DLN1.0燃燒系統模式切換過程中負荷波動分析

孟 浩，潘 福

（無錫藍天燃機熱電有限公司，江蘇無錫 214112）

0 引言

為降低燃氣輪機NOx排放，滿足國家環保要求，現代燃氣輪機大多數采用了干式低氮燃燒技術。GE公司9E型燃氣輪機采用了DLN1.0燃燒系統，正常運行工況下為預混模式，降低燃燒溫度，減少NOx的產生。燃氣輪機自啟動到滿負荷運行過程中，對應不同負荷點進行燃燒模式切換，以保證燃燒穩定和最終的排放達標，但在切換至預混過程中，經常會出現燃燒不穩定、負荷波動大等現象。針對某電廠的9E型燃氣輪機燃燒調試過程中，在燃料閥均切換完成后出現負荷波動大、部分燃燒室熄火后再爆燃的現象進行分析、處理，保證了機組設備的安全運行。

1 電廠基本情況說明及問題

某電廠建設有2×180 MW級燃氣—— 蒸汽聯合循環機組“1拖1”配置，燃氣輪機型號為GE公司生產的PG9171E型，采用AGP（先進熱通道）最新技術。燃用西二線天然氣，配置DLN1.0燃燒系統和進氣加熱系統IBH。2015年10月，現場進行DLN系統調試和燃燒調整。

在調試過程中，燃燒模式切換時，三路燃料控制閥均正常，燃料閥動作平穩，排煙溫度分散度及負荷均穩定，但隨后發生負荷大幅波動，波動5 s后再恢復正常，最大波動值從59 MW突升至97 MW，波動幅值達到38 MW，排煙溫度分散度變化幅值達到180℃，穩定后NOx排放的質量濃度為18 mg/m3。

2 DLN系統簡要介紹

DLN（dry low NOx）燃燒系統是為降低燃燒過程中熱力NOX而設計的，當燃燒溫度在1650℃以上（甲烷的理論燃燒溫度通常約為1970℃）時，空氣中的氮在高溫條件下被氧化而形成高溫氮氧化物，NOx產生量將大幅增加。而GE公司設計的DLN燃燒系統通過將原擴散燃燒改為預混燃燒方式，降低燃燒溫度，減少NOx生成，再通過文丘里組件和值班火焰保證燃燒的穩定性[1]。

燃料氣通過天然氣管道經速比閥（SRV-1，其開度為燃氣輪機轉速函數，控制閥后壓力）[2]和3個燃料控制閥（GCV-1/2/3）分3個管路和環管分別接入至14個環形燃燒室（圖1）。

圖1 DLN閥站

燃氣輪機從啟動點火后至帶滿負荷過程中，通過燃料控制閥（GCV-1/2/3）的切換實現擴散燃燒與預混燃燒的轉換以及對燃空比的控制，最終實現低NOx排放。燃氣輪機在360 r/min時點火，僅通過開啟第一路燃料閥（GCV-1）控制燃料量以實現燃氣輪機暖機、升速、并網以及低負荷運行，此階段為初級模式（Primary Mode），燃燒方式為擴散燃燒，火焰筒中僅在燃燒一區有火焰，二區無火焰。在燃燒溫度基準（TTRF1）升至898℃，負荷約為45%額定負荷時，開啟第二路燃料控制閥，此時燃燒模式為貧貧模式（Lean-Lean Mode），仍為擴散燃燒，火焰筒中燃燒一區和二區均有火焰；當燃燒溫度基準升至1077℃（負荷為75%額定負荷），即進行預混模式切換，穩定后僅在燃燒二區有火焰，一區只均勻滲混燃料與空氣[3]。

3 負荷波動現象和原因分析

在該電廠進行調試過程中，燃氣輪機在切換至預混模式后，燃氣輪機負荷瞬間大幅波動，在2 s內負荷從86 MW 升至94 MW，再突降至59 MW，再突升至97 MW，同時燃氣輪機排煙溫度分散度由原來的35℃突升至180℃以上，表明14個燃燒室中有部分燃燒室熄火。負荷在0.5 s內最大突升38 MW，表明熄火后燃燒室中積聚的天然氣，被瞬間點燃（爆燃），嚴重威脅機組安全運行。

經對工況參數分析，發現在負荷大幅波動前，負荷先從86 MW升至94 MW，而當時的燃料控制閥并沒有突然開大現象，此時排煙溫度分散度等參數均正常，不存在燃燒不完全問題，表明這部分的燃料不是從控制閥后正常供給的；進一步分析，該部分燃料實為第三路燃料閥關閉后的管內存氣，而該部分氣會在燃料清吹閥開啟時進入到燃燒室進行燃燒。而且該負荷開始上升時間為第一級燃料噴嘴關閉時整30 s，檢查控制邏輯（K3FGTOX為30 s），確認負荷上升與清吹閥開啟時間一致。燃料清吹閥開啟時間應為35 s，緩慢開啟，不應使負荷突然上升。只有該閥瞬間打開才會造成負荷明顯上升，并吹熄部分燃燒室火焰，在燃料積聚后由燃燒室高溫再次引燃，引起爆燃和負荷急劇上升。

4 處理措施

根據上述分析，立即決定在問題處理前機組不得再進行切換。并在次日機組停機后對2個清吹閥現場進行啟閉試驗，發現清吹閥開啟時間僅為（1～2）s，也就證明了分析故障原因是準確的。對2個清吹閥均重新整定開啟時間為35 s。機組在后續再次啟動及燃燒模式切換過程，負荷變化平穩，保障了燃氣輪機的安全運行。

5 結語

DLN1.0燃燒系統設計的初衷是保證在燃燒穩定的前提下降低NOx的排放，而模式切換是預混穩定燃燒的必須過程，其切換過程有可能因為安裝、設計的缺陷出現熄火、爆燃、振動異常、負荷波動等不正常現象，增加了機組運行的風險。該電廠機組現場調試期間，燃燒模式切換過程中出現的負荷波動及爆燃現象通過調整清吹閥的開啟時間后恢復正常，保障了機組的安全運行。

［1］楊順虎.燃氣-蒸汽聯合循環發電設備及運行［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］GE MKVIe Control Settings Specification［Z］.

［3］焦樹建.燃氣-蒸汽聯合循環［M］.北京：機械工業出版社，2006.