PG9171E燃氣輪機燃料分配算法解析

陳子靜 王勇 王兆舜 曹偉平 熊超

摘要：以某廠PG9171E燃氣輪機為研究對象，介紹了DLN1.0燃燒室結構特點、燃燒模式及燃料控制策略，結合實際案例，對燃氣輪機在燃燒模式切換過程中的燃料分配算法進行了深入的研究分析。DLN1.0燃燒技術的解析對于燃燒調整以及燃機控制系統國產化具有一定的實際參考價值及指導意義。

關鍵詞：PG9171E;燃氣輪機;DLN1.0燃燒室;燃燒模式;燃料控制策略

中圖分類號：TK472? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.001

0? ? 引言

當燃氣輪機中氣體燃料燃燒為擴散燃燒時，由于燃燒溫度高，在燃燒過程中極易產生數量較多的熱NOx污染物，因此，為實現低NOx燃燒，DLN1.0燃燒技術采用均相貧預混的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵椒╗1]，通過將燃燒器改為兩級串聯式，從而將燃料燃燒由最初的擴散燃燒通過模式切換和改變燃料分配的方式逐步過渡至預混燃燒，通過調節(jié)空燃比，可以保證燃燒溫度始終低于1 650 ℃，故能有效抑制熱NOx的生成。

而如何確保在模式切換過程中燃料分配變化不對燃氣輪機正常安全穩(wěn)定運行產生影響，如導致回火、脫火、振蕩燃燒、負荷波動或是CO排量高等問題，則尤為重要。本文以某廠PG9171E燃氣輪機為研究對象，深入研究了DLN1.0燃燒技術。

1? ? DLN1.0燃燒室

由圖1可知，干式低NOx（DLN1.0）是一種兩級串聯式的預混稀釋態(tài)的DLN1.0燃燒室。一區(qū)由6個彼此隔開的燃燒空間組成，每個燃燒空間都裝設各自的旋流器和燃料噴嘴，通過中心體組合件，裝設一個二區(qū)燃料噴嘴和旋流器，在文丘里組合件后便是二區(qū)。

由壓氣機來的高壓空氣被分流為3個部分，即一次空氣、冷卻空氣和二次空氣。一次空氣流經旋流器、端部配氣蓋板、過渡錐頂上的魚鱗孔以及開在火焰筒前段的三排一次射流孔，進入燃燒區(qū)，直接與燃料進行混合與燃燒;冷卻空氣穿過在火焰筒壁上的多排冷卻空氣射流孔分散進入火焰筒中，在火焰筒壁面附近形成一個溫度較低的空氣冷卻膜，保護管壁避免高溫灼燒;二次空氣由開在火焰筒后段的混合射流孔射入由燃燒區(qū)來的高溫煙氣中，對高溫煙氣進行摻冷，從而降低進入透平入口的溫度[2-3]。

2? ? 燃料控制算法

為了將燃氣輪機的燃燒方式由擴散燃燒過渡至預混燃燒，PG9171E燃氣輪機燃料控制算法將實時燃燒基準溫度與預選設定的燃燒溫度基準陣列參數進行比較，并根據其他輔助邏輯條件，判斷燃氣輪機所處燃燒模式，然后根據燃氣輪機實時運行狀態(tài)計算出當前燃氣輪機所需燃料量，以實現燃燒模式的順利切換并調節(jié)一區(qū)、二區(qū)各燃料閥的燃料量。

由圖2可知，燃料控制算法主要由燃料行程基準、燃料分配基準及燃料流量基準組成。燃料行程基準計算控制可分為8種類型：啟動升速控制、加速控制、轉速/負荷控制、負荷限制控制、溫度控制、停機控制、壓氣機壓比控制和手動控制，這8個控制模塊的控制輸出，通過最小值選擇作為當前燃料行程基準;燃料分配基準則根據燃燒基準溫度輔以其他邏輯條件判斷燃氣輪機所處燃燒模式，并根據不同的燃燒模式得出一級燃料閥在燃料行程基準中所占的比例值，剩余的燃料行程基準值由二級燃料閥與切換燃料閥根據需要再次分配，從而獲得各燃料閥的分配比例;燃料流量基準是由燃料行程基準及燃料分配比例計算得到的分配流量以及由壓氣機排氣壓力和燃料溫度計算得到的預充流量相加得到。

另外，由于二級燃料閥及切換燃料閥后環(huán)管結構復雜，環(huán)管體積大，管路行程長，為了快速排出二級燃料閥及切換燃料閥管路中的空氣，對于二級燃料閥和切換燃料閥在其首次開啟之時需要預充流量對管路進行預充，而預充流量是壓氣機排氣壓力和燃料閥前溫度的函數，并隨著壓氣機排氣壓力的增大而增大，燃料閥前溫度的增大而減小。雖然壓氣機出口至燃燒室有一定的壓損，但仍可近似認為燃燒室壓力等于壓氣機排氣壓力，因而為了保證燃料管路與燃燒室之間的壓差，當壓氣機排氣壓力增大時需要增大預充流量，以增大燃料閥開度來提高燃料閥后壓力。

3? ? 燃燒模式

DLN1.0燃燒技術共有8種燃燒模式，即初級燃燒模式、貧貧增燃燒模式、貧貧減燃燒模式、擴展貧貧模式、二次切換模式、預混切換模式、預混穩(wěn)定燃燒模式以及負荷恢復模式。在機組正常啟動運行期間，按時間順序共經歷5種燃燒模式，即初級燃燒模式、貧貧增燃燒模式、二次切換模式、預混切換模式、預混穩(wěn)定燃燒模式。在機組正常停機期間，按時間順序共經歷4種燃燒模式，即預混穩(wěn)定燃燒模式、貧貧減燃燒模式、貧貧增燃燒模式、初級燃燒模式。在燃燒異常工況下，則會觸發(fā)擴展貧貧模式或負荷恢復模式[4]。本文以某燃氣電廠PG9171E燃氣輪機為研究對象，對其模式切換過程中的燃料控制算法進行了研究分析。

3.1? ? 初級燃燒模式

燃機從點火開始，經過暖機、加速、全速空載到低負荷運行（燃燒基準溫度低于1 650 °F），都工作在初級燃燒模式（圖3）下。在該燃燒模式下，只有一級燃料閥開啟，所有燃料進入一區(qū)，進行擴散燃燒。

3.2? ? 貧貧增燃燒模式

隨著負荷的不斷升高，當燃燒基準溫度高于1 650 °F時，二級燃料閥開啟，此時進入貧貧增燃燒模式（圖4），二級燃料管路開始預充，一區(qū)的燃料分配比例由100%按4.5%/s的速率降至95%，二區(qū)的燃料分配比例由0%按4.5%/s的速率增至5%，此外二區(qū)預充流量按0.05%/s的速率增加至目標值;當二級燃料管路預充完成后（二級燃料管路預充時間由預充流量計算得到），一區(qū)的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%，二區(qū)的燃料分配比例則由5%按4.5%/s的速率增至30%，由于二區(qū)燃料量的增大，在預充完成大約6 s后，二區(qū)著火，最終一區(qū)、二區(qū)燃料分配比例為7：3。另外，預充完成后延時3 s，預充流量按0.02%/s的速率減小至0。

3.3? ? 二次切換模式

當燃燒基準溫度高于1 970 oF時，燃料吹掃閥組關閉，切換燃料閥開始預充，預充流量按0.05%/s的速率增加至目標值，當切換燃料閥預充完成后，進入二次切換模式（圖5），一區(qū)燃料分配比例由70%按4.5%/s的速率減小至0%，一區(qū)熄火，所有燃料通過二級燃料閥和切換燃料閥進入二區(qū)進行燃燒，其中切換燃料閥的燃料分配比例由0%按5.2%/s的速率增加至65%，剩下的燃料分配給二級燃料閥。

3.4? ? 預混切換模式

一區(qū)熄火、二區(qū)有火后延時5 s，進入預混切換模式（圖6）。預混切換模式可以分為兩段，分界點為二級燃料閥處于關閉位置。第一段，進入預混切換模式后，一級燃料閥開啟，一區(qū)燃料分配比例為81%，并按6.4%/s的速率逐步增加，切換燃料閥的燃料分配比例由二區(qū)燃料量的65%按5.2%/s的速率增加，二區(qū)二級燃料閥的燃料分配比例由二區(qū)燃料量的35%逐漸減小至0%，即將二區(qū)燃料量全部送入切換燃料閥直至二級燃料閥全關;第二段，在二級燃料閥全關的同時，切換燃料閥的預充流量也減至0，此時一區(qū)燃料量增加至總燃料量的40%，切換燃料閥燃料量分配比例按5.2%/s的速率減小，二級燃料閥開度逐漸增大。二級燃料閥在預混切換模式下經歷開大、關閉、開大的動作，保證在一級燃料閥開啟過程中二區(qū)火焰強度降低，以控制燃燒溫度，防止一區(qū)重點火。

3.5? ? 預混穩(wěn)定燃燒模式

當一區(qū)分配燃料量增加至與預混穩(wěn)定分配流量基準值偏差在5%以內時，延時0.5 s，進入預混穩(wěn)定燃燒模式（圖7），由于此時一區(qū)和二區(qū)的分配燃料基準變化較小，切換燃料閥的分配流量仍按5.2%/s的速率減小，二級燃料閥的分配流量則按同等的速率增加，直至切換燃料閥全關，至此一區(qū)只進行燃料與空氣的混合，二區(qū)進行燃料的燃燒反應。

4? ? 模式切換過程案例分析

4.1? ? 初級模式切換至貧貧增模式

由圖8可知，在從初級模式切換至貧貧增模式的起始階段，負荷會出現小幅度下跌，下降幅度大致為2 MW，這是因為一區(qū)燃料分配比例從100%降至95%的過程中，雖然二級燃料閥開啟，但二區(qū)還未著火，從而導致負荷出現小幅下跌，但負荷降低后轉速偏差增大，燃料行程基準會迅速增大以增加燃料量。當二級燃料管路預充完成后，一區(qū)的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%，二區(qū)的燃料分配比例則由5%按4.5%/s的速率增至30%，由于二區(qū)燃料量的增大，在預充完成大約6 s后，二區(qū)著火。

另外，由于預充完成后延時3 s，預充流量按0.02%/s的速率減小至0，因而二級燃料閥開度逐漸減小并穩(wěn)定在一個由燃料行程基準和燃料分配比例計算得到的閥位。由此可以看出，為了燃燒模式的平穩(wěn)過渡，防止負荷、透平初溫等出現較大波動，燃料量的調節(jié)分為兩段進行：第一段，對二級燃料管路進行小流量預充以排出管路內的空氣;第二段，快速增加二級燃料閥流量，使二區(qū)盡快穩(wěn)定著火。

4.2? ? 貧貧增模式過渡至預混穩(wěn)定模式

從貧貧增模式過渡至預混穩(wěn)定模式過程尤為重要，一方面應盡可能保證燃燒火焰的穩(wěn)定性，避免由于燃燒不穩(wěn)定或燃燒振蕩造成燃燒器及熱通道部件損壞，另一方面應保證燃燒基準溫度能達到切換至預混穩(wěn)定模式所要求的閾值，且波動幅度應控制在預設死區(qū)以內。同時，從貧貧增模式過渡至預混穩(wěn)定模式的時間應盡可能短，當燃燒完全發(fā)生在二區(qū)時，火焰溫度極高，火焰輻射強，對燃燒室壽命有較大影響[5]。此外，由于燃燒方式的改變，燃燒室內的溫度場分布有較大變化，應保證排煙分散度在允許范圍以內。

由圖9可以看出，由于切換燃料閥預充流量的作用，在進入二次切換模式前，負荷已偏離原先增長速率而加速增大，透平初溫、排煙分散度有明顯增大，此時透平初溫所能達到的峰值為整個貧貧增至預混過程中的最高值，該峰值必須超過1 995 °F，才能滿足切換至預混模式的溫度基準;隨著燃料行程基準減少，負荷逐漸降低，透平初溫也逐步下降，當進入預混切換模式后，一區(qū)燃料增大，一區(qū)只進行燃料和空氣的混合，二區(qū)保持擴散燃燒的燃料量減少，因而燃燒強度減弱，火焰溫度降低，此時透平初溫會出現一個低點，該低點溫度不能低于1 970 °F，否則會導致預混切換模式時間延長，甚至導致模式切換失敗。燃燒溫度基準的第二個谷值出現在預混切換模式至預混穩(wěn)定模式的初期，該谷值同樣不能低于1 970 °F，若該谷值低于1 970 °F，且3 s內燃燒溫度基準沒有增加至1 995 °F，則會導致一區(qū)主動重點火，模式切換失敗。從貧貧增模式過渡至預混穩(wěn)定模式過程時間較短，大約26 s。

4.3? ? 模式切換異常案例分析

圖10為一模式切換異常典型案例，該次模式切換過程中第一個谷值為1 967.7 °F，從而導致在預混切換模式下燃燒度基準必須再次高于1 995 °F才能進入預混穩(wěn)定模式，其進入預混穩(wěn)定模式的時間比正常情況遲了大約4 s，同時也有可能在燃燒溫度基準增大的過程中導致排煙溫度分散度高，進而誘發(fā)一區(qū)被動重點火。

圖11為一模式切換失敗典型案例，該次模切過程中第二個谷值為1 968.4 °F，因3 s內燃燒溫度基準未增加至1 995 °F，從而誘發(fā)一區(qū)主動重點火，進入貧貧減負荷模式，當燃燒基準溫度大于2 005 °F，延時1 s，切換至擴展貧貧模式，模式切換失敗。

5? ? 結語

本文以某廠PG9171E燃氣輪機為研究對象，介紹了DLN1.0燃燒室結構特點、燃燒模式及燃料控制策略，并結合實際案例，對燃氣輪機在燃燒模式切換過程中的燃料分配算法進行了深入的研究分析，DLN1.0燃燒技術的解析對于燃燒調整以及燃機控制系統國產化具有一定的實際參考價值及指導意義。

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收稿日期：2021-09-23

作者簡介：陳子靜（1988—），男，江蘇南京人，工程師，從事燃氣輪機控制系統研究工作。