PG9171E型燃氣輪機在貧貧燃燒模式下運行的探究

馬永 富兆龍

摘要：對PG9171E型燃氣輪機在干式低氮燃燒系統（DLN1.0）貧貧燃燒模式（LL_POS）進行研究，通過對LL_POS燃燒模式下燃燒室的工作環境的分析以及燃氣輪機在此模式下產生的高溫損耗進行分析，提出了燃氣輪機在運行中避免在LL_POS工況下長時間運行對機組的措施。

關鍵詞：燃氣輪機；干式低氮燃燒；貧貧燃燒模式；

0.前言

天然氣作為清潔能源已經成為燃氣輪機的主要燃料，在燃氣輪機的運行中會產生大量的NOx而降低NOx排放量的最直接方法就是減少天然氣在燃燒時NOx的產生。大量的試驗研究，證實當天然氣的火焰溫度低于1650℃時，燃燒產物中NOx的含量會很低。通過采用干式低氮燃燒技術（DLN）可以使天然氣的火焰溫度低于1650℃，而使NOx的生成得以控制。

1.DLN1.0燃燒室的介紹

該廠9E型燃氣輪機，于2011年通過改造使用了GE公司1990-1991年研制成功的兩級串聯式預混的干式低氮燃燒室（DLN1.0）。該機共有14個分管燃燒室，其中在12號、13號燃燒器裝有兩個點火器，燃燒室之間通過聯焰管實現著火燃燒。燃燒室分為兩級燃燒區，第一級燃燒室和第二級燃燒室，燃燒噴嘴分成三個，一級噴嘴、二級噴嘴和三級（切換）噴嘴。運行時一級噴嘴的燃料進入第一級燃燒室燃燒，二級噴嘴和三級噴嘴的燃料進入第二級燃燒室燃燒。燃燒室的火焰筒筒體和中心體組件使用熱障涂層和氣膜冷卻技術以確保燃燒室高溫部件運行溫度不超限。

2.貧貧燃燒模式對燃燒室的影響

經過對擴展貧貧燃燒模式（EXT_LL）的研究試驗可知，長時間處于擴展貧貧燃燒模式下運行，不僅在燃燒產物中產生大量的CO和NOx，而且文丘里組件出口的第二級燃燒室組件有燒壞變形的現象；此外，有經驗數據表明擴展貧貧燃燒使燃燒室的維修系數是均相預混燃燒模式的10倍，大大縮短了燃燒部件的壽命，說明擴展貧貧燃燒（EXT_LL）會對燃燒室的造成嚴重的危害，燃氣輪機運行中不允許停留在擴展貧貧燃燒（EXT_LL）下運行。

雖然燃燒室采用了先進的隔熱涂層和氣膜冷卻技術，能在一定程度上保護燃燒室的高溫部件，但是氣膜冷卻在運行中會受到燃燒脈動而失效，高達2000℃的擴散燃燒溫度對隔熱涂層也是嚴峻的考驗。由于燃燒室的工作環境溫度較高，所采用的材料也十分昂貴，當燃燒室長時間處于貧貧燃燒工況運行時，會增加燃氣輪機燃燒室的維修及投資。可見避免燃氣輪機長時間在貧貧燃燒（LL_POS）模式下運行也是非常必要的。

3.機組在貧貧燃燒（LL_POS）模式運行的現狀

燃氣輪機在貧貧燃燒模式（LL_POS）時，70%的天然氣進入一級噴嘴在燃燒器中進行擴散燃燒，造成了不良影響。

燃氣-蒸汽聯合循環機組啟動按汽輪機的啟動特性分為3種，分別是汽輪機冷態啟動，溫態啟動和熱態啟動。該廠汽輪機冷態和溫態啟動次數相對較少，而且需要停留在貧貧燃燒（LL_POS）模式運行的時間也是機組啟動特性決定的，其運行時間在20min左右，而在熱態啟動中機組在貧貧燃燒（LL_POS）模式運行的時間也較長。

作為調峰機組，該廠聯合循環機組的啟動80%屬于熱態啟動，在熱態啟動中，燃氣輪機在負荷65MW維持貧貧燃燒（LL_POS）運行的時間長達30min。為減少此模式運行對機組造成的危害，最直接有效的方法就是減少熱態啟動過程中貧貧燃燒（LL_POS）運行的時間。

4.減少熱態啟動中貧貧燃燒（LL_POS）時間的措施

該廠在調峰的運行模式下，80%的熱態啟動過程中汽輪機從抽真空到帶滿負荷，總共需耗時50min，在此期間，燃氣輪機在貧貧燃燒（LL_POS）模式下運行30min之久，主要取決于汽輪機在熱態啟動時的快慢。在汽輪機熱態啟動過程中，由于汽輪機汽缸溫度較高，汽輪機升負荷的速度可以適當加快，減少熱態啟動中汽輪機的啟動時間，可以從根本上解決燃機在貧貧燃燒（LL_POS）的運行時間長的問題。

根據機組啟動的特性，該廠從汽輪機沖轉前的準備階段、沖轉并網階段、并網后升負荷階段三個階段對汽輪機熱態啟動過程進行分析。從而找出影響燃氣輪機貧貧燃燒（LL_POS）模式運行時間的因素。

4.1 汽輪機沖轉前的準備階段

汽輪機啟動前準備工作，主要是建立汽輪機真空，從而通過高壓蒸汽旁路進行暖管和調節主蒸汽壓力，以滿足汽輪機沖轉的條件。由于熱態啟動時鍋爐也處于熱態，在啟動前高壓主蒸汽的壓力還有2.0MPa左右，溫度約200℃左右。在這一階段，限制燃氣輪機升負荷的原因是利用鍋爐對空排氣不利于主蒸汽壓力的調整，不僅會造成大量的汽水損失而且主蒸汽壓力也不好調控。高壓蒸汽旁路具有100%的容量，即使鍋爐滿負荷運行，都能維持主蒸汽壓力在正常范圍內。從記錄上可以看出，在高壓旁路投入后，主蒸汽的壓力可以得到很好的控制，并可以將鍋爐的蒸汽全部回收避免汽水浪費。

4.2 汽輪機沖轉并網階段

在汽輪機熱態啟動中，汽輪機沖轉的升速率設定為500rpm/min，并且中間不停留，汽輪機滿速后即進行并網操作這一期間需要維持主蒸汽壓力的穩定，所以燃氣輪機的負荷維持不變。在日常運行中，加強汽輪機調速系統和發電機同期裝置、勵磁系統的維護，確保設備運行的安全可靠性。避免汽輪機升速并網時出現異常，即可在沖轉并網階段預防燃氣輪機在貧貧燃燒（LL_POS）運行時間過長。

4.3 汽輪機并網后升負荷階段

在燃氣-蒸汽聯合循環啟動過程中，通過機組啟動前準備工作的相關措施，在日常生產中加強機組設備的維護，并采取先升燃氣輪機負荷后關汽輪機高壓旁路的措施，使汽輪機熱態啟動的時間從50多分鐘縮短到35min以內，同時減少了約10min燃氣輪機在貧貧燃燒（LL_POS）運行的時間。不僅在機組啟動中，將燃氣輪機燃燒室在貧貧燃燒（LL_POS）擴散火焰下的惡劣工況運行的影響減輕，而且將整套機組的啟動時間有效的縮短了，實現了機組經濟效益的提高。

5.結束語

燃燒室是燃氣輪機運行中重點監控保護的對象。對燃燒室基本特性和運行工況的研究。可以在燃氣輪機運行的過程中更好地保護價格昂貴燃燒室部件，確保燃機的安全高效運行。對DLN1.0燃燒系統貧貧燃燒（LL_POS）作為燃氣輪機運行中的一個特殊工況，由于不能實際測量其燃燒溫度，且其運行的溫度范圍跨度較大，其危害性并不能夠得到定性的分析，但是基于擴展貧貧燃燒（EXT_LL）對燃機燃燒室部件的危害，避免貧貧燃燒模式（LL_POS）長時間運行是必要的。

參考文獻：

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[2]章褆，任鑫.S109FA聯合循環燃氣輪機溫度控制分析[J].燃氣輪機技術，2010，（1）：34-38

作者簡介：馬永（1983），男，廣西玉林，助理工程師，從事燃氣輪機發電工作.