關于9E燃氣輪機DLN1.0燃燒系統重點火原因分析及處理

黃雪成

(惠州深能源豐達電力有限公司，廣東 惠州 516025)

1 機組概況

某電廠建有兩套PG9171E燃氣輪機聯合循環機組，裝機容量為2×180 MW。為滿足國家氮氧化物排放要求，于2014年先后進行低氮燃燒DLN1.0改造。改造后，機組NOx的排放量低于30 mg/m3。在DLN1.0燃燒改造同時，將燃氣輪機的控制系統由Mark Ⅴ升級為Mark Ⅵe。

2 異常現象

該電廠9E燃氣輪機由Lean-Lean模式(簡稱L-L模式)切換至預混模式時，多次出現重點火的異常現象。此時機組正值升負荷狀態，燃燒溫度很快超過1 995 ℉，機組由L-L模式轉入擴展 L-L模式，然后通過高負荷切換至預混穩態模式。

在出現上述異常現象的同時，依次出現如下報警和事件記錄：

1) L30FXML_ALM，DLN PREMIX MODELESS-GOTO SEC LOAD REC。

2) L2TVX1，IGITION TRANSFORMER [95TR-13,14] RELAY。

3) L28FDA/B/C/D，1區出現火焰。

3 原因分析

3.1 重點火原因分析

通過圖1可以看出，在信號L30FXML_ALM為“1”的情況下，信號L83FXS3為“1”，即選擇第二負荷恢復模式，觸發重點火程序。

圖1 重點火邏輯圖

通過圖2可以看出：在一區熄火、二區有火焰的情況下，沒有選擇L83FXS1(第二切換模式)、L83FXS3(第二負荷恢復模式)、L83FXP1(預混切換模式)、L83FXP2(預混穩態模式)四種DLN燃燒模式，將觸發L30FXML信號為“1”，出現L30FXML_ALM信號報警。

圖2 信號L30FXML_ALM的觸發程序

查看燃氣輪機數據曲線，發現：在L-L模式向預混模式切換過程中，燃燒溫度TTRF1存在較大幅度的波動，最低值低于1 970 ℉，且至機組重點火前沒有超過1 995 ℉，信號L26FXL2一直為“0”，無法選擇L83FXP2預混穩態模式；待預混切換完成后一直處于L83FXP1預混切換模式；當氣體燃料清吹閥打開時，選擇預混切換模式L83FXP1信號為“0”，觸發L30FXML信號為“1”，持續2 s 后，機組進入重點火程序。

因此，可以得出如下結論：預混切換過程中，TTRF1波動過大，且持續偏低，無法選擇預混穩態模式，導致機組重點火，進入L-L模式。

3.2 燃燒溫度TTRF1波動過大原因分析

查看燃氣輪機曲線發現：機組預混切換時負荷DWATT、燃燒溫度TTRF1、燃料值基準FSR均有比較大的幅度波動，詳情見圖3。

圖3 切換過程中參數波動曲線

通過曲線可以看出，DWATT、TTRF1均有一個異常突起點。其中DWATT突升5.2 MW，TTRF1突升21.8 ℉，而FSR下降1.97%，數據變化異常。

在機組預混切換過程中，燃料基準FSR為轉速燃料基準FSRN。FSRN由式(1)[1]計算得：

(1)

通過式(1)可以看出，影響FSRN的因素有TNH、DWATT、TNR。

燃氣輪機轉速TNH。查看曲線，發現燃氣輪機轉速變化不足以影響FSR約2.0%的變化值。另外，通過強置TNH為100%進行試驗，發現機組預混切換時FSR仍然有幾乎相同的下調量，因此可以排除電網頻率變化的影響。

燃料轉速基準TNR。通過數據記錄，發現預混切換時，TNR幾乎未發生變化，因此也可以排除TNR變化的影響。

通過排除法可以得知：只有DWATT的突升，才有可能導致FSRN約2.0%的下調量。

在相同的FSRN的條件下，燃氣輪機負荷DWATT和燃燒溫度TTRF1為什么突然上升呢？

查看天然氣控制閥GCV1、GCV2和GCV3的位置反饋，查看速比閥與控制閥間腔室壓力FPG2等參數，發現：在FSR迅速下調前，FPG2壓力未有明顯變化，控制閥GCV1和GCV2位置反饋未有明顯變化，說明控制閥GCV1和GCV2閥所進的燃料值正常，未有變化，GCV3閥位有開度，達到2.33%。

在DLN1.0燃燒系統原始設計中，考慮到GCV3管線存在空氣，需要提前對該管線進行燃料吹掃，防止切換過程中機組負荷和燃燒溫度大幅度變化，預混切換失敗。根據上述情況，可以得出：在預混切換前，FSR未有變化的情況下，GCV3閥小開度開啟，導致實際進入燃燒室的燃料增加，燃氣輪機負荷和燃燒溫度升高；根據FSRN的計算公式，在TNR未變化前，負荷上升將致使FSR迅速下調，最終導致DWATT和TTRF1有大幅度波動。

4 解決方案和效果

4.1 提高預混切換點溫度

切換過程中，燃燒溫度TTRF1波動大，最低值低于1 970 ℉，致使切換完成后觸發重點火程序。因此提高預混切換點溫度(將L26FXS1信號觸發溫度由1 970 ℉提高到1 983 ℉)，將整體提高預混切換過程中TTRF1的值，避免切換后燃氣輪機重點火。

通過圖4曲線可以看出，提高預混切換點溫度后，預混切換過程中TTRF1最高點、最低點分別達到2 005.5 ℉、1 976.2 ℉，較之前分別有7～8 ℉的提高，高于預混穩態選擇最低溫度值1970 ℉，解決機組出現重點火問題。但從TTRF1、DWATT和FSR的波動量來看， TTRF1波動29.3 ℉，DWATT波動4.8 MW，FSR波動1.93%，波動值仍然很大。另外，提高預混切換點溫度將提高切換點負荷，不利于機組安全穩定運行。提高機組預混切換點溫度，僅影響機組預混切換過程，不影響機組正常運行過程中的燃料配比值和運行負荷狀態，故對機組NOx排放無影響。綜合來看，該方案可以解決預混切換過程中重點火的問題，但不能消除各參數值大幅度波動，仍然有不足。

圖4 提高預混切換點后切換曲線

4.2 降低GCV3的填充燃料值

控制閥GCV3的填充燃料值過大，在未改變FSR的條件下，額外提升燃氣輪機負荷，導致機組燃燒溫度TTRF1波動過大，從而觸發預混穩態模式選擇信號L26FXL2為“0”，機組預混切換后重點火。適當降低控制閥GCV3的填充燃料值，可降低DWATT、TTRF1、FSR的波動量，確保切換過程平穩。因此，嘗試調整GCV3填充燃料值，降至原始值的66.7%。

經過試驗，調整GCV3填充燃料值后，燃氣輪機DWATT、TTRF1和FSR值的波動情況有明顯改善。通過圖5曲線可以看出：

1) 調整GCV3填充燃料值后，切換過程中，TTRF1最高點、最低點分別為2 001.9 ℉、1 984.7 ℉，波動17.2 ℉。

2) 燃氣輪機DWATT最高點、最低點分別83.4 MW、82.3 MW，波動1.1 MW。

3) FSR最高點、最低點分別為64.0%、63.0%，波動1.0%。

圖5 調整GCV3填充燃料值后預混切換曲線

總的來說，調整GCV3的填充燃料值后，DWATT、TTRF1和FSR等值的波動情況有明顯改善，機組頻繁出現重點火的問題也得到解決。另外，減少GCV3填充燃料值后，預混切換過程中機組負荷仍然有上升，不影響預混切換，沒有帶來其它問題。控制GCV3的填充燃料值僅對預混切換過程有影響，所以調整填充燃料值不會影響機組正常運行過程中NOx的排放。綜合來看，該方案更優。

5 結語

通過仔細研究DLN1.0燃燒切換程序，分析機組重點火的原因，發現DLN1.0預混切換控制參數設置存在不合理。經過參數優化和試驗驗證，徹底解決DLN1.0燃燒切換重點火的問題。