西門子PCS燃燒器不同燃料下的燃燒保護差異

王勇哲

(青島華豐偉業電力科技工程有限公司， 山東青島 266100)

國產化雙燃料燃氣輪機的成功自主研制和工程化應用，打破了國外生產廠家對我國核心設備領域的長期技術壟斷。燃氣輪機大部分以天然氣和油為燃料；雙燃料燃氣輪機是指利用雙燃料燃燒技術，即同時使用液體/氣體燃料的燃氣輪機。在燃氣輪機中實施雙燃料燃燒技術可以提高燃氣輪機對燃料的適應性，拓寬燃氣輪機應用領域。筆者對西門子平臺燃燒系統(PCS)燃燒器在燃氣輪機不同燃料下燃燒保護差異進行分析與總結，以期對同類型機組提供參考。

1 西門子PCS燃燒器簡介

某項目采用西門子公司SGT6-5000F(5)型燃氣輪機，額定頻率為 60 Hz，額定輸出功率為 200 MW，配置了超低氮氧化物(NOx)燃燒器。西門子公司基于西屋W501F環管型燃燒器開發了PCS，相關技術已經用于SGT6-6000G和SGT5-8000H等相關燃氣輪機機型中。安裝在SGT6-5000F(5)型燃氣輪機上的PCS擁有16個可以使用天然氣和油的雙燃料燃燒器。燃燒器上各階段的燃料接口分配見圖1。

圖1 燃燒器上各階段的燃料接口分配

每個燃燒器的燃氣系統有A、B、C、D、P 5個階段燃料。正常運行時使用天然氣作為主燃料，油作為備用燃料。每個燃燒器的燃油系統有A、B、P 3個階段燃料。

燃燒器組成見圖2。

圖2 燃燒器的組成

燃燒器主要包括燃燒器外襯套、燃燒器和過渡段部件。燃燒器中心采用兩級值班火焰模式的噴嘴(簡稱值班噴嘴)，其噴出的火焰稱為值班火焰，包括擴散級P階段和先導預混級 D 階段，采用了旋流器燃料噴射技術。燃燒器外圍布置了8個預混主噴嘴，這8個預混主噴嘴被分成A 階段和B 階段2個燃料級，每個燃料級均有4個噴嘴。值班噴嘴采用強旋流的氣動設計，出口處形成穩定的回流區使火焰穩定，主噴嘴出口處不會形成回流區，C 階段是經燃料小環管套在燃燒室外襯套外部，壓氣機排氣逆流進入燃燒器前與C 階段的燃料進行充分的混合[1-2]。

2 不同模式下的啟動差異

SGT6-5000F(5)型燃氣輪機由靜止變頻轉換器(SFC)把發電機當作電動機拖動燃氣輪機，轉速升到清吹轉速(848 r/min)進行清吹，待清吹結束后SFC脫扣，在燃氣模式下從清吹轉速降速至495 r/min后，再由SFC拖動燃氣輪機至點火轉速(530 r/min)激活點火器，點火轉速根據燃氣輪機壓氣機排氣溫度得出。燃氣輪機分散控制系統(DCS)控制邏輯根據預先設定的點火流量打開P階段和A 階段燃料控制閥，燃氣輪機點火成功并升速到2 655 r/min后，燃料D階段燃料控制閥投入運行；在15%標準負荷(修正后燃氣輪機的最大負荷)以下A 階段、 P階段和D 階段燃料控制閥投入運行，保證燃氣輪機低負荷運行時的穩定性和控制低CO排放量。燃氣輪機負荷逐漸增大到15%標準負荷以后，B 階段燃料控制閥與C 階段燃料控制閥開始投入，并與A 階段燃料控制閥一起逐漸增加開度以增加燃料量，擴散燃燒P階段燃料控制閥開始逐漸減小開度以減少NOx排放量；燃氣輪機負荷超過80%標準負荷后，燃燒主要由A 階段和B 階段兩級主燃料閥供應，P階段和D階段僅僅在火焰中心提供值班火焰穩燃，并且流量被限制在最小范圍內。這樣既保證了穩定的火焰強度，又保證了最低的NOx排放量；當負荷出現波動或者燃燒出現脈動時，增加P階段燃料控制閥開度以保證整個燃氣輪機火焰燃燒穩定。燃氣模式下燃氣輪機啟動曲線見圖3。

圖3 燃氣輪機燃氣模式啟動曲線

燃油模式下轉速從清吹轉速降至690 r/min，再由SFC拖動燃氣輪機至點火轉速(750 r/min)，高壓燃油泵啟動，燃油P階段燃料控制閥打開至預設定位置、延時5 s，點火器通電45 s。最后通過葉片通道熱電偶溫升情況向DCS提供反饋信號，指示點火順序已完成。點火成功后，根據轉速減小回油閥(PDPCV)開度，以增加高壓燃油泵出口壓力。轉速在1 650 r/min時實現初始加速，同時打開燃油A 階段燃料控制閥及1組控制燃油供應和排放的多功能閥，由燃油P階段和燃油A階段將燃氣輪機升至并網轉速(3 600 r/min)，燃氣輪機并網后由負荷控制器接管控制，在約10%標準負荷時，燃油B 階段投入。燃油模式下燃氣輪機啟動曲線見圖4。

圖4 燃氣輪機燃油模式啟動曲線

3 燃燒保護差異

SGT6-5000F(5)型燃氣輪機燃燒保護主要分為5個部分，具體為：回火預回火熱電偶保護、動態壓力監視保護、過燃料保護、葉片溫度保護、排氣溫度保護。關于回火預回火熱電偶保護、動態壓力監視保護的邏輯內判斷條件，燃氣模式與燃油模式相同，因此不進行詳細描述。

3.1 過燃料保護

燃氣輪機過燃料保護只在轉速低于1 200 r/min并且測點無輸出質量報警的前提下動作。

燃氣模式時，各階段過燃料測量值都由5個差壓變送器測量得出。5個階段的燃氣環管通過取樣管分別接入差壓變送器的正端，差壓變送器負端都為壓氣機排氣壓力。當點火槍通電5 s后，任意階段燃氣環管壓力減去壓氣機排氣壓力超過了設定值，燃氣輪機燃氣過燃料保護動作。燃氣模式下的過燃料保護動作設定值見表1。

表1 燃氣模式下的過燃料保護動作設定值

燃油模式時，各階段過燃料測量值通過流量分配器轉速探頭的頻率換算得出。燃油泵啟動，燃油母管排污閥關閉，進入燃氣輪機點火階段；點火槍通電15 s后，任意階段過燃料測量值達到或者超過設定值，燃氣輪機燃油過燃料保護動作。燃油模式下的過燃料保護動作設定值見表2。

表2 燃油模式下的過燃料保護動作設定值

從表1和表2可以看出：燃氣模式下，需要考慮空氣和天然氣燃燒的比例問題，燃氣環管壓力和壓氣機排氣壓力之間需要有差值以防止爆燃；而在燃油模式下，由于霧化顆粒度等因素的影響，導致過燃料保護邏輯和壓氣機排氣壓力沒有直接關系，但需要考慮燃油量的設定，防止燃油量過多引起超溫。

3.2 葉片溫度保護

燃氣輪機葉片溫度保護是啟動和正常運行的全過程保護，在正常運行過程中監視各燃燒室的燃燒狀態，在啟動中判斷點火成功并監視燃燒場溫度均勻性。SGT6-5000F(5)型燃氣輪機共安裝16支葉片通道熱電偶，每支熱電偶輸出2個溫度信號到DCS，位于燃氣輪機第4級動葉后，可以更快地響應溫度的變化。燃氣輪機葉片溫度保護主要分為4個部分：葉片通道溫度分散度保護、葉片通道最高溫度保護、葉片通道溫度設定值差異保護、葉片通道溫度變化率保護。

3.2.1 葉片通道溫度分散度保護

葉片通道溫度分散度由葉片通道平均溫度減去葉片通道最低溫度計算得出,葉片通道溫度分散度保護在轉速高于1 000 r/min時激活，燃油模式和燃氣模式下葉片通道溫度分散度保護設定值在轉速低于3 000 r/min時有所不同，具體表現為：

(1) 在啟動過程中，燃氣輪機轉速大于1 000 r/min且小于1 500 r/min時，燃氣模式下葉片通道溫度分散度達到98 K、燃油模式下葉片通道溫度分散度達到140 K會導致跳閘，并且在跳閘首出中顯示燃氣輪機在升速過程中葉片通道溫度分散度大。

(2) 在啟動過程中，燃氣輪機轉速大于1 500 r/min且小于3 000 r/min時，燃氣模式下葉片通道溫度分散度達到98 K會導致跳閘，燃油模式下葉片通道溫度分散度達到168 K會導致跳閘，在跳閘首出中顯示燃氣輪機在升速過程中葉片通道溫度分散度大。

(3) 在啟動過程中，燃氣輪機轉速大于3 000 r/min時，燃油模式和燃氣模式的葉片通道溫度分散度保護設定值一致。葉片通道溫度分散度達到61.6 K，延時2 s，觸發自動降負荷；葉片通道溫度分散度達到72.8 K，延時12 s，觸發甩負荷跳閘保護；葉片通道溫度分散度達到84 K，無延時，直接觸發甩負荷跳閘保護。

由于燃油模式控制的精確度比燃氣模式控制略差，因此燃油模式點火初期葉片通道溫度分散度保護設定值限制比燃氣模式點火初期葉片通道溫度分散度保護設定值高，并且霧化不佳的小顆粒液體燃料附著在葉片表面燃燒，導致局部過熱。長期使用燃油模式運行或多次燃油模式點火會明顯影響金屬部件壽命。

3.2.2 葉片通道最高溫度保護

燃氣輪機葉片通道最高溫度保護既用在燃氣輪機的啟動過程中，又用在燃氣輪機的正常運行中。保護主要分為單溫度保護和平均溫度保護，若滿足以下任意條件直接觸發燃氣輪機跳閘：

(1) 燃氣輪機單溫度高于704 ℃(燃油模式與燃氣模式一致)。

(2) 燃氣輪機葉片通道平均溫度保護設定值根據壓氣機排氣溫度得出，不同燃料下，燃氣輪機葉片通道平均溫度保護設定值不同，具體設定值見表3。

表3 燃氣輪機葉片通道平均溫度保護設定值

3.2.3 葉片通道溫度設定值差異保護

燃氣模式和燃油模式下的葉片通道溫度設定值差異保護設定一致：葉片通道溫度校準值與葉片通道溫度設定值差值，大于33.6 K時自動降負荷，大于44.8 K時觸發降負荷跳閘保護。

3.2.4 葉片通道溫度變化率保護

燃氣模式和燃油模式下的葉片溫度變化率保護一致，具體表現為：

(1) 10 s內葉片通道溫度最大值減去葉片通道平均值超過5.6 K，觸發自動降負荷。

(2) 燃氣輪機轉速大于3 000 r/min后，葉片通道溫度最大值與葉片通道溫度平均值的差值：大于56 K，觸發自動降負荷；大于61.6 K，延時2 s，斷開發電機出口斷路器開關；大于72.8 K，延時2 s跳閘。

3.3 排氣溫度保護

在燃氣輪機葉片通道熱電偶下游的排氣擴散段設計一組排氣熱電偶，16支雙輸出排氣熱電偶安裝在4根平均分布在排氣擴散段的保護套管中，排氣熱電偶分布見圖5，每支排氣熱電偶輸出1個溫度信號到DCS，具體保護如下：

圖5 排氣熱電偶分布

(1) 燃氣輪機排氣熱電偶故障超過3支，觸發自動降負荷(燃油模式和燃氣模式一致)。

(2)燃氣輪機采用燃油模式啟動，燃氣輪機轉速大于800 r/min且小于3 000 r/min時，若排氣溫度最大值減去葉片通道溫度平均值大于50 K，延時1 s，觸發排氣溫度跳閘保護。該保護主要為了避免油在排氣段二次燃燒導致4級葉片損壞，可以作為葉片通道熱電偶的后背和輔助保護，并且排氣溫度也能反映余熱鍋爐受熱面是否得到均勻加熱，如果出現偏差大需要自動降負荷以保護余熱鍋爐。

4 結語

通過以上研究可以看出西門子PCS燃燒器燃氣和燃油模式的明顯差異：

(1) 燃氣階段比燃油階段多2級，其中多出來的2個燃料階段全部是預混燃燒階段，在點火升速的初期，燃氣模式比燃油模式要控制得更加精準。燃油模式運行時為了減少污染物的排放，在高負荷情況下需要額外注入除鹽水降低熱力型NOx的生成量。因此，從環保和燃氣輪機穩定運行方面考慮，燃料油只作為燃氣輪機發電的備用燃料。

(2) 燃油模式運行時的燃燒溫度明顯高于燃氣模式，因此在溫度保護設定值上燃油模式比燃氣模式高；同時，由于燃氣輪機使用雙燃料燃燒器，可以確保電廠的供電穩定性，防止天然氣供應不足情況下的生產中斷。

下一步應不斷優化保護邏輯設定值，以同時保證燃氣輪機穩定運行和確保燃油模式下燃氣輪機金屬的最大壽命。