PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)燃料分配算法解析

陳子靜 王勇 王兆舜 曹偉平 熊超

摘要：以某廠PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象，介紹了DLN1.0燃燒室結(jié)構(gòu)特點、燃燒模式及燃料控制策略，結(jié)合實際案例，對燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒模式切換過程中的燃料分配算法進(jìn)行了深入的研究分析。DLN1.0燃燒技術(shù)的解析對于燃燒調(diào)整以及燃機(jī)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化具有一定的實際參考價值及指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：PG9171E;燃?xì)廨啓C(jī);DLN1.0燃燒室;燃燒模式;燃料控制策略

中圖分類號：TK472? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.001

0? ? 引言

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)中氣體燃料燃燒為擴(kuò)散燃燒時，由于燃燒溫度高，在燃燒過程中極易產(chǎn)生數(shù)量較多的熱NOx污染物，因此，為實現(xiàn)低NOx燃燒，DLN1.0燃燒技術(shù)采用均相貧預(yù)混的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵椒╗1]，通過將燃燒器改為兩級串聯(lián)式，從而將燃料燃燒由最初的擴(kuò)散燃燒通過模式切換和改變?nèi)剂戏峙涞姆绞街鸩竭^渡至預(yù)混燃燒，通過調(diào)節(jié)空燃比，可以保證燃燒溫度始終低于1 650 ℃，故能有效抑制熱NOx的生成。

而如何確保在模式切換過程中燃料分配變化不對燃?xì)廨啓C(jī)正常安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致回火、脫火、振蕩燃燒、負(fù)荷波動或是CO排量高等問題，則尤為重要。本文以某廠PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象，深入研究了DLN1.0燃燒技術(shù)。

1? ? DLN1.0燃燒室

由圖1可知，干式低NOx（DLN1.0）是一種兩級串聯(lián)式的預(yù)混稀釋態(tài)的DLN1.0燃燒室。一區(qū)由6個彼此隔開的燃燒空間組成，每個燃燒空間都裝設(shè)各自的旋流器和燃料噴嘴，通過中心體組合件，裝設(shè)一個二區(qū)燃料噴嘴和旋流器，在文丘里組合件后便是二區(qū)。

由壓氣機(jī)來的高壓空氣被分流為3個部分，即一次空氣、冷卻空氣和二次空氣。一次空氣流經(jīng)旋流器、端部配氣蓋板、過渡錐頂上的魚鱗孔以及開在火焰筒前段的三排一次射流孔，進(jìn)入燃燒區(qū)，直接與燃料進(jìn)行混合與燃燒;冷卻空氣穿過在火焰筒壁上的多排冷卻空氣射流孔分散進(jìn)入火焰筒中，在火焰筒壁面附近形成一個溫度較低的空氣冷卻膜，保護(hù)管壁避免高溫灼燒;二次空氣由開在火焰筒后段的混合射流孔射入由燃燒區(qū)來的高溫?zé)煔庵校瑢Ω邷責(zé)煔膺M(jìn)行摻冷，從而降低進(jìn)入透平入口的溫度[2-3]。

2? ? 燃料控制算法

為了將燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒方式由擴(kuò)散燃燒過渡至預(yù)混燃燒，PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)燃料控制算法將實時燃燒基準(zhǔn)溫度與預(yù)選設(shè)定的燃燒溫度基準(zhǔn)陣列參數(shù)進(jìn)行比較，并根據(jù)其他輔助邏輯條件，判斷燃?xì)廨啓C(jī)所處燃燒模式，然后根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)實時運行狀態(tài)計算出當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)所需燃料量，以實現(xiàn)燃燒模式的順利切換并調(diào)節(jié)一區(qū)、二區(qū)各燃料閥的燃料量。

由圖2可知，燃料控制算法主要由燃料行程基準(zhǔn)、燃料分配基準(zhǔn)及燃料流量基準(zhǔn)組成。燃料行程基準(zhǔn)計算控制可分為8種類型：啟動升速控制、加速控制、轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制、負(fù)荷限制控制、溫度控制、停機(jī)控制、壓氣機(jī)壓比控制和手動控制，這8個控制模塊的控制輸出，通過最小值選擇作為當(dāng)前燃料行程基準(zhǔn);燃料分配基準(zhǔn)則根據(jù)燃燒基準(zhǔn)溫度輔以其他邏輯條件判斷燃?xì)廨啓C(jī)所處燃燒模式，并根據(jù)不同的燃燒模式得出一級燃料閥在燃料行程基準(zhǔn)中所占的比例值，剩余的燃料行程基準(zhǔn)值由二級燃料閥與切換燃料閥根據(jù)需要再次分配，從而獲得各燃料閥的分配比例;燃料流量基準(zhǔn)是由燃料行程基準(zhǔn)及燃料分配比例計算得到的分配流量以及由壓氣機(jī)排氣壓力和燃料溫度計算得到的預(yù)充流量相加得到。

另外，由于二級燃料閥及切換燃料閥后環(huán)管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)管體積大，管路行程長，為了快速排出二級燃料閥及切換燃料閥管路中的空氣，對于二級燃料閥和切換燃料閥在其首次開啟之時需要預(yù)充流量對管路進(jìn)行預(yù)充，而預(yù)充流量是壓氣機(jī)排氣壓力和燃料閥前溫度的函數(shù)，并隨著壓氣機(jī)排氣壓力的增大而增大，燃料閥前溫度的增大而減小。雖然壓氣機(jī)出口至燃燒室有一定的壓損，但仍可近似認(rèn)為燃燒室壓力等于壓氣機(jī)排氣壓力，因而為了保證燃料管路與燃燒室之間的壓差，當(dāng)壓氣機(jī)排氣壓力增大時需要增大預(yù)充流量，以增大燃料閥開度來提高燃料閥后壓力。

3? ? 燃燒模式

DLN1.0燃燒技術(shù)共有8種燃燒模式，即初級燃燒模式、貧貧增燃燒模式、貧貧減燃燒模式、擴(kuò)展貧貧模式、二次切換模式、預(yù)混切換模式、預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式以及負(fù)荷恢復(fù)模式。在機(jī)組正常啟動運行期間，按時間順序共經(jīng)歷5種燃燒模式，即初級燃燒模式、貧貧增燃燒模式、二次切換模式、預(yù)混切換模式、預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式。在機(jī)組正常停機(jī)期間，按時間順序共經(jīng)歷4種燃燒模式，即預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式、貧貧減燃燒模式、貧貧增燃燒模式、初級燃燒模式。在燃燒異常工況下，則會觸發(fā)擴(kuò)展貧貧模式或負(fù)荷恢復(fù)模式[4]。本文以某燃?xì)怆姀SPG9171E燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象，對其模式切換過程中的燃料控制算法進(jìn)行了研究分析。

3.1? ? 初級燃燒模式

燃機(jī)從點火開始，經(jīng)過暖機(jī)、加速、全速空載到低負(fù)荷運行（燃燒基準(zhǔn)溫度低于1 650 °F），都工作在初級燃燒模式（圖3）下。在該燃燒模式下，只有一級燃料閥開啟，所有燃料進(jìn)入一區(qū)，進(jìn)行擴(kuò)散燃燒。

3.2? ? 貧貧增燃燒模式

隨著負(fù)荷的不斷升高，當(dāng)燃燒基準(zhǔn)溫度高于1 650 °F時，二級燃料閥開啟，此時進(jìn)入貧貧增燃燒模式（圖4），二級燃料管路開始預(yù)充，一區(qū)的燃料分配比例由100%按4.5%/s的速率降至95%，二區(qū)的燃料分配比例由0%按4.5%/s的速率增至5%，此外二區(qū)預(yù)充流量按0.05%/s的速率增加至目標(biāo)值;當(dāng)二級燃料管路預(yù)充完成后（二級燃料管路預(yù)充時間由預(yù)充流量計算得到），一區(qū)的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%，二區(qū)的燃料分配比例則由5%按4.5%/s的速率增至30%，由于二區(qū)燃料量的增大，在預(yù)充完成大約6 s后，二區(qū)著火，最終一區(qū)、二區(qū)燃料分配比例為7：3。另外，預(yù)充完成后延時3 s，預(yù)充流量按0.02%/s的速率減小至0。

3.3? ? 二次切換模式

當(dāng)燃燒基準(zhǔn)溫度高于1 970 oF時，燃料吹掃閥組關(guān)閉，切換燃料閥開始預(yù)充，預(yù)充流量按0.05%/s的速率增加至目標(biāo)值，當(dāng)切換燃料閥預(yù)充完成后，進(jìn)入二次切換模式（圖5），一區(qū)燃料分配比例由70%按4.5%/s的速率減小至0%，一區(qū)熄火，所有燃料通過二級燃料閥和切換燃料閥進(jìn)入二區(qū)進(jìn)行燃燒，其中切換燃料閥的燃料分配比例由0%按5.2%/s的速率增加至65%，剩下的燃料分配給二級燃料閥。

3.4? ? 預(yù)混切換模式

一區(qū)熄火、二區(qū)有火后延時5 s，進(jìn)入預(yù)混切換模式（圖6）。預(yù)混切換模式可以分為兩段，分界點為二級燃料閥處于關(guān)閉位置。第一段，進(jìn)入預(yù)混切換模式后，一級燃料閥開啟，一區(qū)燃料分配比例為81%，并按6.4%/s的速率逐步增加，切換燃料閥的燃料分配比例由二區(qū)燃料量的65%按5.2%/s的速率增加，二區(qū)二級燃料閥的燃料分配比例由二區(qū)燃料量的35%逐漸減小至0%，即將二區(qū)燃料量全部送入切換燃料閥直至二級燃料閥全關(guān);第二段，在二級燃料閥全關(guān)的同時，切換燃料閥的預(yù)充流量也減至0，此時一區(qū)燃料量增加至總?cè)剂狭康?0%，切換燃料閥燃料量分配比例按5.2%/s的速率減小，二級燃料閥開度逐漸增大。二級燃料閥在預(yù)混切換模式下經(jīng)歷開大、關(guān)閉、開大的動作，保證在一級燃料閥開啟過程中二區(qū)火焰強度降低，以控制燃燒溫度，防止一區(qū)重點火。

3.5? ? 預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式

當(dāng)一區(qū)分配燃料量增加至與預(yù)混穩(wěn)定分配流量基準(zhǔn)值偏差在5%以內(nèi)時，延時0.5 s，進(jìn)入預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式（圖7），由于此時一區(qū)和二區(qū)的分配燃料基準(zhǔn)變化較小，切換燃料閥的分配流量仍按5.2%/s的速率減小，二級燃料閥的分配流量則按同等的速率增加，直至切換燃料閥全關(guān)，至此一區(qū)只進(jìn)行燃料與空氣的混合，二區(qū)進(jìn)行燃料的燃燒反應(yīng)。

4? ? 模式切換過程案例分析

4.1? ? 初級模式切換至貧貧增模式

由圖8可知，在從初級模式切換至貧貧增模式的起始階段，負(fù)荷會出現(xiàn)小幅度下跌，下降幅度大致為2 MW，這是因為一區(qū)燃料分配比例從100%降至95%的過程中，雖然二級燃料閥開啟，但二區(qū)還未著火，從而導(dǎo)致負(fù)荷出現(xiàn)小幅下跌，但負(fù)荷降低后轉(zhuǎn)速偏差增大，燃料行程基準(zhǔn)會迅速增大以增加燃料量。當(dāng)二級燃料管路預(yù)充完成后，一區(qū)的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%，二區(qū)的燃料分配比例則由5%按4.5%/s的速率增至30%，由于二區(qū)燃料量的增大，在預(yù)充完成大約6 s后，二區(qū)著火。

另外，由于預(yù)充完成后延時3 s，預(yù)充流量按0.02%/s的速率減小至0，因而二級燃料閥開度逐漸減小并穩(wěn)定在一個由燃料行程基準(zhǔn)和燃料分配比例計算得到的閥位。由此可以看出，為了燃燒模式的平穩(wěn)過渡，防止負(fù)荷、透平初溫等出現(xiàn)較大波動，燃料量的調(diào)節(jié)分為兩段進(jìn)行：第一段，對二級燃料管路進(jìn)行小流量預(yù)充以排出管路內(nèi)的空氣;第二段，快速增加二級燃料閥流量，使二區(qū)盡快穩(wěn)定著火。

4.2? ? 貧貧增模式過渡至預(yù)混穩(wěn)定模式

從貧貧增模式過渡至預(yù)混穩(wěn)定模式過程尤為重要，一方面應(yīng)盡可能保證燃燒火焰的穩(wěn)定性，避免由于燃燒不穩(wěn)定或燃燒振蕩造成燃燒器及熱通道部件損壞，另一方面應(yīng)保證燃燒基準(zhǔn)溫度能達(dá)到切換至預(yù)混穩(wěn)定模式所要求的閾值，且波動幅度應(yīng)控制在預(yù)設(shè)死區(qū)以內(nèi)。同時，從貧貧增模式過渡至預(yù)混穩(wěn)定模式的時間應(yīng)盡可能短，當(dāng)燃燒完全發(fā)生在二區(qū)時，火焰溫度極高，火焰輻射強，對燃燒室壽命有較大影響[5]。此外，由于燃燒方式的改變，燃燒室內(nèi)的溫度場分布有較大變化，應(yīng)保證排煙分散度在允許范圍以內(nèi)。

由圖9可以看出，由于切換燃料閥預(yù)充流量的作用，在進(jìn)入二次切換模式前，負(fù)荷已偏離原先增長速率而加速增大，透平初溫、排煙分散度有明顯增大，此時透平初溫所能達(dá)到的峰值為整個貧貧增至預(yù)混過程中的最高值，該峰值必須超過1 995 °F，才能滿足切換至預(yù)混模式的溫度基準(zhǔn);隨著燃料行程基準(zhǔn)減少，負(fù)荷逐漸降低，透平初溫也逐步下降，當(dāng)進(jìn)入預(yù)混切換模式后，一區(qū)燃料增大，一區(qū)只進(jìn)行燃料和空氣的混合，二區(qū)保持?jǐn)U散燃燒的燃料量減少，因而燃燒強度減弱，火焰溫度降低，此時透平初溫會出現(xiàn)一個低點，該低點溫度不能低于1 970 °F，否則會導(dǎo)致預(yù)混切換模式時間延長，甚至導(dǎo)致模式切換失敗。燃燒溫度基準(zhǔn)的第二個谷值出現(xiàn)在預(yù)混切換模式至預(yù)混穩(wěn)定模式的初期，該谷值同樣不能低于1 970 °F，若該谷值低于1 970 °F，且3 s內(nèi)燃燒溫度基準(zhǔn)沒有增加至1 995 °F，則會導(dǎo)致一區(qū)主動重點火，模式切換失敗。從貧貧增模式過渡至預(yù)混穩(wěn)定模式過程時間較短，大約26 s。

4.3? ? 模式切換異常案例分析

圖10為一模式切換異常典型案例，該次模式切換過程中第一個谷值為1 967.7 °F，從而導(dǎo)致在預(yù)混切換模式下燃燒度基準(zhǔn)必須再次高于1 995 °F才能進(jìn)入預(yù)混穩(wěn)定模式，其進(jìn)入預(yù)混穩(wěn)定模式的時間比正常情況遲了大約4 s，同時也有可能在燃燒溫度基準(zhǔn)增大的過程中導(dǎo)致排煙溫度分散度高，進(jìn)而誘發(fā)一區(qū)被動重點火。

圖11為一模式切換失敗典型案例，該次模切過程中第二個谷值為1 968.4 °F，因3 s內(nèi)燃燒溫度基準(zhǔn)未增加至1 995 °F，從而誘發(fā)一區(qū)主動重點火，進(jìn)入貧貧減負(fù)荷模式，當(dāng)燃燒基準(zhǔn)溫度大于2 005 °F，延時1 s，切換至擴(kuò)展貧貧模式，模式切換失敗。

5? ? 結(jié)語

本文以某廠PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象，介紹了DLN1.0燃燒室結(jié)構(gòu)特點、燃燒模式及燃料控制策略，并結(jié)合實際案例，對燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒模式切換過程中的燃料分配算法進(jìn)行了深入的研究分析，DLN1.0燃燒技術(shù)的解析對于燃燒調(diào)整以及燃機(jī)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化具有一定的實際參考價值及指導(dǎo)意義。

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收稿日期：2021-09-23

作者簡介：陳子靜（1988—），男，江蘇南京人，工程師，從事燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)研究工作。