9E燃機電廠燃燒模式分析與管理

摘? 要：NOx排放是燃氣電廠的一個重要指標，羅涇電廠使用的9E燃機通過DLN1.0低NOx燃燒器保證其滿足國家排放要求。通過對裝備DLN1.0燃燒系統的PG9171E燃氣輪機不同燃燒模式進行了研究，為深刻理解燃氣輪機燃燒模式切換過程，解決燃燒切換失敗、切換模式時負荷大幅波動等故障情況提供思路，也為同類型燃機電廠在燃燒模式故障方面提供了寶貴的經驗和參考。

關鍵詞：9E燃機;燃燒模式;DLN1.0;NOx

Abstract：NOx emission is an important index of gas power plant. The 9E gas turbine used in Luojing power plant meets the national emission requirements through DLN1.0 low NOx burner. Through the research on different combustion modes of PG9171E gas turbine equipped with DLN1.0 combustion system，this paper provides ideas for deep understanding of the combustion mode switching process of gas turbine，solving the failure of combustion switching and the large fluctuation of load when switching modes，and also provides valuable experience and reference for the combustion mode failure of similar gas turbine plants.

Keywords：9E gas turbine;combustion mode;DLN1.0;NO

0? 引? 言

為了降低NOx排放量，燃氣輪機廠商普遍采用向燃燒區注水或蒸汽等措施來降低排放，但是采用這種降低NOx排放的方法會對燃氣輪機的性能及檢修間隔等產生較大的負面影響，而且CO和UHC等大氣污染物也會大量增加。正因為這些原因，燃氣輪機生產商一直致力于研究其他類型的NOx排放控制技術。例如目前廣泛使用的干式低NOx（DLN）技術，即通過預混燃燒時控制燃料和空氣的摻混比例，使燃燒火焰面溫度低于擴散燃燒理論燃燒溫度，控制NOx的濃度。基于此，我廠使用的9E燃機通過DLN1.0低NOx燃燒器保證其滿足國家排放要求，現就相關的燃燒模式進行分析和管理。

1? 啟動過程中的燃燒模式

9E燃氣輪機一共有8種燃燒模式：

（1）負荷恢復模式;

（2）預混穩定模式;

（3）預混切換模式;

（4）二次切換模式;

（5）擴散貧-貧模式;

（6）貧-貧負燃燒模式;

（7）貧-貧正燃燒模式;

（8）初始燃燒模式。

8種燃燒模式有4個典型的切換溫度值：

（1）L26FXL1=1 650 ℉;

（2）L26FXS1=1 970 ℉;

（3）L26FXL2=1 995 ℉;

（4）L26FXL3=2 005 ℉。

機組在正常啟動升負荷狀態下，分別經歷初始燃燒模式、貧-貧正燃燒模式、二次切換模式和預混切換模式，并在一定條件下完成切換，直至最后進入預混穩定模式，每種燃燒模式的特點和邏輯狀態分析如下。

1.1? 初始燃燒模式

燃氣輪機啟動點火后，其燃燒模式為初始燃燒模式，在這種燃燒模式條件下，只有燃料控制閥1（GCV1）是開啟的，火焰只在一區能探測到。在此期間，清吹控制閥一直保持開啟狀態。機組并網后，隨負荷和燃料不斷增加，當TTRF1高于1 650 ℉后，退出初始燃燒模式。

初始燃燒模式邏輯圖如圖1所示，L28FPDX為一區兩個以上火焰探測器探測到火焰且延時0.5 s后置1。L14HA為加速轉速繼電器（小于40%為0，大于50%為1）。L83FXL1為選擇貧-貧燃燒模式。L26FXL1為TTRF1燃燒溫度大于1 650 ℉+進氣溫度修正常數。L83FXP為初始燃燒模式被選擇。

綜合而言，在燃燒溫度小于1 650 ℉時，貧-貧模式未被選擇時，三種情況會選擇初始燃燒模式為：

（1）一區點火成功;

（2）升速時轉速小于50%，降速時轉速小于40%;

（3）失去主保護，機組脫扣。

1.2? 貧-貧正燃燒模式

貧-貧正燃燒模式邏輯圖如圖2所示，L83FXL1為貧-貧模式被選擇。L83LLEXT為選擇擴散貧-貧模式。L3FXSX為DLN模式方向閉鎖，1為可以向上切換。當TTRF1高于L26FXL1（1 650 ℉）后，則進入貧-貧正燃燒模式，GCV2打開，二區火焰建立，一區二區同時存在火焰，GCV1、GCV2閥位通過FSR的分解值進行，GCV1減小、GCV2打開并快速開啟到位，最終燃料按照7：3的配比，分別通過一級、二級噴嘴引至燃燒室一區和二區。負荷在50 WM左右，TTRF1溫度在930 ℉右[1]。

1.3? 二次切換模式

圖3為二次切換模式邏輯圖。L3FXS1X為二次切換模式選擇中間，正常時為1，出現故障或問題時為0。L33PGTC為清吹控制閥va13-13和va13-14已關閉。L3GCV3A為GCV3不跟隨報警。二次切換模式應在30.0 s內結束（正常時間約為20.0 s左右），否則觸發L30FX1A報警。

當TTRF1高于L26FXS1（1 970 ℉）后，并確認清吹控制閥已關閉，GCV3打開預充，進入二次切換模式，此時TTRF1的溫度可能約在2 005 ℉左右，機組負荷為80 MW左右。在正常情況下，機組加負荷，TTRF1高于1 970 ℉，兩個清吹控制閥關閉，GCV3開始小開度打開進行預充，預充結束后GCV3隨之打開，GCV2繼續加大開度，GCV1逐漸全關，一區火焰消失，原GCV1的燃料供應由GCV3取代，保持在切換期間，機組出力不會出現大的波動，此時只在二區有火。二次切換模式應在30.0 s內結束（正常時間約為20.0 s左右），否則觸發報警L30FX1_ALM。此時負荷大約為80 MW，TTRF1溫度為1 090 ℉[2]。

1.4? 預混切換模式

圖4為預混切換模式邏輯圖，L83FXP1為預混切換模式被選中。K83FXP1為預混切換模式延時時間（5.0 s）。L33FX_0為GCV1開度小于3%。L4GSV為燃料控制閥主保護信號存在。L28FSDX為二區有火，一區無火焰。L26FXS1為TTRF1溫度大于1 970 ℉。L3FXPM1表示允許切換到預混穩定模式。L33PGTC為清吹控制閥完全關閉。L3GCV3A為GCV3控制不跟隨。

在二次切換模式完成后，確認GCV1開度小于3%，二區有火，一區無火，TTRF1超過L26FXS1（1 970 ℉），確認兩清吹控制閥在關閉狀態，GCV3控制正常，則延時5.0 s進入預混切換模式。預混切換模式可以分為兩段，分界點在GCV2的關閉狀態，如圖4所示。

第一段為滿足預混切換模式條件后，在FSR計算下GCV1迅速打開，GCV2首先開始逐漸關閉，GCV3也隨之緩慢關閉，保持在切換期間，機組出力不會出現大的波動。待GCV2完全關閉后，GCV2再次打開，同時繼續控制GCV3關閉，清吹控制閥隨后再次打開，對管道進行冷卻，切換完成后一二區的燃料配比仍為81%和19%。GCV2在較短時間進行關閉和打開，是為了確保在控制閥1開啟時降低二區火焰強度，避免高溫導致一區出現火焰，此時負荷大約在82 MW。

1.5? 預混穩定模式

圖5為預混穩定模式邏輯圖，L83FXS1為二次切換模式。L3FXPM2為還未準備好切換至預混穩定模式，延時為0.5 s;（溫度高于1 995 ℉且GCV1配比大于76%）或者（選擇預混穩定模式&退出預混切換模式）后延時1.0 s后為“0”。L28FSDX為二區有火，一區無火焰。L4GSV為燃料分解閥主控信號，L4為1及3 000轉時為1。

溫度高于L26FXL2（1 995 ℉）且GCV1打開到位，再0.5 s后（L3FXPM1），退出預混切換模式，準備進入預混穩定模式。預混切換模式完成，確認GCV1已完全開到位且TTRF1高于1 995 ℉后延時1.0 s，二區有火一區無火焰，二次切換模式未選中，則進入預混穩定模式，此時TTRF1約為2 015 ℉，機組出力約為88 WM，一區和二區燃料配比為81%和19%。最終GCV1和GCV2閥位在38%和18%左右。

在此狀態下，燃料按配比常數FXKSPM的要求分別由GCV1和GCV2提供，GCV3將繼續關閉至完全關閉狀態，GCV3完全關閉后，命令兩清吹控制閥至打開狀態。

2? 非正常燃燒模式

2.1? 負荷恢復模式

當在3 000轉主保護建立且二區有火一區無火條件下，如發生以下情況：

（1）發電機出口開關斷開;

（2）遠控模式下打開出口斷路器信號發出;

（3）TTRF1低于1 920 ℉;

（4）二次切換模式超過30.0 s;

（5）GCV3控制閥不跟隨;

（6）清吹管路狀態異常;

（7）非二次切換模式，非二次負荷恢復模式，非預混切換模式，非預混穩定模式，且一區無火二區有火。

在以上非正常狀態發生時，則進入負荷恢復模式，對一區進行重新點火。一區火焰重新建立，以保證機組燃燒的穩定性，同時盡快恢復機組出力。

2.2? 擴散貧-貧模式

進入擴散貧-貧模式的方式有3種。一區有火焰信號且TTRF1大于2 005 ℉時情況下：

（1）點選了貧-貧基本負荷模式，或出現燃燒故障導致分散度1、2高，或者2、3高的情況，再或使用快速啟動方式則會進入擴散貧-貧模式;

（2）選中預混切換模式，一區無火焰或者切換方向無閉鎖時;

（3）在二次切換模式中，清吹控制閥應關時未及時關閉或清吹控制閥關閉后清吹控制閥間壓力高（大于3.4 bar）。

燃氣輪機在擴散貧-貧模式下運行，將會快速減少熱部件的壽命，當進入這種燃燒模式時應盡快減少負荷，切換至貧-貧燃燒模式。

3? 結? 論

本文詳細地介紹了9E型燃氣輪機特有的DLN1.0燃燒系統及切換方式，正是因為DLN1.0在預混穩定模式下，具有穩定燃燒、低排放等一系列優點，在日益嚴峻的環保形勢下，其才能擁有較為廣泛的應用前景。但不容忽視的是，其也存在負荷可調裕量小、在低負荷條件下氮氧化物排放濃度偏高等缺點。這也對我們9E機組的啟動運行過程提出了新的技術要求。

參考文獻：

[1] 柴志紅，劉志勇，萬洪軍，等.PG9171E型燃氣輪機DLN 1.0燃燒調整技術分析 [J].燃氣輪機技術，2015，28（3）：53-61.

[2] 宋傳教.9E燃氣輪機燃燒模式切換失敗原因分析處理 [J].儀器儀表用戶，2016，23（4）：88-91.

作者簡介：姚書恒（1990—），男，漢族，浙江杭州人，熱控專工，碩士，研究方向：熱工自動化。