9FA燃機啟動過程煙囪可見黃煙問題探析

周楊軍，潘勇進

（1.中國華電集團公司浙江分公司，浙江杭州310017；2.杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州310015）

9FA燃機啟動過程煙囪可見黃煙問題探析

周楊軍1，潘勇進2

（1.中國華電集團公司浙江分公司，浙江杭州310017；2.杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州310015）

介紹了干式低氮燃燒器，分析了燃機啟動過程中煙囪可見黃煙產(chǎn)生的機理，并以GE9FA燃機為例，介紹了通過LVE優(yōu)化及XD5改造消除啟動過程可見黃煙的方案。針對改造后出現(xiàn)的問題，提出了建議，為其他燃機電廠解決同類問題提供了借鑒和參考。

LVE；XD5；DLN2.6+燃燒器；燃燒模式；模型控制；可見黃煙

0　引言

天然氣發(fā)電作為一種高效、清潔、靈活的能源利用方式，近年來在我國得以快速發(fā)展，國內(nèi)燃機裝機總量已從2009年的2403萬kW一躍至2014年的5567萬kW，五年裝機規(guī)模增長1.3倍，占全國電力總裝機的4.1%。隨著燃機總裝規(guī)模的快速增長，以及環(huán)保要求的日益嚴格，其啟動過程中煙囪可見黃煙的問題開始受到公眾的關(guān)注，也成為各燃機電廠加強環(huán)保管理的重要方向。

1　DLN燃燒器介紹

DLN（Dry Low NOx）燃燒器意為干式低氮燃燒器，是相較于注水、注蒸汽方式而言的，即通過將傳統(tǒng)的擴散燃燒方式改為均相預(yù)混、貧燃方式來控制燃燒溫度進而降低NOx的排放。但天然氣預(yù)混貧燃方式的可燃范圍比較狹窄，因此各燃氣輪機制造廠在燃燒器設(shè)計中普遍采用了擴散燃燒和預(yù)混燃燒相結(jié)合的組合燃燒模式，滿足機組不同工況下的燃燒穩(wěn)定和排放控制需要。

2005年我國第一批打捆招標引進的GE公司9FA燃氣輪機采用了DLN2.0+燃燒器，每只燃燒器有五個燃料噴嘴，分別由D5、PM1、PM4三條燃料管路供氣，其中D5供應(yīng)5個噴嘴的擴散燃料通道，PM1供應(yīng)預(yù)混通道的1個噴嘴，PM4供應(yīng)預(yù)混通道的其余4個噴嘴（如圖1所示）。2007年后GE公司對9FA燃氣輪機配置了新一代DLN2.6+燃燒器，每只燃燒器采用5+1布局共六個燃料噴嘴，分別由D5、PM1、PM2、PM3四條燃料管路供氣，D5供應(yīng)外圍5個噴嘴預(yù)混區(qū)的四周短噴管，可控制燃燒脈動；PM2供應(yīng)外圍的2個噴嘴，PM3供應(yīng)外圍其余的3個噴嘴；PM1供應(yīng)中央噴嘴（如圖2所示）。

圖1　DLN2.0+燃料噴嘴的示意圖

圖2　標準DLN2.6+燃料噴嘴的示意圖

由表1可知，9FA燃機啟動過程從點火到滿負荷過程的燃燒模式切換是由軟件計算的TTRF1進氣基準溫度來控制。2.0+燃燒器全程經(jīng)歷擴散燃燒模式（D5）、亞先導預(yù)混燃燒模式（SPPM）、先導預(yù)混模式（PPM）、預(yù)混模式（PM）四種燃燒模式切換，在PM（對應(yīng)負荷200MW）模式前，D5擴散燃燒通道均投用；2.6+燃燒器則在2.0+基礎(chǔ)上增加了亞預(yù)混模式（SPM），在SPM（對應(yīng)負荷120～130MW）模式前，D5擴散燃燒通道均投用。由于擴散燃燒的存在，機組NOX排放大幅升高。

表1　2.0+、2.6+燃燒器燃燒模式切換

2　可見黃煙生成機理

天然氣屬清潔燃料，主要成分為甲烷、乙烷、丙烷等飽和烴氣體，以及少量的高碳分子氣體混合組成，具體成分因產(chǎn)地而異。其燃燒主要產(chǎn)物是CO2和H2O，SO2和煙塵排放量極少，排放的主要污染物為NOX。天然氣等碳氫類氣體燃料火焰中生成的的NOX主要是熱力型NOX和快速型NOX為主，在燃燒溫度高于1650℃以上時NOX生成急劇增加。

燃機啟動過程中NO2生成反應(yīng)如下：

由于燃機啟動過程中需投用D5擴散燃燒通道，而擴散燃燒時燃燒區(qū)的溫度通常高達2000～2200℃以上，造成NO大量生成；同時啟動階段煙氣中氧量較高，以及燃燒不完全而生成的CO、未燃盡碳氫等，均促成NO轉(zhuǎn)NO2的轉(zhuǎn)化率大幅升高，使煙氣中NO2濃度顯著升高。而NO2是一種紅棕色氣體，稀釋后呈黃棕色，燃機啟動過程中的可見黃煙就來自于NO2的高濃度排放。根據(jù)手工監(jiān)測，9FA燃機啟動過程中NO2的峰值可高達150～200mg/m3，而一般煙氣中NO2濃度高于20mg/m3時肉眼即可見黃煙。

3　改造實施與效果

3.1標準型2.6+燃燒器的改造

由于擴散燃燒的存在，標準設(shè)計的DLN2.6+燃燒器在120～130MW前煙囪均可見黃煙。要消除黃煙，必須考慮盡量減少D5通道運行時間。

3.1.1LVE（Low Visible Emission）優(yōu)化改造

LVE是GE控制優(yōu)化產(chǎn)品OpFlex的眾多優(yōu)化功能之一，通過控制軟件升級，提高機組運行靈活性。杭州華電半山發(fā)電有限公司于2014年11月在8號燃機上率先開展了2.6+燃燒器LVE優(yōu)化改造，通過應(yīng)用OpFlex Startup NOx，優(yōu)化燃燒模式，并同步開展了燃機汽機性能測試、啟動調(diào)試與燃燒調(diào)整等工作。考慮軟件優(yōu)化不改動設(shè)備硬件，方案采用了D5短時點火，燃燒穩(wěn)定后快速切換到預(yù)混燃燒模式，以最大限度的接近全預(yù)混燃燒模式。

改造后，燃機控制系統(tǒng)采用了基于模型的先進控制技術(shù)（MBC），其中最典型的是ARES和BCP模型，前者是一個高仿真燃機模型，能實時調(diào)整自己來匹配實際的燃機，主要用于預(yù)測并控制燃機的四個關(guān)鍵參數(shù)：壓氣機排氣壓力、排氣溫度，燃機排氣溫度和燃機負荷；后者用于精確計算汽輪機負荷，這對單軸機組是非常重要的。同時機組的啟動過程燃燒模式有了較大變化，其中模式切換不再采用燃燒基準溫度TTRF1，而是采用由模型生成的CA_CRT信號控制，見表2。

表2　2.6+燃燒器LVE優(yōu)化后燃燒模式切換

3.1.2改造效果

由表2可以看出，LVE優(yōu)化后，D5投用時間僅有1～3min（視透平溫度變化），較優(yōu)化前大幅縮短。從CEMS排放數(shù)據(jù)來看，機組啟動過程中污染物排放明顯下降，NOX排放均值從原來的60mg/m3下降至30mg/m3，峰值也從90mg/m3降至50mg/m3，啟動過程中煙囪未見冒黃煙現(xiàn)象，全程符合國家排放要求。

3.1.3存在問題及建議

半山8號燃機LVE改造后，機組在啟動過程升速至50%額定轉(zhuǎn)速時，曾發(fā)生排氣分散度大和個別火焰筒熄火事件?？赘Q檢查各燃燒噴嘴供氣管路和火焰筒均無燒損和堵塞現(xiàn)象。研究與實踐表明，天然氣預(yù)混燃燒存在乏氣熄火和富氣熄火兩個邊界，當機組轉(zhuǎn)速接近50%額定轉(zhuǎn)速時，邊界最窄，容易出現(xiàn)熄火現(xiàn)象（如圖3所示），因此結(jié)合火焰穩(wěn)定性、燃燒脈動和天然氣熱值、天氣等因素綜合判斷，該事件是由LVE改造后燃料配比不合理引起。由于機組啟動過程中燃料量較少，燃燒穩(wěn)定性處于很窄的邊界范圍內(nèi)，一旦出現(xiàn)天然氣熱值偏低及天氣變化等因素影響就容易出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。

通過上述分析，我們建議根據(jù)運行情況合理調(diào)整啟動過程中的FSR（燃料行程基準）底限值，同時在暖機完成后燃燒模式切換到PM（MODE3）后，適當調(diào)整PM1與PM2燃料的比例以提高火焰穩(wěn)定性，半山公司根據(jù)這一方案適當調(diào)整后已解決該問題，同時由于增加了啟動過程的燃料量，機組升速過程加快，總?cè)剂狭繙p少，提高了機組的經(jīng)濟性。

圖3　預(yù)混燃料熄火邊界示意圖

LVE改造只通過優(yōu)化MARK VIe控制軟件，不改變?nèi)魏稳紵到y(tǒng)的硬件，改造成本低，實施周期短（含性能試驗10d左右），對于使用標準DLN2.6+燃燒器的機組是比較合適的。

3.22.0+燃燒器的改造

DLN2.0+燃燒器無法消除啟動過程中可見黃煙的問題，為此需要進行硬件升級，新一代DLN2.6+燃燒燃燒器，具有寬韋伯指數(shù)的變化（+/-10%），啟動黃煙的減少，NOx排放的減少，全生命周期的成本下降，升級改造可在中修期間完成等優(yōu)點。

3.2.1XD5技術(shù)改造

針對標準型DLN2.6+燃燒器仍存在D5擴散燃燒通道，無法從硬件上根本解決可見黃煙的問題，GE公司參照7F機群DLN2.6燃燒器的設(shè)計，推出了無擴散火焰設(shè)計的DLN2.6+燃燒器—XD5技術(shù)，即在標準型DLN2. 6+燃燒器架構(gòu)基礎(chǔ)上，取消了D5擴散燃燒孔，相較標準型DLN2.6+燃燒器系統(tǒng)，其燃料氣系統(tǒng)僅有PM1，PM2和PM3三路供氣，與2.0+燃燒器的燃料氣系統(tǒng)相仿，為其改造提供了便利。

2015年2月，國華余姚電廠完成了2號燃機DLN2. 0+燃燒器升級改造，在國內(nèi)率先采用無擴散火焰設(shè)計的DLN2.6+燃燒器改造方案。改造更新了所有18個燃燒器硬件，并利用了原有燃料氣回路（PM4，PM1和D5，包括清吹閥和燃料氣調(diào)節(jié)閥），直接與DLN2.6+燃燒系統(tǒng)的PM2，PM1和PM3對接；通過調(diào)整燃氣調(diào)節(jié)閥、改造現(xiàn)有透平間內(nèi)燃氣母管并重新布置現(xiàn)有輔件基座以適應(yīng)燃料氣調(diào)節(jié)閥、放氣閥和管路上的改動，調(diào)整第2、第3燃燒室中火花塞位置與PM2外噴嘴對齊，以適應(yīng)新的燃燒模式運行要求。

表3　XD5 2.6+燃燒器燃燒模式切換

由表3可知，無擴散火焰設(shè)計的DLN2.6+燃燒器有三種常規(guī)運行模式：3、6.2、6.3，其中運行模式3根據(jù)PM1和PM2側(cè)重不同，又可分為3.1，3.2，3.3。改造后其升速控制邏輯為3（3.1，3.3，3.2）→2→3（3.3，3.1）→6.2→6.3，圖4為DLN2.6+燃燒系統(tǒng)運行的常規(guī)時序、LVE時序和全預(yù)混時序。

圖4　DLN2.6+燃燒系統(tǒng)運行的常規(guī)時序、LVE時序和全預(yù)混時序

與LVE優(yōu)化控制的DLN2.6+燃燒器相似，XD5機組啟動過程中也要同時控制天然氣總量及流量分配，天然氣流量由燃燒器噴嘴（PM1、PM2）出口處的當量比決定，燃燒模式切換的時間點或具體流量分配根據(jù)機組的運行情況決定，而由于沒有了D5的參與，點火階段及后續(xù)的模式切換的火焰穩(wěn)定性對燃料的配比要求更高，因此啟動階段參數(shù)的調(diào)試及數(shù)據(jù)監(jiān)測尤為重要。

3.2.2改造效果

改造后，排放符合預(yù)期，從CEMS排放數(shù)據(jù)來看，機組啟動過程中NOX排放均值從原來的近100mg/m3下降至25mg/m3，峰值也從150mg/m3以上降至50mg/m3，啟動全程未見冒黃煙現(xiàn)象，同時全轉(zhuǎn)速后運行穩(wěn)定，性能數(shù)據(jù)和標準DLN2.6+系統(tǒng)一致，并網(wǎng)后燃燒系統(tǒng)無跳機事件。從燃燒系統(tǒng)硬件情況來看，孔窺檢查狀況未見異常，排氣分散度正常，全轉(zhuǎn)速后各項運行數(shù)據(jù)正常。

3.2.3存在的問題及建議

余姚2號燃機燃燒器升級改造后，升速過程中曾出現(xiàn)少數(shù)燃燒室短時（2min）燃燒脈動較高，同時在排氣道附屬部件上出現(xiàn)1min左右的低頻振動現(xiàn)象。分析原因為機組啟動過程中燃燒穩(wěn)定性較差，建議根據(jù)運行數(shù)據(jù)繼續(xù)優(yōu)化控制參數(shù)，定期進行數(shù)據(jù)分析驗證效果，同時借鑒其他現(xiàn)場經(jīng)驗升級控制邏輯。

XD5 DLN2.6+改造后啟動階段的排放指標略優(yōu)于LVE機組（正常運行時二者水平一致），涉及硬件的改動較大，除了燃料噴嘴的改變，燃料氣模塊中對應(yīng)的燃料閥和清吹管路也有較大的變化，沒有了D5及其清吹管路，啟動階段的故障率大大降低，但相應(yīng)的改造成本較高、實施周期較長，適合于使用了兩個大修周期的DLN2.0+燃燒器機組的改造。

4　結(jié)語

LVE優(yōu)化目前全球已有18臺9FA機組的運行經(jīng)驗，在啟動階段NOX排放得以顯著下降，重點在運行初期需要調(diào)整啟動階段的燃燒控制參數(shù)，建議對標準型2.6+燃燒器采用LVE優(yōu)化，節(jié)約改造成本，降低啟動階段的排放，消除可見黃煙。XD5改造目前全球已有5臺9FA機組的運行經(jīng)驗，啟動最多的機組也有近百次啟動，尤其在采用無擴散火焰設(shè)計的DLN2.6燃燒器的7F機群中已有近八百臺機組的運行經(jīng)驗，因此從應(yīng)用技術(shù)上來說，建議對2.0+燃燒器的改造采用XD5技術(shù)的無擴散火焰設(shè)計DLN2.6+燃燒器，其燃燒穩(wěn)定性會更好，消除黃煙亦更徹底。

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[3]吳革新.大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)叢書（控制系統(tǒng)分冊）[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]GE.Inspection and Maintenance Manual燃機檢修與維護手冊[Z].

Discussion of Yellow Plume Mitigation during 9FA Gas Turbine Starting-up

ZHOU Yang-jun1，PAN Yong-jin2
（1.Huadian Zhejiang Company，Hangzhou 310017，China；2.Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd，Hangzhou 310015，China）

In this article，We intruduced the DLN combustoer，and analyse the reason of Yellow Plume duing 9FA gas turbine starting-up，then analyzed the principle，effect and leftover problems of LVE and XD5，and provide the proposal.

LVE；XD5；DLN2.6+combustor；combustion mode；model based control；yellow plume

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.002

TK477

B

2095-3429（2015）05-0007-04

周楊軍（1975-），男，浙江東陽人，工程師，從事電廠生產(chǎn)管理工作；潘勇進（1978-），男，浙江金華人，本科，高級工程師，從事發(fā)電廠熱控技術(shù)管理工作。

2015-09-11

2015-09-24