GE LM2500+DLE 燃機節(jié)能運行研究及管理

鄭志明（中油國際管道公司）

中油國際管道公司海外某天然氣項目運行壓氣站場13 座，其中6 座使用LM2500+DLE 燃機19臺、7 座使用西門子RB211-24G DLE 燃機23 臺。隨著天然氣輸氣量的提高，燃機天然氣消耗占比逐步升高。目前項目燃機自耗氣占比達到管線年度輸氣量的1.3%，自耗氣已成為管道運行的最大成本。近年來公司著力推行精細、集約化管理，持續(xù)推進降本增效[1-2]。項目團隊從實踐情況出發(fā)，對GE LM2500+DLE 燃機運行效率及能耗開展研究。經(jīng)過長期實踐發(fā)現(xiàn)能從2 個方面降低自耗氣：發(fā)現(xiàn)并確認LM2500+DLE 燃機的燃燒室在5 種運行模式重疊區(qū)域的節(jié)能現(xiàn)象及原理；通過對LM2500+DLE燃機燃燒室火焰溫度熱力學模型的研究，發(fā)現(xiàn)在燃氣輪機壓氣機防喘排氣閥（CDP 閥門）開度70%～20%范圍內(nèi)，通過人為降低燃燒室火焰溫度模型上限邊界溫度ΔT（降低的溫度ΔT以不引起燃燒室動態(tài)噪聲PX36 及NOX、CO 超標為參考）實現(xiàn)節(jié)能減排的現(xiàn)象及原理。

公司計劃分兩個階段對GE LM2500+DLE 燃機節(jié)能減排方法進行應用并推廣。第一階段預期目標是實現(xiàn)年節(jié)能361×104m3（標況，下同）天然氣，第二階段在熟練DLE 標定工程師的配合下預期目標是實現(xiàn)年額外節(jié)能126×104m3天然氣，最終有望實現(xiàn)項目年節(jié)能487×104m3天然氣目標。按照每立方米天然氣燃燒產(chǎn)生1 924.68 g CO2計算，每年可望達成減排9 373 t CO2的目標，按照2021 年最低碳匯價格40 歐元/t 計算，年預計節(jié)省/獲得出售碳匯約37.5 萬歐元權(quán)益。

1 火焰燃燒機理和NOx 排放

1.1 實現(xiàn)低NOx 排放的途徑

燃燒溫度對熱力型NOx 的生成起到?jīng)Q定性作用，隨著溫度的升高熱力型NOx 的生成速度呈指數(shù)規(guī)律迅速增長。GE LM2500+DLE 采用預混合稀薄燃燒降低燃燒火焰溫度來控制NOx，預混合燃燒是將燃料氣和空氣先進行混合然后一起導入燃燒室內(nèi)進行燃燒。空燃比與NOx 排放關(guān)系見圖1。排放物與空燃比顯示預混合燃燒工況范圍較窄、燃燒溫度較低，相對應的NOx 排放產(chǎn)物也較低；通過改變?nèi)紵Ｊ娇刂瓶杖急龋捎妙A混合燃燒方式來降低火焰溫度是降低NOx 的有效途徑[3-4]。

圖1 空燃比與NOx 排放關(guān)系Fig.1 Relationship between air fuel ratio and NOx emissions

1.2 實現(xiàn)低NOx 排放的代價

通過降低空燃比降低燃燒火焰溫度，燃燒處于貧氧狀態(tài)，造成燃燒不充分熱效率下降，CO 排放上升，因此DLE 機組相比于SAC 機型熱效率低3%～5%。CO 和NOx 排放隨著空燃比的增加呈現(xiàn)剪刀差；隨著空燃比的增加、O2含量的增加燃燒逐漸改善，CO 排放先是逐漸下降，當空燃比達到0.7 左右時CO排放達到最低值。NOx 排放基本與燃燒溫度趨勢保持一致，因此控制CO 和NOx最佳排放區(qū)間。

2 LM2500+DLE 機型特點

2.1 燃燒室結(jié)構(gòu)

LM2500+DEL 機型為環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，在環(huán)形燃燒室均勻分布著3 環(huán)燃料氣預混器，具體分為A環(huán)（30 個）、B 環(huán)（30 個）、C 環(huán)（15 個），每一環(huán)都配備獨立的燃料氣計量閥（FCV104，F(xiàn)CV105，F(xiàn)CV107）；其中A 環(huán)和C 環(huán)額外配備10 個支氣管控制閥20SV1-20SV10 來輔助控制燃料氣進氣量。

2.2 LM2500+DLE 機型CDP 閥（BLEED VALVE）

燃氣輪機的壓氣機防喘泄放閥（CDP 閥）是一種液壓伺服閥，CDP 閥的一端連接著壓氣機第16級排氣至燃燒室預混器間的擴散段，另一端直連燃機的排氣煙道；DLE 機型CDP 閥門的另一重要作用是通過不同的開度來調(diào)節(jié)進入燃燒室內(nèi)的空氣量，實現(xiàn)對燃燒室空燃比進行微調(diào)。

3 第一階段節(jié)能減排

3.1 LM2500+DLE 機型燃燒模式

GE LM2500+DLE 燃機的燃燒室在啟動及加載等不同工況下會選擇不同的燃燒模式，其機組燃燒分為B、B+C/2、BC、AB、ABC 五種模式見圖2。GE LM2500+DLE 機型通過切換不同燃燒模式及調(diào)節(jié)CDP 閥門開度來控制進入燃燒室內(nèi)天然氣和空氣的比例，從而實現(xiàn)對空燃比的微調(diào)，達到控制火焰溫度的目的，使火焰溫度維持在CO 和NOx 最佳排放區(qū)間。

圖2 機組燃燒模式Fig.2 Combustion mode of units

GE LM2500+DLE 燃機的燃燒室為環(huán)形燃燒室，為實現(xiàn)低排放目的，環(huán)形燃燒室從內(nèi)到外均勻布置了3 環(huán)共計75 個燃料氣預混器，LM 2500+DLE燃燒室及燃料預混器模型見圖3。C 環(huán)（15個）、B 環(huán)（30 個）、A 環(huán)（30 個），每1 環(huán)燃料氣預混器由1 個燃料氣計量閥控制：其中C 環(huán)每3 個預混器為1組，由1 個燃料氣分級閥控制，共計5 個分級閥；B環(huán)30 個預混器直連燃料氣計量閥，同時1 個分級閥控制B 環(huán)15 個帶ELBO 孔（增強預混燃燒穩(wěn)定性）旋流器的補燃；A 環(huán)每6 個預混器為1 組，由1 個燃料氣分級閥門控制，共計5 個分級閥。天然氣由供氣管引入，并通過旋流器葉片上預留的注射孔與高壓空氣均勻混合噴入燃燒室進行燃燒，預混燃燒火焰的溫度均勻且被嚴格限定在溫度模型范圍內(nèi)，進而實現(xiàn)CO 和NOx 排放小于25×10-6）的目標。燃燒室火焰溫度模型見圖4。依靠燃機控制程序，根據(jù)負載及預設(shè)的低排放標定數(shù)據(jù)控制燃料氣供氣量及CDP 閥門開度維持在最佳區(qū)間[5-6]。

2011年，水利部選定在湖北省境內(nèi)的漢江流域、江蘇省和北京、寧波、大連、青島、無錫、蘇州、紹興、中山等8個城市開展水利現(xiàn)代化試點工作，要求各試點地區(qū)編制水利現(xiàn)代化規(guī)劃，指導水利現(xiàn)代化建設(shè)。水利現(xiàn)代化規(guī)劃是新事物，如何合理把握規(guī)劃定位、規(guī)劃任務、規(guī)劃目標，是規(guī)劃編制中值得探討的重要問題。

圖3 燃燒室及燃料預混器模型Fig.3 Combustion chamber and fuel premixer model

圖4 燃燒室火焰溫度模型Fig.4 Flame temperature mode of combustion chamber

燃機點火至怠速階段燃燒模式為B 模式：B 環(huán)30 個預混器獲得燃氣供應開始工作，燃燒室火焰溫度根據(jù)低排放標定數(shù)據(jù)跟隨紅色線軌跡移動；怠速至5%負載階段燃燒模式為B+C/2 模式：B 環(huán)30 個以及C 環(huán)9 個預混器獲得燃料氣供應進行工作，燃燒室火焰溫度根據(jù)低排放標定數(shù)據(jù)跟隨紅色線軌跡移動。以此類推，燃燒模式受負荷影響依次經(jīng)歷B、B+C/2、BC，AB，ABC 共計5 種模式。

隨著機組輸出功率的變化，燃燒模式不斷改變，參與燃燒的燃料預混器數(shù)量也不斷變化，以實現(xiàn)不同工況下燃燒室火焰處于較低CO 和NOx 排放的狀態(tài)。

3.2 運行模式與節(jié)能關(guān)系

燃燒室火焰溫度受低排放標定影響跟隨紅色溫度控制線移動；燃機轉(zhuǎn)速提升，燃料氣供應量逐步增大，CDP 閥開度逐步減小至0，當燃燒室火焰溫度到達模型右邊界，如果繼續(xù)增加燃料氣供應量，溫度繼續(xù)上升直至模式跳變設(shè)定點后切換下一個燃燒模式；反之燃機轉(zhuǎn)速降低，燃料氣供應量逐步減小，CDP 閥門開度逐步增大至100%，燃燒室火焰溫度到達模型左邊界，如果繼續(xù)減少燃料氣供應量，燃燒室火焰溫度持續(xù)下降至模式跳變設(shè)定點后切換下一個燃燒模式[7-9]。

燃燒模式從B 至ABC 共有4 處工況，且是相互重疊的。LM 2500+DLE 轉(zhuǎn)速重疊示意圖見圖5（重疊區(qū)域是DLE 標定所必須，如無重疊區(qū)域?qū)е氯紵Ｊ綗o法正常切換），重疊區(qū)域意味著在同一轉(zhuǎn)速下有可能處于兩種不同的燃燒模式，并存在兩種不同效率及燃料氣消耗量[10]。

圖5 LM2500+DLE 轉(zhuǎn)速重疊示意圖Fig.5 Schematic diagram of LM 2500+DLE speed overlap

重疊區(qū)域CDP 閥門開度的大小決定了進入燃燒室的空燃比，同時也影響著壓氣機的效率。CDP 閥門開度大，泄放掉的壓縮空氣多，壓氣機整體效率降低，將導致燃機整體效率降低，進而增加能耗。燃機以空氣為介質(zhì)，基于Brayton 循環(huán)為理論基礎(chǔ)，溫、熵圖見圖6。壓氣機入口空氣狀態(tài)為1，經(jīng)壓縮后壓氣機排氣端空氣狀態(tài)為2，如為理想循環(huán)，空氣經(jīng)過等熵壓縮后排氣口空氣的狀態(tài)為2S。為簡化理解和計算，計算理想循環(huán)狀態(tài)下的壓氣機效率，根據(jù)Brayton 循環(huán)，理想循環(huán)下效率公式為：

圖6 燃機溫、熵圖Fig.6 Temperature and entropy of gas turbine

式中：Nc為壓氣機效率，%；h2s為經(jīng)等熵壓縮后壓氣機排氣口空氣的焓值，kJ/kg；h2為壓氣機排氣口空氣實際焓值，kJ/kg；h1為壓氣機進氣口空氣實際焓值，kJ/kg；T2s為經(jīng)等熵壓縮后壓氣機排氣口熱力學溫度，K；T2為壓氣機排氣口空氣實際測量熱力學溫度，K；T1為壓氣機進氣口空氣實際測量熱力學溫度，K；p2為壓氣機排氣口空氣壓力，kPa；p1為壓氣機進氣口空氣壓力，對燃機而言等于大氣壓力，kPa；K為比熱比，即定壓比熱與定容比熱之比，在空氣動力學中，空氣的k值常取為1.40。

燃燒模式重疊區(qū)域（如BC/AB 或AB/ABC 模式）同樣輸出功率（轉(zhuǎn)速）情況下CDP 閥門開度差距約30%～70%，CDP 閥門開度越大泄放掉的壓縮空氣越多，將導致壓氣機排氣端壓力、溫度降低，壓氣機效率下降，燃機能耗增高。選取LM2500+DLE燃機AB 和ABC 燃燒模式重疊區(qū)域數(shù)據(jù)：動力渦輪轉(zhuǎn)速5 324 r/min，T2（壓氣機入口溫度）31.26 ℃，p2（壓氣機入口壓力）92.60 kPa，AB 模式p3（壓氣機排氣端測量壓力）1 386.88 kPa，T3（壓氣機排氣端測量溫度）435.57 ℃，按照Brayton 循環(huán)計算壓氣機效率為88.34%；ABC 模式p3（壓氣機排氣端測量壓力）1 354.48 kPa，T3（壓氣機排氣端測量溫度）431.12 ℃，按照Brayton 循環(huán)計算壓氣機效率為87.80%。由此可見，CDP 閥門開度與燃機總體效率及能耗息息相關(guān)，CDP 閥門開度越大，泄放掉的高壓空氣越多，燃機能耗越高。

以中油國際管道公司海外某天然氣項目LM2500+DLE 燃機驅(qū)動PCL603 壓縮機為例，機組從準備加載動力渦輪轉(zhuǎn)速3 965 r/min 到最大負荷轉(zhuǎn)速6 405 r/min，中間存在3 個轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域，每個重疊區(qū)域約200～500 r/min（低排放標定結(jié)果不同，重疊區(qū)間不等），轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域節(jié)能預測見表1。

表1 轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域節(jié)能預測Tab.1 Energy conservation prediction of speed overlapping area

3.3 節(jié)能運行

了解燃燒模式重疊區(qū)域的節(jié)能原理，為實現(xiàn)機組的節(jié)能運行需要做到以下幾點：

1）LM2500+DLE 機組每年夏季及冬季開展兩次低排放標定作業(yè)，需記錄燃燒模式切換對應的動力渦輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速重疊區(qū)間見表2。

表2 轉(zhuǎn)速重疊區(qū)間Tab.2 Speed overlap interval

2）運行工況確認。

3）確認CDP 開度，CDP 閥門開度是否大于70%。

4）確認PT 轉(zhuǎn)速，PT 轉(zhuǎn)速是否位于轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域。

5）確認上述CDP 和PT 轉(zhuǎn)速均符合要求，機組即能轉(zhuǎn)入節(jié)能運行。降低機組轉(zhuǎn)速使燃燒模式降入低一階的模式，再根據(jù)運行要求提高機組轉(zhuǎn)速，即可達到節(jié)能運行目的。

6）記錄燃燒模式變化前后同一轉(zhuǎn)速條件下燃料氣的消耗量，用于節(jié)能監(jiān)測及后續(xù)節(jié)能運行研究。

7）如處于臨界運行工況（低一階燃燒模式向高一階燃燒模式切換工況）可以通過在程序里對運行模式參數(shù)進行強制，使機組穩(wěn)定運行在節(jié)能模式下；直到工況變更需要進一步提高轉(zhuǎn)速時去掉該強制值，使機組進入正常控制模式。該工況下需要關(guān)注燃燒室動態(tài)噪聲數(shù)值（該數(shù)值反應了燃燒是否平穩(wěn)），確保該數(shù)值小于17.2 kPa，如燃燒室動態(tài)噪聲數(shù)值超過20.7 kPa 將影響燃燒穩(wěn)定性，導致機組降速至怠速甚至熄火，此種情況應去掉運行模式強制數(shù)值，正常切換至高一階燃燒模式。

3.4 節(jié)能效果

以中油國際管道公司海外某天然氣項目LM2500+DLE PCL603 機組為例，進行節(jié)能效果分析。

1）2019 年冬季低排放標定完成后機組PT(abc)pull—PT(ab)push 動力渦輪轉(zhuǎn)速重疊轉(zhuǎn)速區(qū)間5 101～5 484 r/min，AB&ABC 模式轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域能耗對照見表3，區(qū)間最高能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能及減排天然氣630 m3/h，最低節(jié)能減排492 m3/h，平均節(jié)能減排558 m3/h。

表3 AB-ABC 模式轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域能耗對比Tab.3 Comparison of energy consumption in the speed overlap area of AB&ABC mode

2）2019 年冬季低排放標定完成后機組PT(ab)pull—PT(bc)push 動力渦輪轉(zhuǎn)速重疊轉(zhuǎn)速區(qū)間4 251～4 785 r/min，BC&AB 模式轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域能耗對照見表4，最高節(jié)能減排788 m3/h，最低節(jié)能減排546 m3/h，平均節(jié)能減排694 m3/h。

3.5 應用

2020 年選取項目1 個壓氣站為試點，該試點壓氣站機組年累計運行時間約9 000 h，處于3 個重疊區(qū) 域：PT(bc)pull—PT(b+c/2)push、PT(ab)pull—PT(bc)push、PT(abc)pull—PT(ab)push累計運行時間1 485 h，占總運行時間約16.5%，在重疊區(qū)域采用節(jié)能運行模式已實現(xiàn)節(jié)能減排83.949×104m3天然氣，約合78×104m3天然氣。2020 年試點壓氣站燃機轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域節(jié)能減排統(tǒng)計見表5。

表5 2020 年試點壓氣站燃機轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域節(jié)能減排統(tǒng)計Tab.5 Statistics of energy conservation and emission reduction in areas with overlapping gas turbine speeds in pilot compressor stations in 2020

3.6 節(jié)能減排應用推廣前景

中油國際管道公司某海外項目有6 座壓氣站使用GE LM2500+DLE 燃機，共計19 臺。2 個壓氣站常年雙機運行，雙機運行的壓氣站燃機運行于節(jié)能區(qū)間的時間占比越高，使用節(jié)能模式運行節(jié)能效果會越明顯；剩余4 個壓氣站以75%單機運行為主，冬季高輸量情況下25%雙機運行為輔助。如全線推廣節(jié)能運行，以每個壓氣站總累計運行時間的5%在轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域采用節(jié)能運行，預計將節(jié)能減排180×104m3、7.5%將節(jié)能減排270×104m3、10%將節(jié)能減排達361×104m3天然氣，項目采用節(jié)能轉(zhuǎn)速運行年節(jié)能減排測算見表6。

表6 采用節(jié)能轉(zhuǎn)速運行壓氣站年節(jié)能減排測算Tab.6 Calculation of annual energy conservation and emission reduction in gas compressor station by using energy conservation rotational speed operation

4 第二階段節(jié)能減排

為實現(xiàn)此階段的節(jié)能減排，公司最少需要培養(yǎng)一位對燃機低排放標定非常熟悉的工程師，能夠處理燃燒邊界引起的燃燒不穩(wěn)定問題以避免停機。

4.1 節(jié)能減排原理

1）根據(jù)燃燒室火焰溫度模型，CDP 閥開度100%～0%范圍內(nèi)，正常運行燃機燃燒室火焰溫度預值等于溫度上限和下限的平均值。

2）CDP 閥開度在70%～20%范圍內(nèi)，通過人為降低燃燒室火焰溫度上限ΔT（降低的溫度ΔT以不引起燃燒室動態(tài)噪聲及NOx、CO 超標為參考）建議不超過原標定參數(shù)上、下限溫差的25%為宜，降低ΔT后新的溫度上限將降低到C 線位置，新的燃燒室火焰溫度預值將降低至B 線位置；同一個功率參數(shù)將對應兩個不同的CDP 閥開度D1 和D2，D1大于D2 意味著D1 工況下有更多的16 級壓縮空氣被直接排放至燃機的排氣煙道，按照Brayton 循環(huán)計算壓氣機效率將降低，導致燃機能耗增加。

3）節(jié)能減排效果。選取LM2500+DLE 機組加載階段3 個主要燃燒室運行模式BC、AB、ABC 作對比，每種模式下選取3 個CDP 閥開度（70%、45%、20%）為測試點，通過降低溫度上限為：12.2 ℃，所能達到的節(jié)能減排效果見表7。隨著功率的提高節(jié)能效果從最初的21 m3/h 逐步增加到63 m3/h，此種模式節(jié)能效果不明顯，但可操作轉(zhuǎn)速范圍寬廣，約占總運行轉(zhuǎn)速區(qū)間的40%，年累計節(jié)能效果也非常可觀。

表7 降低DLE 標定火焰上限為12.2 ℃節(jié)能統(tǒng)計Tab.7 Energy conservation statistics for adjusting DLE calibration flame upper limit at 12.2 ℃

4.2 第二階段節(jié)能減排應用推廣前景

在第一階段節(jié)能減排推廣應用的基礎(chǔ)上，2 個壓氣站常年雙機運行，3 個壓氣站以75%單機運行為主，冬季高輸量情況下25%雙機運行為輔助，1 個備用壓氣站。如推廣第二階段節(jié)能運行模式，以40%運行時間使用節(jié)能方法、單機每小時平均節(jié)能49 m3/h進行測算，年預計節(jié)能效果見表8。

表8 ABC 線采用第二階段節(jié)能運行模式年節(jié)能減排測算Tab.8 Annual energy conservation and emission reduction calculation for ABC line adopting the second stage energy conservation operation mode

5 運行管理建議

1）第一階段，根據(jù)GE LM2500+DLE 轉(zhuǎn)速重疊區(qū)域的節(jié)能原理，指導運行人員將機組運行在高效節(jié)能區(qū)域，最高能夠達成每臺燃機791 m3/h 節(jié)能效果（20.42%節(jié)能效果）。每年夏季、冬季2 次燃機低排放標定工作應盡量擴大每一種燃燒模式向高一階燃燒模式的跳轉(zhuǎn)上限即擴大重疊區(qū)域，能夠增加節(jié)能減排效果。

3）第二階段，通過降低燃燒室TFLMAX 上限溫度，最高能夠達成每臺燃機63 m3/h 節(jié)能效果（1.13%節(jié)能效果）。夏季高溫易導致燃氣渦輪入口溫度達到報警值，機組控制模式將從動力渦輪轉(zhuǎn)速控制模式切換至燃氣渦輪入口溫度控制模式，導致燃機功率下降，通過降低燃燒室上限溫度進而減小燃機壓氣機排氣閥開度，引入更多的壓縮空氣進入燃燒室降低燃氣渦輪入口溫度，機組將重回動力渦輪轉(zhuǎn)速控制模式，提高功率，機組轉(zhuǎn)速可以提高150 r/min。