EGT 9171E型燃機低氮燃燒系統改造

葉 文 上海發電設備成套設計研究院

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EGT 9171E型燃機低氮燃燒系統改造

葉 文 上海發電設備成套設計研究院

為滿足新版火電廠大氣污染排放標準，對某燃氣蒸汽聯合縮環機組進行了低氮燃燒系統技術改造，提高了機組的環保性和社會效益。對該低氮改造工程進行了介紹。

燃氣輪機；低氮系統改造；LEC-III；空氣進氣加熱系統；控制系統

Fund item: Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute Youth Fund （201506047Q）； Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute Fund（201406078J）

武漢漢能電力發展有限公司沌口燃機電廠安裝有一套ALSTOM 9171E型燃氣輪機組成的聯合循環機組，燃料為天然氣。2014年7月1日起，國家將全面實施最新的《火電廠大氣污染物排放標準》。對于以天然氣為燃料的燃氣輪機發電機組要求氮氧化物（NOx）低于50 mg/m3。GE公司早期設計的燃燒室屬于擴散型燃燒室，氮氧化物排放（NOx）無法達到國家最新的標準。

基于以上原因，武漢漢能電力發展有限公司于2014年5月份委托上海發電設備成套設計研究院對電廠進行燃氣輪機低氮技術改造，并于6月中旬調試成功并投入商業運行。實踐證明，改造后的系統不僅完全達到了設計指標，而且為燃機電廠低氮改造技術的國產化提供了寶貴經驗。文本對該項改造的主要內容進行介紹，以供國內同類燃機電廠參考。

1 干式低氮燃燒技術簡介

燃氣輪機排放的尾氣中NOx的來源主要有兩類:（1）空氣中的N2在高溫燃燒過程中被氧化產生的熱力型NOx；（2）燃料中的含氮化合物燃燒產生的燃料型NOx。

燃料在采用標準擴散燃燒室燃燒時，火焰為擴散火焰，火焰表面溫度高于1 650℃，高溫燃燒產生大量的熱力NOx。熱力NOx成為燃機排放的NOx主要來源，決定NOx生成量的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區的停留時間和高溫煙氣中氧的質量濃度。

研究表明，在燃燒過程中NOx的生成率與火焰溫度成指數函數關系，而且與可燃混合物在火焰溫度條件下停留時間近似成線性函數關系。對于一定的燃料，燃燒火焰的溫度則是燃料/空氣混合化學當量比的函數［1］。對于預混火焰，NOx的最大生成率發生在化學當量比等于1的地方，此時燃燒火焰的溫度最高。因而，倘若能使燃料與較多的空氣相混合，使其在比較稀釋的濃度下進行低溫度的燃燒，就能顯著減少NOx的生成。

基于如上原理設計干式低NOx燃燒室，把燃料與空氣預先混合成為均相的、稀釋的可燃混合物，然后以火焰傳播的方式進行燃燒，火焰的燃燒溫度與燃料/空氣實時摻混比的數值相對應，使得火焰溫度控制低于 1 650℃以下，有效控制NOx的生成。

2 主要改造內容

本工程將原來的擴散燃燒室改為Alstom公司的LEC-III低氮燃燒室，將原來的天然氣小室、天然氣環管、輕吹管道、壓縮空氣抽氣管道拆除，在燃料系統中增加了天然氣閥站，天然氣環管和軟管，以及相關外圍管道；將DOS系統下GE MarkⅤ控制系統升級為Windows7 系統下Emerson的Ovition控制系統。低氮燃燒改造設備示意圖見圖1。

圖1 天然氣閥站、環管、燃燒室示意圖

系統主要改造內容包括：

（1）LEC-III燃燒室。

（2）天然氣閥站及外圍管道；

（3）進氣抽氣加熱（IBH）系統改造改造；

（4）控制系統升級。

新增系統均采用模塊化設計，模塊內的設備、儀表、管道等均安裝在公共底盤上，各個模塊之間只需要通過管道連接，避免了大量的工程改造現場工作，占地小，建設周期短，運行維護方便。

2.1 LEC-III燃燒室

2.1.1結構和特點

LEC-III燃燒室由端蓋、火焰筒、導流襯套、燃燒室外殼、過渡段、燃料噴嘴、二次燃料噴嘴、連焰管等組成。其結構示意圖見圖2。

圖2 LEC-III的硬件部件（在改造中替換原燃燒室）

燃氣輪機燃燒室是一種高溫合金材料制作的燃燒設備。在整臺燃氣輪機中，燃燒時位于壓氣機和燃機透平之間，肩負著以下3項最基本的功能：

（1）使燃料與壓氣機送來的一部分壓縮空氣，在其中進行有效的燃燒；

（2）使由壓氣機送來的另一部分壓縮空氣與燃燒后形成的燃燒產物均勻地摻混，將其溫度降低到燃氣透平進口的初溫水平，以便送到燃機透平中做功；

（3）控制NOx的生成，使透平的排氣符合環保標準的要求。

與GE的DLN1.0相比，LEC-III在文丘里組合件、火焰筒冷卻技術、第二級燃料噴嘴等方面進了技術改進。

2.1.2 LEC-III燃燒原理

LEC-III配套改造適用于現有壓氣機和透平，壓氣機和透平外缸不需要做任何改動。現有機組是采用擴散燃燒系統，而LEC-III是以燃氣為燃料進行分級燃燒的系統。機組負荷從80%負荷升至滿負荷時，處于完全預混燃燒。分級燃燒是指從開機點火到升負荷的整個階段內燃燒模式的變換。從啟機到30%負荷，此時的燃燒方式屬于擴散燃燒，即一級燃燒模式，燃燒反應在火焰筒頭部端口處，或稱之為一級燃燒區。當負荷由30%升至80%時，模式轉換至貧-貧模式，即同時存在擴散燃燒和預混燃燒的混合燃燒，在一級反應區發生擴散燃燒，而在火焰筒中部區域（稱之為二級燃燒反應區）的是預混燃燒。緊接著是轉換模式，僅在二級反應區穩定燃燒，而且一直維持到基本負荷運行工況都是這樣。最后的模式是預混模式是100% 的預混燃燒，即多數燃料分配給一級燃料噴嘴燃燒，剩下的燃料分配給二級燃料噴嘴燃燒。燃料在一級燃燒區內進行預混，在二級燃燒區預混燃燒。

預混燃燒是在燃燒過程中減少熱力型NOx的關鍵。燃料和空氣在燃燒反應前得到了充分地預混。因此整個燃燒過程中對于燃料與空氣比率來說，是貧燃料燃燒。此時最高燃燒溫度恰好控制在低于熱力型NOx生成的臨界溫度。

2.2 天然氣閥站及外圍管道

在改造工程中，原有的天然氣小室、環管與軟管、吹掃空氣管路、液壓油管路、壓縮空氣抽氣管路需要拆除。

圖3 低氮燃燒改造系統示意圖

新增的天然氣燃料系統主要包括天然氣閥站、環管與軟管、天然氣連接管路、液壓油管路，壓縮空氣抽氣管路等。

2.2.1天然氣閥站

如圖3所示，天然氣閥站與上下游設備之間通過五根管道相連，分別為天然氣進口管道、吹掃空氣進口管道、一次燃料管道、二次燃料管道、切換燃料管道。天然氣進口管道與上游的前置模塊相連，從上游前置模塊來的天然氣進入閥站。天然氣進入閥站后，通過3個燃料管道分別進入3個環管。吹掃空氣管道與燃機內的壓氣機抽氣管道相連，從壓氣機內抽出的壓縮空氣進入閥站。

速比閥（SRV-1）和控制閥（GCV-1， 2， 3）共同作用控制燃氣輪機總的流量配送。速比閥主要有兩個作用：（1）作為緊急切斷閥，在緊急跳機或正常停機時驅動閥門關閉，切斷天然氣進入燃機。（2）作為壓力調節閥，用來維持已設定的控制閥入口壓力p2，使該壓力成為透平轉速的比例函數，滿足變工況時對p2的要求。

燃料系統內有3個控制閥，燃氣控制閥控制環管到燃燒系統的氣流。GCV1控制一次燃料管路。GCV2控制二次燃料管路。GCV3控制切換燃料管路。天然氣進入閥站內部，通過速比閥SRV1和三個控制閥GCV1、GCV2、GCV3，分別進入三個環管。

放空閥用于排出管道內天然氣。閥站外有2臺風機，用于抽出閥站內的危險氣體。清吹閥VA13-1、VA13-2控 制壓縮空氣流量。切換燃料管路只在Lean-Lean到Premix的切換模式下才通燃料。

2.2.2天然氣環管和軟管及外圍管道

本工程拆除原先的1根天然氣環管和14根軟管，重新安裝3根環管和42根軟管。在施工過程中，因為原有的氣缸上下的壓縮空氣抽氣管道與新裝的軟管產生碰撞，需要拆除原有的8 in抽氣管道，并重新設計新的4 in抽氣管道。燃機內空間很小，改造工程時，新增抽氣管道上的氣液分離器與新增環管發生碰撞，給改造工程帶來不小麻煩。今后設計抽氣管道時，需要考慮原有的氣液分離器的布置，防止發生氣液分離器與新裝環管的碰撞。

現場工程改造時，根據軟管長度定位環管支座位置，避免過度拉伸與擠壓軟管。環管分為一次燃料環管、二次燃料環管、切換燃料環管。一次燃料環管管徑為5in，二次燃料環管、切換燃料環管管徑為4in，每個環管由三段彎管組成。環管為正14邊形，三段彎管通過法蘭對接。安裝環管時，先裝底部的環管，再裝上部的環管；先安裝大環管，再安裝小環管。每根環管再通過14根軟管連接到燃燒室端蓋上對應的燃料噴嘴上。

外圍管道安裝時，應先確定3個環管出口的位置，從這3個出口開始布置外圍的管道，將環管和閥站連接起來。

2.3 進氣抽氣加熱（IBH）系統改造

2.3.1進氣加熱在燃燒室預混燃燒中所起的作用

原有的IBH是防冰凍作用的，當環境溫度低于3℃打開IBH，防止壓氣機進口結冰。

研究表明，在均相預混模式下，通過控制燃料與空氣實時摻混比的數值的控制，使火焰面面的溫度永遠低于1 650℃，這樣就能控制NOx的生成。

由于燃機低氮改造，燃機從以前的擴散燃燒方式改為低氮燃燒方式，需要提高IBH中空氣的流量來保證燃機低氮性能，打開IBH有利于機組更早的切入預混燃燒模式。在此項改造工程中，當打開IBH時，機組負荷達到50%就可以切換為預混燃燒模式；關閉IBH時，組負荷達到80%才可以切換為預混燃燒模式。更早的切換為預混燃燒模式，有利于降級NOx排放。

在低氮模式下時，需要增大IBH抽氣的流量，最大達到壓氣機排氣流量的5%，原有的抽氣流量過小，所以本工程對IBH系統進行改造。

2.3.2進氣抽氣加熱系統（IBH）

如圖4所示，該系統由手動進口隔離閥、氣動控制閥、氣動排污閥、進氣抽氣加熱控制閥、壓力傳感器、溫度傳感器以及控制閥的氣動控制回路組成［3］。

圖4 新增閥門系統圖

將壓氣機排氣溫度信號CTD作為進口抽氣加熱空氣流的溫度，同時由96BH-1/2壓力變送器可以測量出VA20-1控制閥 的進口壓力和壓力降。根據這些參數，以及利用制造廠提供的調節閥流量特性曲線，可以計算出不同閥門行程時的質量流量。而控制閥的進口壓力和壓力降又是壓氣機進口可轉導葉函數。精心設計的調節閥閥門型線，可以確保壓氣機抽氣流量是進口可轉導葉IGV開度的單值函數，呈線性關系。

抽氣的流量最大可以控制5%的壓氣機流量。進氣抽氣加熱控制閥VA20-1調節壓氣機出口抽氣的流量，并且將抽氣引入位于壓氣機進氣流道中的母管加熱進氣。

為了在應急的情況下能快速打開控制閥，在系統中設計了控制閥快速開啟回路。當I/P轉換器向氣動執行器輸入4 mA電流或20TH-1失電時，流向快速開啟回路的VA40-1和VA42-1閥放空，迅速把控制閥開啟。

2.3.3抽氣加熱系統閥門的改造

本次改造中，將原有手動隔離閥、氣動控制閥、手動排污閥拆除，新增手動隔離閥、氣動控制閥、氣動排污閥。之前的進氣抽氣加熱控制閥為6 cm，現在的氣動控制閥為8 cm，管道的通流面積從6 cm增加到8 cm，IBH抽氣量提高。由于新增的控制閥重1T，需要單獨建造基礎及支撐架支撐閥門。與之前的手動排污閥相比，新增的氣動排污閥操作、可靠。

2.3.4抽氣加熱系統支管改造。

圖5 改造后支管圖

因為需要增加燃機入口的進氣流量，所以就要增加支管的消音器數目，如圖5所示。通過計算，支管上需要將消音器數量翻倍。圖中支管上光亮的消音器為新增的，其余的為之前的消音器。IBH系統在燃機空氣進氣口通過一個氣體母管將氣體分給20個支管，支管分為上下兩層，每層有10個支管。

2.4 控制系統升級

原有的DOS系統下GE Mark Ⅴ控制系統沒有低氮控制程序，而且DOS下GE Mark Ⅴ控制程序操作非常不方便。因此，將Mark Ⅴ控制系統升級為Windows7 系統下Emerson的Ovition控制系統，該控制系統設置方便靈活。

Ovation系統是集過程控制及企業管理信息技術為一體的融合先進的計算機與通信技術于一身的典范。其采用了高速度、高可靠、高開放性的通信網路，具有多任務、多數據采集的控制能力。

作為控制中心，控制器采用冗余的控制器；各控制器中又各有一對冗余網線連接到冗余的交換機；工作站也是通過冗余網線與交換機相連。工作站含操作員站、工程師站、歷史站、OPC站及其他功能站。

為了實現不同的控制功能對執行速度的不同要求，Ovation可以設置5個不同的任務區，第一任務區時間為100 ms，第二任務區時間為1 000 ms，后面3個任務區時間可以根據需要設定（設定范圍：10 ms～30 s）。Ovation控制系統為達到9E燃機控制要求，使用了第二任務區（1 000 ms）、第三任務區（10 ms）、第四任務區（150 ms）。第二任務區（1 000 ms）主要實現以下功能： IGV（壓氣機進口可轉導葉）、SRV閥（燃氣速比閥）、GCV1-3閥（燃氣調節閥）等的控制第三任務區（10ms）主要實現以下功能： P2壓力控制第四任務區（150ms）主要實現以下功能：順序控制系統燃料主控系統IGV、IBH（壓氣機入口抽氣加熱）控制保護系統。

3 結語

該機組經改用LEC-III燃燒系統后，根據驗收階段環保局測試得出：燃機NOx排放體積分數小于10 ppm，完全滿足我國2014年7月開始實行的燃用天然氣燃氣輪機機組NOx排放體積分數小于50 mg/m3（約24.3 ppm）的要求。

［1］ 焦樹建. 燃氣-蒸汽聯合循環［M］. 北京：機械工業出版社，2003.

［2］ 清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］章素華，吳革新，燃氣輪機發電機組控制系統［M］.中國電力出版社，2013：65-69.

EGT 9171E Type Combustion Engine Low Nitrogen Combustion System Renovation

Ye Wen Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute

In order to meet new edition thermal power plant air pollution emission standards， low nitrogen combustion system technology renovation has been done in some gas steam combined cycle unit. The article introduces low nitrogen renovation engineering and its environment protection value and social benefits.

Gas Turbine，Low Nitrogen System Renovation，LEC III，Inlet Air Heating System，Control System

上海成套院青年基金（201506047Q）；上海成套院院基金（項目編號201406078J）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.014

葉文：（1986-），男，工程師，研究方向，主要從事燃燒室數值模擬仿真，燃氣輪機控制系統，燃氣輪機低氮改造，燃氣輪機輔助系統研制等方面的研究。