西門子SGT5-4000F機組燃燒不穩定的調整與應對分析

王子晉

（北京京西燃氣熱電有限公司，北京 100041）

西門子SGT5-4000F機組燃燒不穩定的調整與應對分析

王子晉

（北京京西燃氣熱電有限公司，北京 100041）

燃氣輪機的穩定燃燒是確保燃氣輪機可靠運行的重要保障，燃燒過程中的火焰脈動、回火或者熄火都會導致設備運行不穩定，甚至導致燃氣輪機的重新啟動甚至相關設備損壞。西門子SGT5-4000F是一種常見的技術比較先進的燃氣輪機，本文主要對該型號燃機的燃燒器原理進行介紹，對其在運行過程中發生的燃燒不穩定現象進行了研究和分析，并針對燃燒不穩定問題提出了相應的調整方法，具有一定的借鑒意義。

燃機；燃燒不穩定；調整方法

燃氣輪機的能量轉換效率高、功率大、外形尺寸小且性能穩定可靠，在發電廠中得到廣泛應用。近年來隨著國家對環保工作重視程度不斷提高，低氮燃燒技術在燃機電廠得到廣泛應用。貧燃預混燃燒通過調節燃料和空氣的混合比例使的火焰溫度降低，從而實現低氮燃燒的目的。但是當燃空比過低時，燃機的燃燒也會變得不穩定。西門子燃機通過對燃燒室的壓力變化進行監控從而對燃燒情況進行分析，并利用蜂鳴器和加速度兩種手段對燃機進行保護。西門子SGT5-4000F機組的低氮燃燒其采用擴散燃燒和預混燃燒，且主火焰由預混通道產生。為提高燃燒的穩定性，擴散燃燒成為值班燃料采用的燃燒方式。

1　燃機燃燒的不穩定現象

貧燃預混燃燒可以使燃燒溫度有效降低，從而使機組的環保性能得到提高，但是很容易造成熱聲不穩定的現象發生。即火焰燃燒中釋放熱量的脈動頻率與燃燒室的固有頻率發生耦合，從而形成燃燒共振，導致燃燒的不穩定。在貧燃預混燃燒的情況下，當然空比接近貧燃熄火極限時，則會引起火焰不穩定以及熱能的不穩定釋放，一但燃燒室熱釋放產生的壓力形成回聲，即產生嗡鳴現象，則會導致燃燒的不穩定。嗡鳴造成的燃燒室內持續的自激震蕩頻率若和燃燒室的自振頻率接近時，則會引起共振，從而觸發加速度保護并造成設備的損壞［1］。

某熱電廠投入運行后，兩臺熱機有燃燒不穩定的現象發生，其中燃機A在當負荷增加時，進口可轉導葉的角度在10%～15%變化過程中，以及在負荷減小時，進口可轉導葉的角度在20%～10%變化過程中，出現了嗡鳴和加速度過高的現象，加速度實際值大約在2.3～3.6g之間。燃機B在當負荷增加時，進口可轉導葉的角度在40%～60%變化過程中，以及在負荷減小時，進口可轉導葉的角度在30%～25%變化過程中，出現了嗡鳴和加速度過高的現象，加速度實際值大約在2.3～3.8g之間。為了對機組設備進行保護，西門子熱機控制器的加速度保護有表1和表2所示的控制邏輯。

表1　熱機加速度保護的減負荷條件

表2　熱機加速度保護的跳閘條件

2　SGT5-4000F機組燃燒調整機理

調整值班噴嘴流量是SGT5-4000F機組燃燒調整的主要手段，適當的值班噴嘴流量可以確保燃機在運行過程中的嗡鳴情況和加速度保持在允許范圍以內。值班噴嘴流量主要受壓氣機的入口溫度值、燃機排氣溫度修正值以及進口可轉導葉的角度三個參數的影響。調整這三個參數中的任何一個都可以導致值班噴嘴流量產生變化，且每個參數對值班噴嘴流量的影響對應不同的數學函數，由于函數關系不同，必須在負荷的調整過程中完成燃燒的調整。

可以通過分析值班氣體設定值、天然氣密度以及值班氣體閥門流量特征曲線，來計算值班氣體燃料控制閥的閥位。通常流量特征曲線在在設備出廠時已經進行了檢驗；天然氣密度通常取天然氣在調試之初的密度值。若天然氣的自身情況在運行過程中氣源有波動，則很容易造成天然氣密度的變化。一旦天然氣的密度和設計值有比較大的偏差時，值班氣體的實際質量也會和設定值之間產生較大偏差［2］。

在進行燃燒調整時，必須將嗡鳴和加速度信號受值班噴嘴流量的影響情況進行記錄，其中主要數據有幅值和頻率的大小。西門子公司應用ARGUS系統對燃燒的穩定情況進行檢測。該系統對脈動嗡鳴信號和燃燒室振動的加速度值進行傅里葉變換，從而將這些信號顯示在頻譜圖中［3］。

為確定適宜的流量設定值需要適當調整值班噴嘴流量，從而使燃機在全部運行狀態下的嗡鳴和加速度值以及污染物排放指標都在允許范圍以內，國家有關環保法律法規規定氮的排放營銷與10mg/m3。

3　SGT5-4000F機組燃燒調整方法

3.1機組首次進行燃燒調整

為了將燃燒振動問題進行消除，該熱電廠適當調整了值班噴嘴流量，表3是調整前后的系統數據。

表3　燃機A、B機組燃燒調整前后加速度保護動作值

在表3中可以發現，燃機A在經過燃燒調整后，加速度信號和嗡鳴信號在加負荷過程中得到有效的控制，但這些參數在減負荷過程中沒有太大改觀，而燃機B的情況基本沒有什么變化。

3.2機組再次進行燃燒調整

鑒于初次進行燃燒調整沒有獲得較為理想的結果，該熱電廠再次進行燃機的燃燒調整，在此次調整前，對燃燒器進行了全面更換。調整的具體步驟為：

1）調整了外旋流器的靜葉片的角度，由112°調整到108°。

2）對部分圓筒型擴張段的長度進行了改變，燃燒器1#—20#的長度延長為97cm，21—24#燃燒器的長度保持原樣。

3）將外旋流器的孔洞數由10個減少為8個，并把孔洞的直徑改為1.8mm。表4是二次燃燒調整后的數據，從表中可以發現，更換然殺氣設備并進行燃燒調整后的加速度和嗡鳴信號都有了很大改善，在燃機的全部運行區間中，這些參數都在規定范圍內。

表4　燃機A、B機組燃燒調整前后加速度保護動作值

再次調整后的燃機值班噴嘴流量設定值如圖1至圖4所示，可以明顯看出，加速度信號和嗡鳴信號都很小，因此值班噴嘴流量設定曲線的整體走向是平直的，從而不必在將值班噴嘴流量加大。

在通常情況下，將值班噴嘴流量適當增大就可以有效的降低加速度信號和嗡鳴信號，然而在上文的熱電廠中，僅僅對值班噴嘴流量進行調節并沒有達到預期的效果，最終通過采用更換燃燒器的相關配件同時采用燃燒調整的方法才將問題解決。

圖1　燃機A值班噴嘴流量調整曲線1

圖2　燃機A值班噴嘴流量調整曲線2

圖3　燃機B值班噴嘴流量調整曲線1

圖4　燃機B值班噴嘴流量調整曲線2

4　結論

鑒于混合燃燒穩定性比較差，熱電廠燃機的燃燒器比較容易有嗡鳴報警產生，所以可以利用值班擴散火焰對燃燒器的燃燒穩定進行調整。往往對值班噴嘴的流量進行適當增加可以促使燃燒室加速度信號和嗡鳴信號降低，但是在有些情況下，僅僅對值班噴嘴流量進行調整，并不能使問題得到解決，此時，往往需要從硬件上入手，對設備進行優化改造，同時對燃燒進行調整，往往就可以使燃燒變得穩定。機組燃燒穩定關系重大，應加大這方面相關問題的深入研究，以進一步提高燃機運行的可靠性。

［1］ 宇震林， 全宏許， 高恩. 燃氣輪機燃燒室［M］. 北京：國防工業出版社， 2008.

［2］ 楊勇， 艾松， 賈文. 燃氣輪機燃燒室燃燒穩定性分析［J］. 東方電氣評論， 2012， 26（101）： 25-29.

［3］ 瞿虹劍， 劉新平. 西門子V94.3A型燃機燃燒穩定性的判別［J］. 華東電力， 2012（12）： 2282-2288.

Adjustment and Response Analysis of Combustion Instability of SIEMENS SGT5-4000F Unit

Wang Zijin
（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd， Beijing 100041）

The stability of the gas turbine combustion is to ensure that an important guarantee for the reliable operation of the gas turbine， combustion process of flame pulsation， tempering or extinction will lead to unstable operation of equipment， and even lead to gas turbine restart or damage to equipment. Siemens SGT5-4000F is a common technology more advanced gas turbine， this paper mainly for the type of burning machine principle of burner are introduced， occurring in the operation process of combustion instability is studied and analyzed in the paper and in view of the problem of combustion instability proposed corresponding adjustment methods， have certain reference significance.

combustion engine； combustion instability； adjustment method

王子晉（1984-），男，工程師，主要從事發電廠運行工作。