9H級燃機燃燒系統夏季調整分析

索志城，馬寶華

(天津軍糧城發電有限公司，天津 300300)

0 引言

2017-05-12 ，國家發展和改革委員會、國家能源局印發的《依托能源工程推進燃氣輪機創新發展的若干意見》要求研究先進重型燃機技術，針對單循環功率400 MW等級、聯合循環效率達到60 %以上的G/H級重型燃機，研究高壓比大流量壓氣機、低NOx排放燃燒室及等溫燃燒、高效透平及其氣動、冷卻設計技術等；重點完善低排放燃燒試驗、多燃料燃燒試驗、燃燒監測和診斷、調整技術研發試驗、熱表工藝研發試驗、整機試驗和應用考核試驗和示范平臺；重點突破部件運行狀態監測與評估技術，壽命評估及延長技術，燃燒監測和診斷、燃燒調整、燃燒室優化改造技術[1]。

重型燃機是一種可將化石燃料高效轉化的裝備，具有綜合熱效率高、維護簡便等優勢；同時因其具備較好的調峰性能，是當前能源系統的重要組成部分，為維護電網穩定做出了突出貢獻[2]。為滿足日益嚴格的環保要求，同時保障燃機可持續安全穩定運行，各大重型燃機制造商都在開發燃燒調整技術，要求既能深度參與調峰，同時滿足燃燒穩定性好及符合相關環保要求[3]。

為減排燃燒過程中產生的污染物，燃機廠商大多采用預混燃燒技術[4]，但該技術存在著燃燒不穩定等問題，為控制燃燒溫度、減少NOx的生成，燃燒室的燃空比已接近于貧燃料熄火的極限，導致熄火概率增大，跳機風險增加[5-6]。

1 概況

某企業新建1套600 MW級“一拖一”雙軸布置的燃氣－蒸汽聯合循環發電供熱機組(9H級燃機)。2021-01-28，該機組順利通過168 h滿負荷試運行后正式投產。

該燃機采用預混系統點火，DLN 2.6e燃燒系統利用微孔預混技術實現了微孔預混和全預混燃燒，燃料和空氣的混合更為均勻，燃燒更為充分，從而達到更高的效率，并能降低NOx的排放。由于燃機采用了先進的微管預混技術，微孔管束替代了之前的旋流噴嘴，使得噴嘴上布置有密集的進氣微管，同時在每個進氣微管的軸向位置上布置多個燃料孔。當環境溫度變化大、天然氣熱值改變大、燃機老化程度增加以及硬件改動等情況下，運維人員需要及時進行燃燒調整，以優化燃燒性能、保證機組安全和排放達標。因此，燃機的夏季燃燒調整是確保機組適應高溫環境運行的重要手段。

2 調整范圍及目的

1) 調整范圍。燃燒調整主要針對燃機的燃燒氣控制系統進行調試，包括天然氣流量控制閥門、燃機清吹系統、燃機抽氣系統閥門、燃機進口可調靜葉(IGV)角度等。

2) 調整目的。在熱態燃料(天然氣性能加熱器投用)下，對燃機相應負荷點進行燃料量優化；通過調整燃料控制閥，燃機清吹閥和抽氣系統各閥門的開度，從而使燃燒更加穩定，滿足排放要求。

3 調整的前提

預混燃燒在燃機中穩定燃燒的窗口狹窄，在空氣溫度、天然氣組分變化的情況下，燃機的燃燒工況會偏離設計點，此時燃機的排放、燃燒的穩定性將會出現異常，需要開展燃燒調整使燃燒恢復至正常狀態。燃燒調整應具備以下前提條件。

1) 中壓給水可用，性能加熱器可投用。

2) 天然氣前置模塊來氣壓力不低于3.5 MPa。

3) 配套的鍋爐排放測試設備(SMS)投用。

4) 相關輔助系統運行正常。

5) 相關廠家的技術支持。

4 燃料控制系統介紹

氣體燃料控制包括：1個輔助截止閥VS4-1，用于切斷氣體燃料流，使下游設備與氣體供應隔離；1個截止閥VGS-1，用于快速關閉流向燃燒系統的氣體燃料；1個啟動控制閥VSC-1，用于在啟動時調節下游壓力；4個燃氣控制閥VGC-1～VGC-4，用于根據燃機負載和燃燒模式將燃氣分配至每個燃氣管道；1套儀用空氣吹掃管線，用于離線水洗后吹掃微混合燃氣噴嘴VIS-1、VIS-2和VIV-1。

燃燒啟動點火系統包括1個截止閥VGST-1、2個放散閥VA13T-1、VAST-10和1個控制閥VGCT-1。

在燃機點火過程中，點火器通過產生電火花對P1x空腔中提取的氣體進行點火。P1x空腔在燃機的進氣和供氣系統中主要負責引入燃料和空氣的混合物。在很短時間內，點火器產生的電弧或火花將預混氣體點燃，從而啟動燃機的燃燒過程。整個過程非常短暫，但足以確保燃機能夠穩定地啟動并進入正常運行狀態。預混點火系統在燃機的其他操作模式下不工作，僅在點火過程中使用，一旦燃機啟動并進入正常運行狀態，預混點火系統將停止工作，并將控制權交給相關的燃燒管理系統，以確保燃機的穩定運行。

吹掃空氣管線用于吹掃氣體燃料系統工作過程中的無燃料氣體岐管，包括1個吹掃空氣冷卻器HX-4-2。氣體燃料吹掃系統是從壓縮機中抽出空氣，吹掃氣體燃料噴嘴，空氣首先由熱交換器冷卻至所需的溫度，然后用來吹掃氣體燃料噴嘴。氣體燃料吹掃系統可以避免串火，并通過提供流經燃燒回路的空氣來防止氣體燃料在管道中自動點火。

4個燃機燃氣岐管(PM1、PM2、PM3和AFS歧管)將燃氣從氣體燃料模塊供應到燃機的燃料噴嘴和燃燒室中。這些岐管的設計和配置確保了燃氣的順暢流動，同時也在維護期間提供了必要的隔離。燃燒可分成兩個階段，第一階段，PM1、PM2、PM3歧管噴出的燃料與空氣混合并燃燒；第二階段，AFS歧管里的燃料與第一階段的產物混合并燃燒，進一步降低NOx排放。PM2歧管上包括2個清吹閥VAS-3、VAS-4，1個放散閥VAV-2和1個燃料控制閥VGC-2；PM3歧管上包括2個清吹閥VAS-5、VAS-6，1個放散閥VAV-3和1個燃料控制閥VGC-3；AFS歧管上包括2個清吹閥VAS-7、VAS-8，1個放散閥VAV-4和1個燃料控制閥VGC-4；PM1歧管沒有清吹閥和放散閥，只有1個燃料閥VGC-1。

5 燃燒模式介紹

5.1 開機過程

正常氣體燃料加注過程，當燃機轉速高于95 %額定轉速時，所有未加燃料的氣路都需要清吹；當燃機轉速低于95 %額定轉速時，所有清吹閥關閉，所有放散閥打開。

5.2 3.1模式

燃機加速到58 %額定轉速后切換到3.1模式，該模式主要在燃機啟動升速或關閉時使用。在此模式下，PM1、PM2歧管加燃料，PM3、AFS歧管不加燃料，清吹閥VAS-3、VAS-4為關閉狀態，放散閥VAV-2開啟，清吹閥VAS-5、VAS-6、VAS-7和VAS-8開啟，放散閥VAV-3、VAV-4關閉，此時PM1歧管同時還應起到保持穩定工作的作用。

5.3 4.1模式

燃機開啟后，在負荷條件下使用4.1模式，此模式只有PM1、PM3歧管加燃氣：VGC-1、VGC-3用于調節燃氣流量，VGC-2、VGC-4關閉。用壓氣機空氣(CPD)吹掃PM2、AFS歧管，VAS-3、VAS-4、VAS-7、VAS-8將被打開，VAV-2、VAV-4關閉。

5.4 6.2模式

負荷進一步增長時選用6.2模式，此時PM1、PM2、PM3歧管加燃料，AFS歧管不加燃料。關閉清吹閥VAS-3、VAS-4、VAS-5、VAS-6，開啟放散閥VAV-2、VAV-3，同時開啟清吹閥VAS-7、VAS-8，關閉放散閥VAV-4。

5.5 6.2.A模式

并網后，負荷上漲至100 MW后，會切換到6.2.A模式運行，此時PM1、PM2、PM3、AFS歧管均加燃料，所有清吹閥VAS-3、VAS-4、VAS-5、VAS-6、VAS-7、VAS-8關閉，所有放散閥VAV-2、VAV-3、VAV-4開啟。燃機在部分負荷或滿負荷工況時使用此模式。

5.6 停機過程

燃機停機過程中，當燃機轉速低于95 %額定轉速時，相關吹掃將停止，此時吹掃閥關閉，放散閥開啟。

當燃機跳閘時，清吹系統的閥門進入故障安全位置(清吹閥關閉，放散閥開啟)。

6 結果分析

6.1 燃料流量與燃機負荷的關系

燃燒調整一般會設定多個負荷工況，需要在控制系統中調整總燃料流量從而滿足不同負荷下的燃燒要求。負荷設定分別為25 MW、30 MW、40 MW、50 MW、75 MW、80 MW、90 MW、100 MW、130 MW、200 MW、300 MW、350 MW、365 MW、402 MW(滿負荷)，燃料流量與燃機負荷的關系如圖1所示。

圖1 燃料流量與燃機負荷的關系

由圖1可知：燃料流量(X)與燃機負荷(y)呈現高度的線性相關性，回歸分析得y=11.48X-109.7，經回歸分析后的相關系數為0.999 453，兩個變量之間存在較強的線性關系。

6.2 燃機壓氣機效率分析

根據MARK Vle系統中燃機的運行數據，將各個負荷工況下，壓氣機的壓比與燃機負荷數據導出并計算分析，得到如圖2所示壓氣機壓比與燃機負荷的關系，以及如圖3所示壓氣機效率(%)與燃機負荷的關系。

圖2 壓氣機壓比與燃機負荷的關系

圖3 壓氣機效率與燃機負荷的關系

圖2、3可得：隨著燃機負荷的增長，壓氣機壓比也呈現線性增長；但壓氣機的效率在300 MW以后不再增長，呈現平穩狀態。

6.3 不同燃燒模式下燃料量分配關系

燃機在運行過程中有多種模式供選擇，不同燃燒模式下的燃料量分配比例不同，需分別對其分別進行研究，確定燃燒的影響因素。

4.1模式下，只有PM1、PM3歧管加燃氣，PM2、AFS歧管進行清吹。PM2、AFS清吹管道上的壓力幾乎相等，均在0.72 MPa左右，燃料閥開度與負荷的關系如圖4所示。

圖4 4.1模式下燃料閥開度與負荷的關系

PM2歧管上燃料閥控制閥開度、AFS歧管上燃料閥控制閥開度由于存在密封不嚴、泄漏導致開度異常，回歸分析時將此開度忽略，由此推導出4.1模式下PM1歧管上燃料閥控制閥開度(X1)、PM3歧管上燃料閥控制閥開度(X2)與燃機負荷(y)的關系為：y=-68.281 66+X1×2.203 57+X2×0.991 78，回歸統計的相關系數經計算為0.998 19，PM1歧管上燃料閥控制閥開度、PM3歧管上燃料閥控制閥開度與燃機此段負荷高度正相關。

6.2模式下，PM1、PM2、PM3歧管加燃料，AFS歧管不加燃料進行清吹。AFS歧管清吹壓力小幅度上升，從0.724 MPa上升到0.793 MPa，燃料閥開度與負荷的關系如圖5所示。

圖5 6.2模式下燃料閥開度與負荷的關系

AFS歧管上燃料閥控制閥開度的開度值異常是由于密封不嚴、泄漏所導致，回歸分析時將這個開度忽略，6.2模式下PM1歧管上燃料閥控制閥開度(X1)、PM2歧管上燃料閥控制閥開度(X2)、PM3歧管上燃料閥控制閥開度(X3)與燃機負荷(y)的關系為：y=-58.437 08+X1×1.788 50+X2×2.640 81-X3×0.039 45，回歸統計的相關系數經計算為0.98274，PM1歧管上燃料閥控制閥、PM2歧管上燃料閥控制閥和PM3歧管上燃料閥控制閥開度與燃機此段負荷高度正相關。

6.2.A模式下，所有管路加燃料，機組滿負荷運行，燃料閥開度與負荷的關系如圖6所示。

圖6 6.2.A模式下燃料閥開度與負荷的關系

回歸分析6.2.A模式下PM1歧管上燃料閥控制閥開度(X1)、PM2歧管上燃料閥控制閥開度(X2)、PM3歧管上燃料閥控制閥開度(X3)、AFS歧管上燃料閥控制閥開度(X4)與燃機負荷(y)的關系為：y=-101.612 38+X1×1.816 47+X2×0.540 30+X3×1.752 47+X4×4.786 27，回歸統計的相關系數經計算為為0.992 53，PM1歧管上燃料閥控制閥、PM2歧管上燃料閥控制閥、PM3歧管上燃料閥控制閥和AFS歧管上燃料閥控制閥開度與燃機此段負荷高度正相關，并且在此模式下，AFS歧管上燃料閥控制閥起到了最關鍵的作用。

6.4 燃機透平冷卻分析

燃機的燃燒溫度很高，需要利用壓氣機的空氣來冷卻透平，由壓氣機的第八級和第十一級抽氣至第二級和第三級燃機噴嘴進行冷卻。

燃機低負荷運行時，為降低CO的排放，需要增加冷卻風量，二級、三級冷卻閥的開度開至最大；至130 MW負荷后，需逐漸降低冷卻風量；至200 MW后，冷卻閥開度幾乎保持不變，且三級冷卻閥的開度比二級冷卻閥開度增加50 %，此時可在高負荷狀態下實現降低CO排放的要求，同時也能達到機組出力要求。

7 結束語

通過對9H級燃機燃燒系統夏季燃燒調整過程進行分析，找出燃料流量與燃機負荷之間的關系、壓氣機壓比與燃機負荷之間的規律以及燃機透平冷卻時冷卻閥運行的要求，為今后重型燃機燃燒調整提供理論的支撐。