首批采用PSM低氮燃燒器的GE燃機燃燒調整國產化研究

蘇州工業園區藍天燃氣熱電有限公司 安 升

某燃機電廠采用美國GE 公司生產的PG9171E 型燃氣輪機，為降低NOx 排放，對燃燒系統進行了改造。選用PSM公司分管回流式LEC-Ⅲ型低氮燃燒系統，該系統配置14個火焰筒，均勻布置在壓氣機排氣缸外圓周，系統包含一二次燃料噴嘴、火焰筒、過渡段、火花塞點火系統、火焰探測器及聯焰管等燃燒部件。燃燒系統部件若維修更換后必須進行燃燒調整，此項技術作為重型燃氣輪機運行維護領域的關鍵技術之一，能夠有效規避不穩定燃燒及污染物排放超標等異常狀態，從而確保燃燒安全穩定、煙氣環保排放合格。本文詳細介紹了LEC-Ⅲ型燃燒系統低氮燃燒的工作流程、自主燃燒調整的具體步驟及方法，意在推動燃燒調整國產化進程，旨在突破行業技術壁壘，切實提高燃機燃燒穩定性及環保性能。

1 LEC-Ⅲ低氮燃燒系統簡介

PSM 公司根據NOx 排放物的生成基理對9E 燃機火焰筒進行了改進設計：燃料噴嘴部件由一二次燃料噴嘴組成，天然氣經一二次燃料噴嘴分別進入燃燒一區、二區，通過調整分配燃燒一區、二區的燃料配比，實現燃料在燃燒一區提前摻混，再經文丘里管將均相稀釋的混合燃料引流至燃燒二區，在較低溫度下進行燃燒，從而達到低NOx、CO 排放的環保要求。

該設計理念雖能有效降低NOx 等污染物的排放量，但在實際運行中存在一定缺陷。例如，在預混燃燒模式下，燃燒存在不穩定性，均相預混燃料的燃燒極限狹小，在低溫燃燒時，火焰傳播速度受限，穩定火焰困難。當燃料流速減慢，燃燒火焰向進氣端偏移時，容易導致燃燒一區回火，破壞預混燃燒環境。為降低NOx 排放量，降低燃燒溫度勢必導致CO 排放的增加，需要確定最優燃料配比，燃燒溫度場氣流分布復雜，相鄰火焰筒燃燒區狀態異常且同步時，容易導致燃燒振蕩甚至熄火。因此，必須精確調整燃料量與助燃空氣的比例，保證燃燒一區、二區的燃料量分配在合理的范圍內，促使低氮燃燒安全穩定。

圖1 LEC-Ⅲ低氮燃燒模式示意圖

2 PG9171E 型燃氣輪機燃燒調整

2.1 燃氣輪機燃燒調整目的

燃燒調整的主要目的是減少NOx 和CO 等污染物的排放，同時確保燃氣輪機燃燒穩定，在保證燃機安全穩定運行的前提下，提高機組的燃燒效率。預混火焰對流場參數和化學當量比變化等異常敏感，容易在封閉的燃燒室內誘發熱聲耦合振蕩，導致火焰發生燃燒動力學失穩，產生劇烈的燃燒脈動，嚴重時甚至造成燃燒室部件損壞。

燃燒調整過程，從機組啟動點火到滿負荷運行的各個階段，通過調整進入燃燒室的燃料和空氣配比，將燃燒控制在穩定邊界的中心區域，從而獲得良好的穩定燃燒裕度[1]。因此，燃燒調整是決定機組安全運行、燃燒效率及污染物排放能否達標的關鍵技術手段。

2.2 9E 燃機LEC-Ⅲ型低氮燃燒系統燃燒調整具體步驟

一是安裝探測管。在燃氣輪機14個火焰筒上分別安裝1支探測管，將其插入燃燒室火焰筒內部，用于測量火焰筒內燃氣壓力波動。安裝時，待燃氣輪機缸體冷卻至室溫，拆開燃燒室缸體外堵頭，將探測管伸入低氮火焰筒內部，須確保其尖端伸入火焰筒內壁面0.05英寸（1英寸=2.54cm）以上。探測管尺寸如圖2所示，管長305mm，插入火焰筒深度146mm（實際操作中14支探測管插入火焰筒深度不盡相同，一般插入深度在144mm 至148mm 范圍內即可）。

圖2 燃燒調整探測管尺寸

二是裝設銅導管。銅導管直徑1/4英寸，為確保所監測的燃燒室內壓力的準確性，避免銅導管長度對壓力測點采樣產生干擾，銅導管應選用相同的長度，長度一般為14m。通過圖3中3/8”轉1/4”接頭，將銅導管與探測管端頭相連接，導管末端引至動態壓力監測箱接線端子處。使用1/4卡套接頭，將銅導管與動態壓力監測箱接線端子相連接。在監測箱銅管取樣端分別安裝14支壓力傳感器，將氮氣瓶出口連接三通閥，分別對監測箱銅質引壓管進行氮氣吹掃。在監測箱輸出端子處，接入信號調制模塊“Alta Solutions”，最后接入工作站電腦，經傅里葉轉換器處理后，14支火焰筒動態壓力值的頻域曲線便完整呈現在工作站電腦端。

圖3 動態壓力監測箱

圖4 信號調制模塊

圖5 壓力波動頻域曲線

三是氮氣吹掃。測量前須使用氮氣對銅管進行吹掃。測量時，如果壓力波動偏大，為了保證所測壓力參數值穩定、準確，可使用氮氣重新對銅管進行吹掃。

四是數據整合。燃燒調整過程中，提取14支火焰筒壓力測量結果的突變量，經傅里葉轉換后，獲得的頻域曲線如圖6所示。該曲線反映的是燃燒區氣流振動量在頻域內表現。其中，14號火焰筒壓力曲線平穩，振動卻存在一處突變，原因可能是電子信號干擾，排除燃燒脈動存在。

圖6 燃機負荷90MW 時燃燒壓力脈動對比

圖7 燃機負荷95MW 時燃燒壓力脈動對比

圖8 燃機負荷105MW 時燃燒壓力脈動對比

圖9 燃機負荷90MW 時燃燒壓力脈動對比

圖10 燃機負荷95MW 時燃燒壓力脈動對比

圖11 燃機負荷105MW 時燃燒壓力脈動對比

五是實時監測NOx 及CO 的排放濃度。檢查NOx、CO 等在線儀表狀態良好且已準確標定。

六是參數調整。根據火焰筒內部壓力曲線及污染物排放情況，尋找到壓力波動范圍最小、污染物排放最低的最佳運行工況點，以此調整不同階段的燃料沖程基準參數。

七是預混模式調整。將燃機負荷設定至預混模式下最低負荷（約80%額定負荷），根據火焰筒內部壓力曲線及污染物排放情況，尋找最佳運行工況點，調整相關參數。

八是分析驗證。以此負荷為起點，每增加5MW即停留10min，直至基本負荷。分別記錄每個負荷點火焰筒內部壓力曲線及污染物排放情況，驗證此前參數調整的準確性。調整溫控線TTK_C，進一步對燃燒穩定性，污染物排放等參數進行跟蹤調整。

3 某電廠9E 燃氣輪機LEC-Ⅲ低氮燃燒系統的燃燒調整案例

3.1 主要監控參數及要求

通過采集、分析各燃燒室在多種工況下的高頻、低頻壓力振蕩數據，尋找到壓力波動范圍最小、污染物排放最低的最佳運行工況點。在滿足國家對污染物排放要求的前提下，調整預混燃料配比參數FXKSPM[i]，實時監測燃燒脈動、污染物排放、排煙分散度、火焰強度等參數的變化情況，確保燃氣輪機安全、穩定運行。

表1 主要監控參數及要求

3.2 燃燒調整進度安排

利用國內知名電力試驗研究單位自主研發的燃燒監測系統，對燃燒器燃燒壓力脈動進行監測[2]，由于該燃燒監測和診斷系統僅有8個通道，而PG9171E 型燃氣輪機共有14個燃燒室，因此本次燃燒調整過程分為兩日進行。并根據前日燃燒壓力脈動監測情況，選取燃燒壓力脈動較高或波動較大的燃燒室進行進一步監測。

表2 燃燒調整過程中的燃燒壓力脈動安裝情況

3.3 燃燒調整結果分析

本文主要對燃氣輪機90MW、95MW、105MW三個負荷點調整情況進行重點分析，并結合前次燃燒調整參數進行對比分析。

分析以上曲線可知：當燃機負荷設定90MW 時，修改燃料配比最小值FXKSPMMN，由83修改為85.7，實際燃料配比由85.269調整至85.7，觀察燃燒脈動略微增大；NOx、CO 波動較小，排放情況整體未受影響。當#2燃機負荷設定95MW 時，燃燒脈動與上一次燃燒調整燃燒脈動情況相比，脈動值基本保持一致，均處于合理范圍內。當#2燃機負荷設定105MW 時，將燃料配比最大值FXKSPMMX 由86修改至84后，則燃料配比FXKSPM 由85.5818調整至84，觀察燃燒脈動明顯增強，同時NOx 及CO排放均不同程度地升高。

當燃機負荷設定90MW 時，修改燃料配比最小值FXKSPMMN，由83調整至85.8，則燃料配比FXKSPM 由85.3020調整至85.8，觀察燃燒壓力脈動、排放參數均為無明顯變化。參數恢復后，再次修改燃料配比最大值FXKSPMMX 由86修改為84，則燃料配比FXKSPM 由85.3020調整至84，觀察發現燃燒脈動值顯著增大，同時NOx 和CO 也升高。

當燃機負荷設定95MW 時，修改燃料配比最大值FXKSPMMX，由86調整至84，此時燃料配比FXKSPM 由85.5655調整至84，觀察確認燃燒脈動顯著增大，已超過規范上限，同時NOx、CO 均不同程度地升高。修改燃料配比最大值FXKSPMMX，由84調整至87，燃料配比最小值FXKSPMMN 由83調整至86.5，此時燃料配比FXKSPM 由85.5655調整至86.5，觀察燃燒脈動顯著變小，脈動參數優秀，且NOx 和CO 排放正常；但是火焰強度降低至20%，較之前運行時相比顯著降低，存在熄火風險。

當燃機負荷設定105MW 時，修改燃料配比最大值FXKSPMMX，由87調整至85，燃料配比FXKSPM 由85.7250調整至85，觀察確認燃燒脈動顯著變大，超過規范值1.75psi，不符合調整要求。恢復燃料配比最大值FXKSPMMX 至初始值，FXKSPM[2]由85.5調整至85.7，FXKSPM[3]由85.75調整至86，則燃料配比FXKSPM 由85.7250調整至85.9700，觀察燃燒脈動整體略微變小，NOx 排放正常，CO 正常，火焰強度穩定，整體參數較為優秀。

最終完成對FXKSPM[2]、FXKSPM[3]修改后，燃機升負荷至110MW，再緩慢降至預混模式最低負荷，檢查驗證整個預混區間燃燒脈動情況，確定脈動值穩定維持在0.7～1.2psi 范圍內，較燃調前燃燒脈動動態曲線相比，整體運行狀態良好。

3.4 燃燒調整國產化的總結

燃氣輪機在重要負荷點的燃燒脈動及污染物排放情況、火焰強度等指標總體情況如下：燃燒脈動在預混模式低負荷階段（約80%至90%額定負荷）的參數良好，且絕對滿足低頻段小于1psi、高頻段小于1.75psi 的規定限值，能夠保持穩定燃燒。在預混模式中高負荷階段（約90%至100%額定負荷），燃燒脈動瞬時波動最高值接近上限附近，通過分析燃燒調整前后各項指標的變化規律，充分運用燃料配比與燃燒脈動、污染物排放、火焰強度等參數的內在聯系，以強制FXKSPMMX、FXKSPMMN（ 燃料配比最大值、最小值）、FXKSPM[2]、FXKSPM[3]等參數的定值來調整尋求最優燃料配比，燃燒調整后，燃燒壓力及脈動情況趨于穩定，同時NOx 和CO 排放得到了有效降低，雖然火焰強度存在明顯降低的情況，但是裕度仍處于允許范圍。

此次國產化燃燒調整的不足之處在于燃燒調整監測設備未能全套配置，單次數據采集不完整，分批采集數據在一定程度上影響數據同步性及實時準確性。建議在燃燒調整最終參數確認時，一級燃料分配比保留一定可調空間，以此保證充足穩定的燃燒裕度，避免燃氣輪機工況突變進而發生貧燃熄火或機組跳閘等問題。

該燃機電廠克服各種困難，順利完成第一次國產化自主燃燒調整。針對該套配備LEC-Ⅲ燃燒系統的GE 燃氣輪機發電機組，試探性地采用探測管引流的方式對火焰筒內部壓力脈動情況進行直接監測，數據準確有效，燃燒調整步驟清晰、具體，燃調方式正確，現場發生的問題處理妥當，調整效果顯著。當前，我國尚未全面掌握重型燃氣輪機燃燒調整技術，下步須發揚自主創新精神，相信將來一定突破現行技術壁壘，真正掌握燃燒調整技術，降低發電企業運維費用，中國重型燃氣輪機設備完全國產化一定會順利實現。