量較少，燃燒穩定性處于很窄的邊界范圍內，一旦出現天然氣熱值偏低及天氣變化等因素影響就容易出現熄火現象。

通過上述分析，我們建議根據運行情況合理調整啟動過程中的FSR（燃料行程基準）底限值，同時在暖機完成后燃燒模式切換到PM（MODE3）后，適當調整PM1與PM2燃料的比例以提高火焰穩定性，半山公司根據這一方案適當調整后已解決該問題，同時由于增加了啟動過程的燃料量，機組升速過程加快，總燃料量減少，提高了機組的經濟性。

圖3　預混燃料熄火邊界示意圖

LVE改造只通過優化MARK VIe控制軟件，不改變任何燃燒系統的硬件，改造成本低，實施周期短（含性能試驗10d左右），對于使用標準DLN2.6+燃燒器的機組是比較合適的。

3.22.0+燃燒器的改造

DLN2.0+燃燒器無法消除啟動過程中可見黃煙的問題，為此需要進行硬件升級，新一代DLN2.6+燃燒燃燒器，具有寬韋伯指數的變化（+/-10%），啟動黃煙的減少，NOx排放的減少，全生命周期的成本下降，升級改造可在中修期間完成等優點。

3.2.1XD5技術改造

針對標準型DLN2.6+燃燒器仍存在D5擴散燃燒通道，無法從硬件上根本解決可見黃煙的問題，GE公司參照7F機群DLN2.6燃燒器的設計，推出了無擴散火焰設計的DLN2.6+燃燒器—XD5技術，即在標準型DLN2. 6+燃燒器架構基礎上，取消了D5擴散燃燒孔，相較標準型DLN2.6+燃燒器系統，其燃料氣系統僅有PM1，PM2和PM3三路供氣，與2.0+燃燒器的燃料氣系統相仿，為其改造提供了便利。

2015年2月，國華余姚電廠完成了2號燃機DLN2. 0+燃燒器升級改造，在國內率先采用無擴散火焰設計的DLN2.6+燃燒器改造方案。改造更新了所有18個燃燒器硬件，并利用了原有燃料氣回路（PM4，PM1和D5，包括清吹閥和燃料氣調節閥），直接與DLN2.6+燃燒系統的PM2，PM1和PM3對接；通過調整燃氣調節閥、改造現有透平間內燃氣母管并重新布置現有輔件基座以適應燃料氣調節閥、放氣閥和管路上的改動，調整第2、第3燃燒室中火花塞位置與PM2外噴嘴對齊，以適應新的燃燒模式運行要求。

表3　XD5 2.6+燃燒器燃燒模式切換

由表3可知，無擴散火焰設計的DLN2.6+燃燒器有三種常規運行模式：3、6.2、6.3，其中運行模式3根據PM1和PM2側重不同，又可分為3.1，3.2，3.3。改造后其升速控制邏輯為3（3.1，3.3，3.2）→2→3（3.3，3.1）→6.2→6.3，圖4為DLN2.6+燃燒系統運行的常規時序、LVE時序和全預混時序。

圖4　DLN2.6+燃燒系統運行的常規時序、LVE時序和全預混時序

與LVE優化控制的DLN2.6+燃燒器相似，XD5機組啟動過程中也要同時控制天然氣總量及流量分配，天然氣流量由燃燒器噴嘴（PM1、PM2）出口處的當量比決定，燃燒模式切換的時間點或具體流量分配根據機組的運行情況決定，而由于沒有了D5的參與，點火階段及后續的模式切換的火焰穩定性對燃料的配比要求更高，因此啟動階段參數的調試及數據監測尤為重要。

3.2.2改造效果

改造后，排放符合預期，從CEMS排放數據來看，機組啟動過程中NOX排放均值從原來的近100mg/m3下降至25mg/m3，峰值也從150mg/m3以上降至50mg/m3，啟動全程未見冒黃煙現象，同時全轉速后運行穩定，性能數據和標準DLN2.6+系統一致，并網后燃燒系統無跳機事件。從燃燒系統硬件情況來看，孔窺檢查狀況未見異常，排氣分散度正常，全轉速后各項運行數據正常。

3.2.3存在的問題及建議

余姚2號燃機燃燒器升級改造后，升速過程中曾出現少數燃燒室短時（2min）燃燒脈動較高，同時在排氣道附屬部件上出現1min左右的低頻振動現象。分析原因為機組啟動過程中燃燒穩定性較差，建議根據運行數據繼續優化控制參數，定期進行數據分析驗證效果，同時借鑒其他現場經驗升級控制邏輯。

XD5 DLN2.6+改造后啟動階段的排放指標略優于LVE機組（正常運行時二者水平一致），涉及硬件的改動較大，除了燃料噴嘴的改變，燃料氣模塊中對應的燃料閥和清吹管路也有較大的變化，沒有了D5及其清吹管路，啟動階段的故障率大大降低，但相應的改造成本較高、實施周期較長，適合于使用了兩個大修周期的DLN2.0+燃燒器機組的改造。

4　結語

LVE優化目前全球已有18臺9FA機組的運行經驗，在啟動階段NOX排放得以顯著下降，重點在運行初期需要調整啟動階段的燃燒控制參數，建議對標準型2.6+燃燒器采用LVE優化，節約改造成本，降低啟動階段的排放，消除可見黃煙。XD5改造目前全球已有5臺9FA機組的運行經驗，啟動最多的機組也有近百次啟動，尤其在采用無擴散火焰設計的DLN2.6燃燒器的7F機群中已有近八百臺機組的運行經驗，因此從應用技術上來說，建議對2.0+燃燒器的改造采用XD5技術的無擴散火焰設計DLN2.6+燃燒器，其燃燒穩定性會更好，消除黃煙亦更徹底。

[1]栗工，高泰蔭，陳中洲，等.甲烷-空氣燃燒過程中NOX生成機理和影響因素[J].燃燒科學與技術，2005，（4）：142～148.

[2]楊勇，艾松，賈文.燃氣輪機燃燒室燃燒穩定性分析[J].東方電氣評論，2012，（3），25～29.

[3]吳革新.大型燃氣-蒸汽聯合循環發電技術叢書（控制系統分冊）[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]GE.Inspection and Maintenance Manual燃機檢修與維護手冊[Z].

Discussion of Yellow Plume Mitigation during 9FA Gas Turbine Starting-up

ZHOU Yang-jun1，PAN Yong-jin2
（1.Huadian Zhejiang Company，Hangzhou 310017，China；2.Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd，Hangzhou 310015，China）

In this article，We intruduced the DLN combustoer，and analyse the reason of Yellow Plume duing 9FA gas turbine starting-up，then analyzed the principle，effect and leftover problems of LVE and XD5，and provide the proposal.

LVE；XD5；DLN2.6+combustor；combustion mode；model based control；yellow plume

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.002

TK477

B

2095-3429（2015）05-0007-04

周楊軍（1975-），男，浙江東陽人，工程師，從事電廠生產管理工作；潘勇進（1978-），男，浙江金華人，本科，高級工程師，從事發電廠熱控技術管理工作。

2015-09-11

2015-09-24