發電領域燃氣輪機燃燒調整方法研究

曹煉博，劉志坦，王 凱，李玉剛

(國電環境保護研究院有限公司，南京 210023)

中國電力結構由“煤電”向“氣電”轉變是大勢所趨。截至2018年底，中國的原煤探明儲量為138 819百萬噸，為美國的55.5%，俄羅斯的86.6%，而同期中國燃煤發電占國內發電比例卻高達66.5%，遠高于歐美等國家平均水平[1]。綜合而言，我國雖然燃煤發電量全球領先，但原煤資源儲量相對而言并不豐富，“中國是煤炭產銷大國”的這一傳統論斷也并不確切，中國電力結構目前也正處于一種過度依賴煤電的不平衡狀態。為加快能源結構轉型升級，中國采取了多項舉措大力發展天然氣等清潔能源。在天然氣產儲方面，中國已探明有大量的頁巖氣和可燃冰儲量，但受限于開采能力和開采成本，中國天然氣供需缺口明顯，天然氣對外依存度偏高，天然氣價格也常年處于較高水平，中國燃氣發電占比僅為國內發電總量的3.2%，遠低于23.2%的世界平均水平[1]。

近年，在全球建設綠色低碳能源工程的倡議下，中國加快了能源結構調整步伐，頁巖氣和可燃冰采儲關鍵技術攻關、“煤改氣”和“生物氣”等大量氣化改造項目的建成，將全面推動國內天然氣產業進步，促進燃氣發電領域蓬勃向好發展。

1 燃氣輪機燃燒調整的重要性

燃氣輪機作為現代熱動力裝置中最先進的設備之一，被喻為機械工業皇冠上的明珠。1939年瑞士研制出第一臺發電式燃氣輪機至今，燃氣輪機在發電、航空、航海等領域得到了廣泛應用，伴隨著燃氣輪機技術和工業水平的不斷進步，燃氣輪機在材料、工藝、冷卻等方面的不斷突破，燃氣輪機的整體性能和可靠性得到了顯著提升。

在經濟全球化的形勢下，各大燃氣輪機制造廠家之間的競爭十分激烈。當前，一臺具有較大市場競爭力的發電型燃氣輪機需要同時滿足輸出功率大、效率高、污染低、尺寸小、壽命久、集成化程度高、成套性能好、制造成本低、易拆卸、易維修、燃料適應性強等諸多要求，這些苛刻的要求，也同時推動著發電領域燃氣輪機向著極限和極致的方向發展。

燃氣輪機燃燒室的原理和結構十分復雜，涉及氣體動力學、燃燒學、化學動力學、熱力學、傳熱學、排放污染控制、聲學等多個學科和領域的知識。包括燃燒調整在內的關于燃燒室的研究是重點和難點問題，為建立合適的燃燒模型，必須將理論知識與大量實踐經驗和數據結合。同時，燃氣輪機燃燒過程對于環境條件、燃料熱值、華白指數、負荷工況變化等十分敏感，由于外部環境和機械損耗等原因引起的細微變化會產生燃燒振蕩、回火、熄火等現象。因此，燃氣輪機實際運行過程中的限制因素眾多且限制區間狹窄，要求進行細致而精確的控制。燃燒過程對氮氧化物(NOx)排放區間、一氧化碳(CO)排放區間、溫度控制區間、貧燃和熄火極限區間、冷/熱振蕩峰值、各負荷不同溫度基準模式切換節點等都有嚴格而精確的要求，綜合考慮各因素的平衡問題也是燃燒調整的核心問題。例如，降低NOx將降低火焰穩定度并增加CO和燃燒動力性，而降低燃燒動力性將增加NOx和火焰的穩定度。如圖1所示，為使燃氣機組在運行中同時滿足各項要求，實際燃料當量比可調范圍被限制在十分狹小的區間內[2]。

圖1 燃燒室狹窄的燃料當量比區間

2 燃燒調整技術路線

2.1 燃燒調整控制目標層次分解

燃燒調整實際是涉及多因素多水平的平衡(最優化)問題，理論上在燃氣機組投產運營后，通過對臺架試驗和運行數據進行收集后采用回歸分析等方法進行多目標優化，可以實現各項參數指標的精準控制。但是，事實上由于各因素間關系復雜，部分因素敏感程度高，且許多關系尚未厘清，因此目前尚不能建立一套十分完備的數學模型量化所有因素的相對關系。也正因受限于此，雖然目前諸多燃氣輪機廠家均設計了自動燃燒調整系統(如GE公司Oplex Autotune系統，三菱公司A-CPFM系統，西門子公司A-SMC穩定裕度控制器)，但在燃氣機組實際運行過程中，尤其在環境溫濕度、天然氣組分等外部因素有較大變化的情況下，還需要工程師人為介入，對燃燒穩定裕度進行更為精細的變更，方能滿足燃氣輪機運行要求。

按照燃燒調整參數的目標層次性可以對燃燒調整過程進行層級劃分。如圖2所示，在燃燒調整過程中，第一級關系需要確定邊界參數對穩定裕度的影響，第二級關系需要確定燃燒調整可控參數對邊界參數的影響。

圖2 燃燒調整控制目標層次

2.2 各層級關鍵因素分析

目前，確認第一級關系，主要依據燃燒調整工程師的現場經驗，通過測試導致機組排放超標、溫度超限、燃燒振蕩或其他觸發燃氣輪機自動減負荷條件，確定燃氣輪機穩定燃燒的裕度；確認第二級關系，除基于理論和試驗數據對相關參數敏感度進行分析，確定相應調節參數的優先級外，也需要結合燃燒調整現場具體情況進行個性化分析。

在第一級層次中，根據不同機型特點并結合當地氣象環境條件、政策法規等，對不同燃氣電廠的燃氣輪機設定不同的參數邊界。如葉片溫度、燃燒振蕩等參數指標的合理區間因燃氣輪機等級、燃燒室形式不同而出現差異。以NOx排放為例，現國家標準規定的NOx排放限值為50 mg/m3，而北京地方法規為30 mg/m3，因此燃燒調整工程師在實際操作中必須考慮邊界條件的差異，設置不同的NOx裕度以滿足不同地域不同環境條件下燃氣輪機的個性化需求。在具體燃燒調整過程中，燃燒調整工程師通過試探不同燃燒模式下的穩定裕度邊界和限制條件，對燃燒控制參數進行優化。在第一層級中，由于燃燒調整對環境溫濕度、燃料成分、燃氣輪機老化程度等外界因素不可控或控制能力有限(僅可采用IGV控制優化、天然氣加熱等方法)，因此對此類參數需要加強參數的狀態監控，預估季節和環境變化，確定合理裕度范圍[3-5]。

第二層級關系實際是研究可操作參數對邊界參數的關系，通過對不同可操作參數的敏度分析，可劃分出優先級，并進行控制路線最優化選擇。由于在燃氣輪機設計制造安裝完成后，設計中設定的許多參數已無法變更，且燃燒調整的基本原理就是調整燃氣輪機各負荷階段燃燒室不同空間區域的空燃比，因此實際燃燒調整操作中能夠控制的參數比較有限?？傮w而言，第二層級的研究其實更偏向理論，燃燒室流量等的研究應該在設計研究和臺架試驗階段即建立了比較完整的模型?；诶碚撗芯?、經驗公式、仿真分析、臺架試驗等建立各參數的預估模型后，再根據大量實際運行燃氣輪機的燃燒調整和優化結論，可以進一步校準和完善參數控制模型[6-7]。例如，韓國電力研究所通過對某5.25 MW工業燃氣輪機燃燒室進行臺架試驗確認NOx、CO、噴嘴溫度(Tn)、燃燒室斜面溫度(Td)、燃燒室尾部氣體平均溫度(Te)與值班燃料比例、燃燒室內空氣溫度、空氣流動率、值班燃料流動率、主燃料流動率的敏度關系，即第二層級關系。該試驗的試驗示意圖如圖3所示，主要控制參數的敏度分析結果如表1所示。

圖3 某5.25 MW工業燃氣輪機燃燒室試驗示意圖

表1 某5.25 MW工業燃氣輪機燃燒室主要控制參數敏度分析結果

3 燃燒調整方法概述

在燃氣輪機發電領域，因廠家設計理念、不同機型的燃燒器結構形式、邏輯控制方法等差異，各主機廠家針對特定機型制定了專用的燃燒調整規范。在此，以GE公司9E燃氣輪機DLN1.0燃燒器和三菱M701F燃氣輪機燃燒室為例對燃燒調整方法進行概述。

3.1 GE公司DLN1.0燃燒器燃燒調整方法

DLN1.0 燃燒器結構簡圖如圖4所示。燃燒室有兩區：一級區是燃料與空氣的預先混合區(非燃燒區)；二級區是燃燒區。燃燒室的燃燒反應主要在二級區進行，而二級區獲得高效且穩定的燃燒狀態需要滿足以下三個要素：1)形成引火炬(主要由二級噴嘴實現)；2)在引火炬和主級氣流內表面之間形成強制擾動(主要由旋流器實現)；3)在一級區出口的主級氣流外表面上形成穩定火焰區(主要由文丘里組合件等實現)。一般而言，這三方面因素在燃燒器設計階段已融合整機設計理念，因此非同型號零部件的替換常常會導致燃氣輪機整體性能的巨大差異，在燃燒調整過程中燃燒調整工程師的主要工作也是對不同燃燒模式下的相關控制參數進行微調[8-10]。

圖4 DLN1.0燃燒器結構簡圖

為了實現燃氣輪機在不同工況下實現性能的優化，DLN1.0 燃燒有8 種燃燒模式，見表 2，8 種燃燒模式之間的切換嚴格遵循邏輯上的因果關系。GE公司在燃燒調整準則中，對每一種燃燒模式下主要參數(燃燒壓力脈動、排氣分散度、污染物排放濃度等)進行了預測，并就控制參數調節范圍、各噴嘴流量優化方案和調整步驟等進行了規定。

表2 DLN1.0燃燒模式列表

DLN1.0燃燒器燃空比控制模塊邏輯圖如圖5所示，該 PM-SS-SPL-RF功能模塊實際上是一個分段選擇函數。其中：TTRF1為燃燒器溫度基準；FXSP為一級區燃料百分比；FXSP2=FSRP/(FSRP+FSRS)，FXSP2被賦值后送往下一步的功能模塊；FXKSPMMX為FXSP 的最大值；FXKSPMMN為FXSP 的最小值。

圖5 一級和二級燃空比控制邏輯

分配到每個燃燒器燃料噴嘴的燃料流量與燃燒溫度基準(TTRF1)等參數滿足以下函數關系：

(1)

式中：FXSP為一級區燃料量百分比；FXKTPM為參考溫度陣列常數；FXKSPM為分配陣列常數。

如表3所示，某電廠燃燒調整過程中考察了燃氣輪機基本負荷工況下一級燃料比例對NOx的影響，在TTRF1保持穩定的情況下(即燃氣輪機溫控狀態下)，通過測試不同FXKSPM[3]比例與NOx關系，根據比例合理調節燃燒器的燃燒空燃比，可以將NOx排放濃度穩定地控制在限值范圍以內[11]。

3.2 三菱M701F燃氣輪機燃燒調整方法

三菱M701F燃氣輪機的燃燒系統有其獨到的技術和優點。其中，燃燒室旁路閥是三菱燃氣輪機的一個最主要的創新點。通過利用值班燃燒噴嘴和旁路閥，能對燃氣輪機旁路空氣量和燃燒室內的空燃比進行單獨調節，更有利于在各工況條件下形成穩定的火焰，保障燃燒室內的燃燒情況更加穩定和高效[12]。M701F燃氣輪機燃料分配控制邏輯如圖6所示。

如圖7所示，燃燒調整工程師根據燃燒器各自的燃燒穩定領域以及燃燒振動水平確定燃氣輪機不同裕度下的穩定燃燒區域。如圖8所示，某M701F燃氣輪機在負荷146.8 MW工況下，通過對旁路閥控制信號(BYCSO)和值班燃料閥控制信號(PLCSO)進行波動性試探，確認燃燒穩定裕度和邊界的最終結果，各坐標軸上黑點位置的數值即為燃燒調整摸索確認的PLCSO、BYCSO邊界。其中，圖中值班燃料上邊界表示：當PLCSO增加+1.2偏置后，振動頻段HH2、燃燒器編號#7、振動值由0.6 kPa升至0.9 kPa。以同樣方法摸索燃氣輪機加減負荷后各階段的裕度極限，可建立圖9所示的燃氣輪機負荷與值班燃料控制信號反饋值關系曲線和圖10所示的燃氣輪機負荷與旁路閥開度反饋值關系曲線。

(a)根據各燃燒器穩定燃燒領域確定的最穩定領域

圖8 M701F燃氣輪機在負荷146.8 MW工況下燃燒穩定邊界的確認

圖9 燃氣輪機負荷與值班燃料控制信號反饋值的關系

圖10 燃氣輪機負荷與旁路閥開度反饋值關系

在燃燒調整過程中，很容易發生燃燒振動現象，目前，針對M701F燃氣輪機閥門的調整順序主要還是依據燃燒調整工程師的現場經驗。如發生低頻振動，應優先考慮增加值班燃料比例；除HH4以外的高高頻振動，關小旁路閥比減少值班燃料比例對燃燒穩定的效果會更加明顯。同時，燃燒壓力波動還受到燃料成分、壓氣機進氣溫度等外部條件的影響。例如，當天然氣中甲烷成分降低時，燃料熱值將增加，燃燒溫度升高，火焰上移，根據甲烷成分對燃燒振動的影響，4 400 Hz和低頻的振動將降低，對應邊界擴大，270 Hz的振動增加，對應的燃燒穩定邊界縮??；如果壓氣機進氣溫度增加，則低頻振動降低，對應邊界擴大。

M701F燃氣輪機燃燒調整按如圖11所示步驟進行[13]。一般地，在燃氣輪機50%負荷以下燃燒調整工程師只需檢查壓力波動和BPT偏差情況，而50%以上負荷需要確認典型負荷到滿負荷工況下的燃燒溫度裕度。整個裕度確認完成后，最后需要進行負荷擺動試驗，以便對各負荷階段的參數設置情況及反應靈敏性進行檢驗。

圖11 M701F燃氣輪機燃燒調整過程示意圖

總體而言，GE公司和三菱公司燃氣輪機的燃燒調整方法在本質上沒有區別，均是通過摸索不同負荷階段受相關因素影響的邊界區域和分級分區燃料配比關系來確定裕度空間。而在燃燒調整的實際執行過程中，燃燒調整的步進和偏置量選取與燃燒室結構形式、控制邏輯相關，由于三菱燃氣輪機設計了旁路閥，通過控制PLCSO和BYCSO兩種方式進行燃燒調整，其可調范圍和控制能力更強。

4 總結與展望

(1)在全球環境保護和綠色可持續發展的形勢下，中國電力結構由“煤電”向“氣電”進行能源結構轉型是大勢所趨，天然氣發電領域將獲得更多關注。燃氣輪機燃燒調整等技術攻關屬于我國“兩機重大專項”科研任務的一部分，將為我國突破外企技術壁壘，推動燃氣輪機國產化進程做出巨大貢獻。

(2)燃氣輪機燃燒調整可以看作多目標優化過程，同時可以分解為可控參數與邊界參數、邊界參數與總體穩定裕度的二級平衡關系的確認問題。我國由于缺乏燃氣輪機設計經驗，在第二層級(可控參數與邊界參數關系確認)方面較為薄弱，國內燃氣輪機技術人員雖然初步掌握了燃燒調整的方法，但是在燃燒機理、數值量化控制、試驗數據總結提煉、燃燒調整經驗積累等方面仍不夠深入。因此，為全面提升國內燃燒調整技術儲備，還應加強燃氣輪機臺架試驗、仿真計算以及各類燃氣輪機運行和控制數據的研究。

(3)發電領域燃氣輪機燃燒調整在商務領域還有許多關系需要厘清。由于目前燃氣輪機的設計制造仍由外商壟斷，因此在國內企業涉入燃燒調整后，應充分考慮燃氣機組運維過程中的責任分擔問題。此外，也需要政府出臺相關政策對國內企業進行扶持，充分協調各方利益關系。