9H級(jí)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)夏季調(diào)整分析

索志城，馬寶華

(天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300)

0 引言

2017-05-12 ，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局印發(fā)的《依托能源工程推進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》要求研究先進(jìn)重型燃機(jī)技術(shù)，針對(duì)單循環(huán)功率400 MW等級(jí)、聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到60 %以上的G/H級(jí)重型燃機(jī)，研究高壓比大流量壓氣機(jī)、低NOx排放燃燒室及等溫燃燒、高效透平及其氣動(dòng)、冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)等；重點(diǎn)完善低排放燃燒試驗(yàn)、多燃料燃燒試驗(yàn)、燃燒監(jiān)測(cè)和診斷、調(diào)整技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)、熱表工藝研發(fā)試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)和應(yīng)用考核試驗(yàn)和示范平臺(tái)；重點(diǎn)突破部件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)，壽命評(píng)估及延長(zhǎng)技術(shù)，燃燒監(jiān)測(cè)和診斷、燃燒調(diào)整、燃燒室優(yōu)化改造技術(shù)[1]。

重型燃機(jī)是一種可將化石燃料高效轉(zhuǎn)化的裝備，具有綜合熱效率高、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)因其具備較好的調(diào)峰性能，是當(dāng)前能源系統(tǒng)的重要組成部分，為維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定做出了突出貢獻(xiàn)[2]。為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，同時(shí)保障燃機(jī)可持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，各大重型燃機(jī)制造商都在開(kāi)發(fā)燃燒調(diào)整技術(shù)，要求既能深度參與調(diào)峰，同時(shí)滿足燃燒穩(wěn)定性好及符合相關(guān)環(huán)保要求[3]。

為減排燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物，燃機(jī)廠商大多采用預(yù)混燃燒技術(shù)[4]，但該技術(shù)存在著燃燒不穩(wěn)定等問(wèn)題，為控制燃燒溫度、減少NOx的生成，燃燒室的燃空比已接近于貧燃料熄火的極限，導(dǎo)致熄火概率增大，跳機(jī)風(fēng)險(xiǎn)增加[5-6]。

1 概況

某企業(yè)新建1套600 MW級(jí)“一拖一”雙軸布置的燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電供熱機(jī)組(9H級(jí)燃機(jī))。2021-01-28，該機(jī)組順利通過(guò)168 h滿負(fù)荷試運(yùn)行后正式投產(chǎn)。

該燃機(jī)采用預(yù)混系統(tǒng)點(diǎn)火，DLN 2.6e燃燒系統(tǒng)利用微孔預(yù)混技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微孔預(yù)混和全預(yù)混燃燒，燃料和空氣的混合更為均勻，燃燒更為充分，從而達(dá)到更高的效率，并能降低NOx的排放。由于燃機(jī)采用了先進(jìn)的微管預(yù)混技術(shù)，微孔管束替代了之前的旋流噴嘴，使得噴嘴上布置有密集的進(jìn)氣微管，同時(shí)在每個(gè)進(jìn)氣微管的軸向位置上布置多個(gè)燃料孔。當(dāng)環(huán)境溫度變化大、天然氣熱值改變大、燃機(jī)老化程度增加以及硬件改動(dòng)等情況下，運(yùn)維人員需要及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整，以優(yōu)化燃燒性能、保證機(jī)組安全和排放達(dá)標(biāo)。因此，燃機(jī)的夏季燃燒調(diào)整是確保機(jī)組適應(yīng)高溫環(huán)境運(yùn)行的重要手段。

2 調(diào)整范圍及目的

1) 調(diào)整范圍。燃燒調(diào)整主要針對(duì)燃機(jī)的燃燒氣控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，包括天然氣流量控制閥門(mén)、燃機(jī)清吹系統(tǒng)、燃機(jī)抽氣系統(tǒng)閥門(mén)、燃機(jī)進(jìn)口可調(diào)靜葉(IGV)角度等。

2) 調(diào)整目的。在熱態(tài)燃料(天然氣性能加熱器投用)下，對(duì)燃機(jī)相應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行燃料量?jī)?yōu)化；通過(guò)調(diào)整燃料控制閥，燃機(jī)清吹閥和抽氣系統(tǒng)各閥門(mén)的開(kāi)度，從而使燃燒更加穩(wěn)定，滿足排放要求。

3 調(diào)整的前提

預(yù)混燃燒在燃機(jī)中穩(wěn)定燃燒的窗口狹窄，在空氣溫度、天然氣組分變化的情況下，燃機(jī)的燃燒工況會(huì)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，此時(shí)燃機(jī)的排放、燃燒的穩(wěn)定性將會(huì)出現(xiàn)異常，需要開(kāi)展燃燒調(diào)整使燃燒恢復(fù)至正常狀態(tài)。燃燒調(diào)整應(yīng)具備以下前提條件。

1) 中壓給水可用，性能加熱器可投用。

2) 天然氣前置模塊來(lái)氣壓力不低于3.5 MPa。

3) 配套的鍋爐排放測(cè)試設(shè)備(SMS)投用。

4) 相關(guān)輔助系統(tǒng)運(yùn)行正常。

5) 相關(guān)廠家的技術(shù)支持。

4 燃料控制系統(tǒng)介紹

氣體燃料控制包括：1個(gè)輔助截止閥VS4-1，用于切斷氣體燃料流，使下游設(shè)備與氣體供應(yīng)隔離；1個(gè)截止閥VGS-1，用于快速關(guān)閉流向燃燒系統(tǒng)的氣體燃料；1個(gè)啟動(dòng)控制閥VSC-1，用于在啟動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)下游壓力；4個(gè)燃?xì)饪刂崎yVGC-1～VGC-4，用于根據(jù)燃機(jī)負(fù)載和燃燒模式將燃?xì)夥峙渲撩總€(gè)燃?xì)夤艿溃?套儀用空氣吹掃管線，用于離線水洗后吹掃微混合燃?xì)鈬娮霽IS-1、VIS-2和VIV-1。

燃燒啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)包括1個(gè)截止閥VGST-1、2個(gè)放散閥VA13T-1、VAST-10和1個(gè)控制閥VGCT-1。

在燃機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中，點(diǎn)火器通過(guò)產(chǎn)生電火花對(duì)P1x空腔中提取的氣體進(jìn)行點(diǎn)火。P1x空腔在燃機(jī)的進(jìn)氣和供氣系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)引入燃料和空氣的混合物。在很短時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)火器產(chǎn)生的電弧或火花將預(yù)混氣體點(diǎn)燃，從而啟動(dòng)燃機(jī)的燃燒過(guò)程。整個(gè)過(guò)程非常短暫，但足以確保燃機(jī)能夠穩(wěn)定地啟動(dòng)并進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。預(yù)混點(diǎn)火系統(tǒng)在燃機(jī)的其他操作模式下不工作，僅在點(diǎn)火過(guò)程中使用，一旦燃機(jī)啟動(dòng)并進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)混點(diǎn)火系統(tǒng)將停止工作，并將控制權(quán)交給相關(guān)的燃燒管理系統(tǒng)，以確保燃機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

吹掃空氣管線用于吹掃氣體燃料系統(tǒng)工作過(guò)程中的無(wú)燃料氣體岐管，包括1個(gè)吹掃空氣冷卻器HX-4-2。氣體燃料吹掃系統(tǒng)是從壓縮機(jī)中抽出空氣，吹掃氣體燃料噴嘴，空氣首先由熱交換器冷卻至所需的溫度，然后用來(lái)吹掃氣體燃料噴嘴。氣體燃料吹掃系統(tǒng)可以避免串火，并通過(guò)提供流經(jīng)燃燒回路的空氣來(lái)防止氣體燃料在管道中自動(dòng)點(diǎn)火。

4個(gè)燃機(jī)燃?xì)忉?PM1、PM2、PM3和AFS歧管)將燃?xì)鈴臍怏w燃料模塊供應(yīng)到燃機(jī)的燃料噴嘴和燃燒室中。這些岐管的設(shè)計(jì)和配置確保了燃?xì)獾捻槙沉鲃?dòng)，同時(shí)也在維護(hù)期間提供了必要的隔離。燃燒可分成兩個(gè)階段，第一階段，PM1、PM2、PM3歧管?chē)姵龅娜剂吓c空氣混合并燃燒；第二階段，AFS歧管里的燃料與第一階段的產(chǎn)物混合并燃燒，進(jìn)一步降低NOx排放。PM2歧管上包括2個(gè)清吹閥VAS-3、VAS-4，1個(gè)放散閥VAV-2和1個(gè)燃料控制閥VGC-2；PM3歧管上包括2個(gè)清吹閥VAS-5、VAS-6，1個(gè)放散閥VAV-3和1個(gè)燃料控制閥VGC-3；AFS歧管上包括2個(gè)清吹閥VAS-7、VAS-8，1個(gè)放散閥VAV-4和1個(gè)燃料控制閥VGC-4；PM1歧管沒(méi)有清吹閥和放散閥，只有1個(gè)燃料閥VGC-1。

5 燃燒模式介紹

5.1 開(kāi)機(jī)過(guò)程

正常氣體燃料加注過(guò)程，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高于95 %額定轉(zhuǎn)速時(shí)，所有未加燃料的氣路都需要清吹；當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速低于95 %額定轉(zhuǎn)速時(shí)，所有清吹閥關(guān)閉，所有放散閥打開(kāi)。

5.2 3.1模式

燃機(jī)加速到58 %額定轉(zhuǎn)速后切換到3.1模式，該模式主要在燃機(jī)啟動(dòng)升速或關(guān)閉時(shí)使用。在此模式下，PM1、PM2歧管加燃料，PM3、AFS歧管不加燃料，清吹閥VAS-3、VAS-4為關(guān)閉狀態(tài)，放散閥VAV-2開(kāi)啟，清吹閥VAS-5、VAS-6、VAS-7和VAS-8開(kāi)啟，放散閥VAV-3、VAV-4關(guān)閉，此時(shí)PM1歧管同時(shí)還應(yīng)起到保持穩(wěn)定工作的作用。

5.3 4.1模式

燃機(jī)開(kāi)啟后，在負(fù)荷條件下使用4.1模式，此模式只有PM1、PM3歧管加燃?xì)猓篤GC-1、VGC-3用于調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁?，VGC-2、VGC-4關(guān)閉。用壓氣機(jī)空氣(CPD)吹掃PM2、AFS歧管，VAS-3、VAS-4、VAS-7、VAS-8將被打開(kāi)，VAV-2、VAV-4關(guān)閉。

5.4 6.2模式

負(fù)荷進(jìn)一步增長(zhǎng)時(shí)選用6.2模式，此時(shí)PM1、PM2、PM3歧管加燃料，AFS歧管不加燃料。關(guān)閉清吹閥VAS-3、VAS-4、VAS-5、VAS-6，開(kāi)啟放散閥VAV-2、VAV-3，同時(shí)開(kāi)啟清吹閥VAS-7、VAS-8，關(guān)閉放散閥VAV-4。

5.5 6.2.A模式

并網(wǎng)后，負(fù)荷上漲至100 MW后，會(huì)切換到6.2.A模式運(yùn)行，此時(shí)PM1、PM2、PM3、AFS歧管均加燃料，所有清吹閥VAS-3、VAS-4、VAS-5、VAS-6、VAS-7、VAS-8關(guān)閉，所有放散閥VAV-2、VAV-3、VAV-4開(kāi)啟。燃機(jī)在部分負(fù)荷或滿負(fù)荷工況時(shí)使用此模式。

5.6 停機(jī)過(guò)程

燃機(jī)停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速低于95 %額定轉(zhuǎn)速時(shí)，相關(guān)吹掃將停止，此時(shí)吹掃閥關(guān)閉，放散閥開(kāi)啟。

當(dāng)燃機(jī)跳閘時(shí)，清吹系統(tǒng)的閥門(mén)進(jìn)入故障安全位置(清吹閥關(guān)閉，放散閥開(kāi)啟)。

6 結(jié)果分析

6.1 燃料流量與燃機(jī)負(fù)荷的關(guān)系

燃燒調(diào)整一般會(huì)設(shè)定多個(gè)負(fù)荷工況，需要在控制系統(tǒng)中調(diào)整總?cè)剂狭髁繌亩鴿M足不同負(fù)荷下的燃燒要求。負(fù)荷設(shè)定分別為25 MW、30 MW、40 MW、50 MW、75 MW、80 MW、90 MW、100 MW、130 MW、200 MW、300 MW、350 MW、365 MW、402 MW(滿負(fù)荷)，燃料流量與燃機(jī)負(fù)荷的關(guān)系如圖1所示。

圖1 燃料流量與燃機(jī)負(fù)荷的關(guān)系

由圖1可知：燃料流量(X)與燃機(jī)負(fù)荷(y)呈現(xiàn)高度的線性相關(guān)性，回歸分析得y=11.48X-109.7，經(jīng)回歸分析后的相關(guān)系數(shù)為0.999 453，兩個(gè)變量之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系。

6.2 燃機(jī)壓氣機(jī)效率分析

根據(jù)MARK Vle系統(tǒng)中燃機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將各個(gè)負(fù)荷工況下，壓氣機(jī)的壓比與燃機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)導(dǎo)出并計(jì)算分析，得到如圖2所示壓氣機(jī)壓比與燃機(jī)負(fù)荷的關(guān)系，以及如圖3所示壓氣機(jī)效率(%)與燃機(jī)負(fù)荷的關(guān)系。

圖2 壓氣機(jī)壓比與燃機(jī)負(fù)荷的關(guān)系

圖3 壓氣機(jī)效率與燃機(jī)負(fù)荷的關(guān)系

圖2、3可得：隨著燃機(jī)負(fù)荷的增長(zhǎng)，壓氣機(jī)壓比也呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)；但壓氣機(jī)的效率在300 MW以后不再增長(zhǎng)，呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。

6.3 不同燃燒模式下燃料量分配關(guān)系

燃機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中有多種模式供選擇，不同燃燒模式下的燃料量分配比例不同，需分別對(duì)其分別進(jìn)行研究，確定燃燒的影響因素。

4.1模式下，只有PM1、PM3歧管加燃?xì)猓琍M2、AFS歧管進(jìn)行清吹。PM2、AFS清吹管道上的壓力幾乎相等，均在0.72 MPa左右，燃料閥開(kāi)度與負(fù)荷的關(guān)系如圖4所示。

圖4 4.1模式下燃料閥開(kāi)度與負(fù)荷的關(guān)系

PM2歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度、AFS歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度由于存在密封不嚴(yán)、泄漏導(dǎo)致開(kāi)度異常，回歸分析時(shí)將此開(kāi)度忽略，由此推導(dǎo)出4.1模式下PM1歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X1)、PM3歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X2)與燃機(jī)負(fù)荷(y)的關(guān)系為：y=-68.281 66+X1×2.203 57+X2×0.991 78，回歸統(tǒng)計(jì)的相關(guān)系數(shù)經(jīng)計(jì)算為0.998 19，PM1歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度、PM3歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度與燃機(jī)此段負(fù)荷高度正相關(guān)。

6.2模式下，PM1、PM2、PM3歧管加燃料，AFS歧管不加燃料進(jìn)行清吹。AFS歧管清吹壓力小幅度上升，從0.724 MPa上升到0.793 MPa，燃料閥開(kāi)度與負(fù)荷的關(guān)系如圖5所示。

圖5 6.2模式下燃料閥開(kāi)度與負(fù)荷的關(guān)系

AFS歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度的開(kāi)度值異常是由于密封不嚴(yán)、泄漏所導(dǎo)致，回歸分析時(shí)將這個(gè)開(kāi)度忽略，6.2模式下PM1歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X1)、PM2歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X2)、PM3歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X3)與燃機(jī)負(fù)荷(y)的關(guān)系為：y=-58.437 08+X1×1.788 50+X2×2.640 81-X3×0.039 45，回歸統(tǒng)計(jì)的相關(guān)系數(shù)經(jīng)計(jì)算為0.98274，PM1歧管上燃料閥控制閥、PM2歧管上燃料閥控制閥和PM3歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度與燃機(jī)此段負(fù)荷高度正相關(guān)。

6.2.A模式下，所有管路加燃料，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，燃料閥開(kāi)度與負(fù)荷的關(guān)系如圖6所示。

圖6 6.2.A模式下燃料閥開(kāi)度與負(fù)荷的關(guān)系

回歸分析6.2.A模式下PM1歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X1)、PM2歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X2)、PM3歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X3)、AFS歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度(X4)與燃機(jī)負(fù)荷(y)的關(guān)系為：y=-101.612 38+X1×1.816 47+X2×0.540 30+X3×1.752 47+X4×4.786 27，回歸統(tǒng)計(jì)的相關(guān)系數(shù)經(jīng)計(jì)算為為0.992 53，PM1歧管上燃料閥控制閥、PM2歧管上燃料閥控制閥、PM3歧管上燃料閥控制閥和AFS歧管上燃料閥控制閥開(kāi)度與燃機(jī)此段負(fù)荷高度正相關(guān)，并且在此模式下，AFS歧管上燃料閥控制閥起到了最關(guān)鍵的作用。

6.4 燃機(jī)透平冷卻分析

燃機(jī)的燃燒溫度很高，需要利用壓氣機(jī)的空氣來(lái)冷卻透平，由壓氣機(jī)的第八級(jí)和第十一級(jí)抽氣至第二級(jí)和第三級(jí)燃機(jī)噴嘴進(jìn)行冷卻。

燃機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為降低CO的排放，需要增加冷卻風(fēng)量，二級(jí)、三級(jí)冷卻閥的開(kāi)度開(kāi)至最大；至130 MW負(fù)荷后，需逐漸降低冷卻風(fēng)量；至200 MW后，冷卻閥開(kāi)度幾乎保持不變，且三級(jí)冷卻閥的開(kāi)度比二級(jí)冷卻閥開(kāi)度增加50 %，此時(shí)可在高負(fù)荷狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)降低CO排放的要求，同時(shí)也能達(dá)到機(jī)組出力要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)9H級(jí)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)夏季燃燒調(diào)整過(guò)程進(jìn)行分析，找出燃料流量與燃機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系、壓氣機(jī)壓比與燃機(jī)負(fù)荷之間的規(guī)律以及燃機(jī)透平冷卻時(shí)冷卻閥運(yùn)行的要求，為今后重型燃機(jī)燃燒調(diào)整提供理論的支撐。