EGT 9171E型燃機(jī)低氮燃燒系統(tǒng)改造

葉 文 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院

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EGT 9171E型燃機(jī)低氮燃燒系統(tǒng)改造

葉 文 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院

為滿足新版火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)，對某燃?xì)庹羝?lián)合縮環(huán)機(jī)組進(jìn)行了低氮燃燒系統(tǒng)技術(shù)改造，提高了機(jī)組的環(huán)保性和社會效益。對該低氮改造工程進(jìn)行了介紹。

燃?xì)廨啓C(jī)；低氮系統(tǒng)改造；LEC-III；空氣進(jìn)氣加熱系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

Fund item: Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute Youth Fund （201506047Q）； Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute Fund（201406078J）

武漢漢能電力發(fā)展有限公司沌口燃機(jī)電廠安裝有一套ALSTOM 9171E型燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，燃料為天然氣。2014年7月1日起，國家將全面實施最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。對于以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組要求氮氧化物（NOx）低于50 mg/m3。GE公司早期設(shè)計的燃燒室屬于擴(kuò)散型燃燒室，氮氧化物排放（NOx）無法達(dá)到國家最新的標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上原因，武漢漢能電力發(fā)展有限公司于2014年5月份委托上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院對電廠進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)低氮技術(shù)改造，并于6月中旬調(diào)試成功并投入商業(yè)運行。實踐證明，改造后的系統(tǒng)不僅完全達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，而且為燃機(jī)電廠低氮改造技術(shù)的國產(chǎn)化提供了寶貴經(jīng)驗。文本對該項改造的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹，以供國內(nèi)同類燃機(jī)電廠參考。

1 干式低氮燃燒技術(shù)簡介

燃?xì)廨啓C(jī)排放的尾氣中NOx的來源主要有兩類:（1）空氣中的N2在高溫燃燒過程中被氧化產(chǎn)生的熱力型NOx；（2）燃料中的含氮化合物燃燒產(chǎn)生的燃料型NOx。

燃料在采用標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散燃燒室燃燒時，火焰為擴(kuò)散火焰，火焰表面溫度高于1 650℃，高溫燃燒產(chǎn)生大量的熱力NOx。熱力NOx成為燃機(jī)排放的NOx主要來源，決定NOx生成量的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區(qū)的停留時間和高溫?zé)煔庵醒醯馁|(zhì)量濃度。

研究表明，在燃燒過程中NOx的生成率與火焰溫度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而且與可燃混合物在火焰溫度條件下停留時間近似成線性函數(shù)關(guān)系。對于一定的燃料，燃燒火焰的溫度則是燃料/空氣混合化學(xué)當(dāng)量比的函數(shù)［1］。對于預(yù)混火焰，NOx的最大生成率發(fā)生在化學(xué)當(dāng)量比等于1的地方，此時燃燒火焰的溫度最高。因而，倘若能使燃料與較多的空氣相混合，使其在比較稀釋的濃度下進(jìn)行低溫度的燃燒，就能顯著減少NOx的生成。

基于如上原理設(shè)計干式低NOx燃燒室，把燃料與空氣預(yù)先混合成為均相的、稀釋的可燃混合物，然后以火焰?zhèn)鞑サ姆绞竭M(jìn)行燃燒，火焰的燃燒溫度與燃料/空氣實時摻混比的數(shù)值相對應(yīng)，使得火焰溫度控制低于 1 650℃以下，有效控制NOx的生成。

2 主要改造內(nèi)容

本工程將原來的擴(kuò)散燃燒室改為Alstom公司的LEC-III低氮燃燒室，將原來的天然氣小室、天然氣環(huán)管、輕吹管道、壓縮空氣抽氣管道拆除，在燃料系統(tǒng)中增加了天然氣閥站，天然氣環(huán)管和軟管，以及相關(guān)外圍管道；將DOS系統(tǒng)下GE MarkⅤ控制系統(tǒng)升級為Windows7 系統(tǒng)下Emerson的Ovition控制系統(tǒng)。低氮燃燒改造設(shè)備示意圖見圖1。

圖1 天然氣閥站、環(huán)管、燃燒室示意圖

系統(tǒng)主要改造內(nèi)容包括：

（1）LEC-III燃燒室。

（2）天然氣閥站及外圍管道；

（3）進(jìn)氣抽氣加熱（IBH）系統(tǒng)改造改造；

（4）控制系統(tǒng)升級。

新增系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計，模塊內(nèi)的設(shè)備、儀表、管道等均安裝在公共底盤上，各個模塊之間只需要通過管道連接，避免了大量的工程改造現(xiàn)場工作，占地小，建設(shè)周期短，運行維護(hù)方便。

2.1 LEC-III燃燒室

2.1.1結(jié)構(gòu)和特點

LEC-III燃燒室由端蓋、火焰筒、導(dǎo)流襯套、燃燒室外殼、過渡段、燃料噴嘴、二次燃料噴嘴、連焰管等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 LEC-III的硬件部件（在改造中替換原燃燒室）

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室是一種高溫合金材料制作的燃燒設(shè)備。在整臺燃?xì)廨啓C(jī)中，燃燒時位于壓氣機(jī)和燃機(jī)透平之間，肩負(fù)著以下3項最基本的功能：

（1）使燃料與壓氣機(jī)送來的一部分壓縮空氣，在其中進(jìn)行有效的燃燒；

（2）使由壓氣機(jī)送來的另一部分壓縮空氣與燃燒后形成的燃燒產(chǎn)物均勻地?fù)交?，將其溫度降低到燃?xì)馔钙竭M(jìn)口的初溫水平，以便送到燃機(jī)透平中做功；

（3）控制NOx的生成，使透平的排氣符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。

與GE的DLN1.0相比，LEC-III在文丘里組合件、火焰筒冷卻技術(shù)、第二級燃料噴嘴等方面進(jìn)了技術(shù)改進(jìn)。

2.1.2 LEC-III燃燒原理

LEC-III配套改造適用于現(xiàn)有壓氣機(jī)和透平，壓氣機(jī)和透平外缸不需要做任何改動?，F(xiàn)有機(jī)組是采用擴(kuò)散燃燒系統(tǒng)，而LEC-III是以燃?xì)鉃槿剂线M(jìn)行分級燃燒的系統(tǒng)。機(jī)組負(fù)荷從80%負(fù)荷升至滿負(fù)荷時，處于完全預(yù)混燃燒。分級燃燒是指從開機(jī)點火到升負(fù)荷的整個階段內(nèi)燃燒模式的變換。從啟機(jī)到30%負(fù)荷，此時的燃燒方式屬于擴(kuò)散燃燒，即一級燃燒模式，燃燒反應(yīng)在火焰筒頭部端口處，或稱之為一級燃燒區(qū)。當(dāng)負(fù)荷由30%升至80%時，模式轉(zhuǎn)換至貧-貧模式，即同時存在擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒的混合燃燒，在一級反應(yīng)區(qū)發(fā)生擴(kuò)散燃燒，而在火焰筒中部區(qū)域（稱之為二級燃燒反應(yīng)區(qū)）的是預(yù)混燃燒。緊接著是轉(zhuǎn)換模式，僅在二級反應(yīng)區(qū)穩(wěn)定燃燒，而且一直維持到基本負(fù)荷運行工況都是這樣。最后的模式是預(yù)混模式是100% 的預(yù)混燃燒，即多數(shù)燃料分配給一級燃料噴嘴燃燒，剩下的燃料分配給二級燃料噴嘴燃燒。燃料在一級燃燒區(qū)內(nèi)進(jìn)行預(yù)混，在二級燃燒區(qū)預(yù)混燃燒。

預(yù)混燃燒是在燃燒過程中減少熱力型NOx的關(guān)鍵。燃料和空氣在燃燒反應(yīng)前得到了充分地預(yù)混。因此整個燃燒過程中對于燃料與空氣比率來說，是貧燃料燃燒。此時最高燃燒溫度恰好控制在低于熱力型NOx生成的臨界溫度。

2.2 天然氣閥站及外圍管道

在改造工程中，原有的天然氣小室、環(huán)管與軟管、吹掃空氣管路、液壓油管路、壓縮空氣抽氣管路需要拆除。

圖3 低氮燃燒改造系統(tǒng)示意圖

新增的天然氣燃料系統(tǒng)主要包括天然氣閥站、環(huán)管與軟管、天然氣連接管路、液壓油管路，壓縮空氣抽氣管路等。

2.2.1天然氣閥站

如圖3所示，天然氣閥站與上下游設(shè)備之間通過五根管道相連，分別為天然氣進(jìn)口管道、吹掃空氣進(jìn)口管道、一次燃料管道、二次燃料管道、切換燃料管道。天然氣進(jìn)口管道與上游的前置模塊相連，從上游前置模塊來的天然氣進(jìn)入閥站。天然氣進(jìn)入閥站后，通過3個燃料管道分別進(jìn)入3個環(huán)管。吹掃空氣管道與燃機(jī)內(nèi)的壓氣機(jī)抽氣管道相連，從壓氣機(jī)內(nèi)抽出的壓縮空氣進(jìn)入閥站。

速比閥（SRV-1）和控制閥（GCV-1， 2， 3）共同作用控制燃?xì)廨啓C(jī)總的流量配送。速比閥主要有兩個作用：（1）作為緊急切斷閥，在緊急跳機(jī)或正常停機(jī)時驅(qū)動閥門關(guān)閉，切斷天然氣進(jìn)入燃機(jī)。（2）作為壓力調(diào)節(jié)閥，用來維持已設(shè)定的控制閥入口壓力p2，使該壓力成為透平轉(zhuǎn)速的比例函數(shù)，滿足變工況時對p2的要求。

燃料系統(tǒng)內(nèi)有3個控制閥，燃?xì)饪刂崎y控制環(huán)管到燃燒系統(tǒng)的氣流。GCV1控制一次燃料管路。GCV2控制二次燃料管路。GCV3控制切換燃料管路。天然氣進(jìn)入閥站內(nèi)部，通過速比閥SRV1和三個控制閥GCV1、GCV2、GCV3，分別進(jìn)入三個環(huán)管。

放空閥用于排出管道內(nèi)天然氣。閥站外有2臺風(fēng)機(jī)，用于抽出閥站內(nèi)的危險氣體。清吹閥VA13-1、VA13-2控 制壓縮空氣流量。切換燃料管路只在Lean-Lean到Premix的切換模式下才通燃料。

2.2.2天然氣環(huán)管和軟管及外圍管道

本工程拆除原先的1根天然氣環(huán)管和14根軟管，重新安裝3根環(huán)管和42根軟管。在施工過程中，因為原有的氣缸上下的壓縮空氣抽氣管道與新裝的軟管產(chǎn)生碰撞，需要拆除原有的8 in抽氣管道，并重新設(shè)計新的4 in抽氣管道。燃機(jī)內(nèi)空間很小，改造工程時，新增抽氣管道上的氣液分離器與新增環(huán)管發(fā)生碰撞，給改造工程帶來不小麻煩。今后設(shè)計抽氣管道時，需要考慮原有的氣液分離器的布置，防止發(fā)生氣液分離器與新裝環(huán)管的碰撞。

現(xiàn)場工程改造時，根據(jù)軟管長度定位環(huán)管支座位置，避免過度拉伸與擠壓軟管。環(huán)管分為一次燃料環(huán)管、二次燃料環(huán)管、切換燃料環(huán)管。一次燃料環(huán)管管徑為5in，二次燃料環(huán)管、切換燃料環(huán)管管徑為4in，每個環(huán)管由三段彎管組成。環(huán)管為正14邊形，三段彎管通過法蘭對接。安裝環(huán)管時，先裝底部的環(huán)管，再裝上部的環(huán)管；先安裝大環(huán)管，再安裝小環(huán)管。每根環(huán)管再通過14根軟管連接到燃燒室端蓋上對應(yīng)的燃料噴嘴上。

外圍管道安裝時，應(yīng)先確定3個環(huán)管出口的位置，從這3個出口開始布置外圍的管道，將環(huán)管和閥站連接起來。

2.3 進(jìn)氣抽氣加熱（IBH）系統(tǒng)改造

2.3.1進(jìn)氣加熱在燃燒室預(yù)混燃燒中所起的作用

原有的IBH是防冰凍作用的，當(dāng)環(huán)境溫度低于3℃打開IBH，防止壓氣機(jī)進(jìn)口結(jié)冰。

研究表明，在均相預(yù)混模式下，通過控制燃料與空氣實時摻混比的數(shù)值的控制，使火焰面面的溫度永遠(yuǎn)低于1 650℃，這樣就能控制NOx的生成。

由于燃機(jī)低氮改造，燃機(jī)從以前的擴(kuò)散燃燒方式改為低氮燃燒方式，需要提高IBH中空氣的流量來保證燃機(jī)低氮性能，打開IBH有利于機(jī)組更早的切入預(yù)混燃燒模式。在此項改造工程中，當(dāng)打開IBH時，機(jī)組負(fù)荷達(dá)到50%就可以切換為預(yù)混燃燒模式；關(guān)閉IBH時，組負(fù)荷達(dá)到80%才可以切換為預(yù)混燃燒模式。更早的切換為預(yù)混燃燒模式，有利于降級NOx排放。

在低氮模式下時，需要增大IBH抽氣的流量，最大達(dá)到壓氣機(jī)排氣流量的5%，原有的抽氣流量過小，所以本工程對IBH系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2.3.2進(jìn)氣抽氣加熱系統(tǒng)（IBH）

如圖4所示，該系統(tǒng)由手動進(jìn)口隔離閥、氣動控制閥、氣動排污閥、進(jìn)氣抽氣加熱控制閥、壓力傳感器、溫度傳感器以及控制閥的氣動控制回路組成［3］。

圖4 新增閥門系統(tǒng)圖

將壓氣機(jī)排氣溫度信號CTD作為進(jìn)口抽氣加熱空氣流的溫度，同時由96BH-1/2壓力變送器可以測量出VA20-1控制閥 的進(jìn)口壓力和壓力降。根據(jù)這些參數(shù)，以及利用制造廠提供的調(diào)節(jié)閥流量特性曲線，可以計算出不同閥門行程時的質(zhì)量流量。而控制閥的進(jìn)口壓力和壓力降又是壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉函數(shù)。精心設(shè)計的調(diào)節(jié)閥閥門型線，可以確保壓氣機(jī)抽氣流量是進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉IGV開度的單值函數(shù)，呈線性關(guān)系。

抽氣的流量最大可以控制5%的壓氣機(jī)流量。進(jìn)氣抽氣加熱控制閥VA20-1調(diào)節(jié)壓氣機(jī)出口抽氣的流量，并且將抽氣引入位于壓氣機(jī)進(jìn)氣流道中的母管加熱進(jìn)氣。

為了在應(yīng)急的情況下能快速打開控制閥，在系統(tǒng)中設(shè)計了控制閥快速開啟回路。當(dāng)I/P轉(zhuǎn)換器向氣動執(zhí)行器輸入4 mA電流或20TH-1失電時，流向快速開啟回路的VA40-1和VA42-1閥放空，迅速把控制閥開啟。

2.3.3抽氣加熱系統(tǒng)閥門的改造

本次改造中，將原有手動隔離閥、氣動控制閥、手動排污閥拆除，新增手動隔離閥、氣動控制閥、氣動排污閥。之前的進(jìn)氣抽氣加熱控制閥為6 cm，現(xiàn)在的氣動控制閥為8 cm，管道的通流面積從6 cm增加到8 cm，IBH抽氣量提高。由于新增的控制閥重1T，需要單獨建造基礎(chǔ)及支撐架支撐閥門。與之前的手動排污閥相比，新增的氣動排污閥操作、可靠。

2.3.4抽氣加熱系統(tǒng)支管改造。

圖5 改造后支管圖

因為需要增加燃機(jī)入口的進(jìn)氣流量，所以就要增加支管的消音器數(shù)目，如圖5所示。通過計算，支管上需要將消音器數(shù)量翻倍。圖中支管上光亮的消音器為新增的，其余的為之前的消音器。IBH系統(tǒng)在燃機(jī)空氣進(jìn)氣口通過一個氣體母管將氣體分給20個支管，支管分為上下兩層，每層有10個支管。

2.4 控制系統(tǒng)升級

原有的DOS系統(tǒng)下GE Mark Ⅴ控制系統(tǒng)沒有低氮控制程序，而且DOS下GE Mark Ⅴ控制程序操作非常不方便。因此，將Mark Ⅴ控制系統(tǒng)升級為Windows7 系統(tǒng)下Emerson的Ovition控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)設(shè)置方便靈活。

Ovation系統(tǒng)是集過程控制及企業(yè)管理信息技術(shù)為一體的融合先進(jìn)的計算機(jī)與通信技術(shù)于一身的典范。其采用了高速度、高可靠、高開放性的通信網(wǎng)路，具有多任務(wù)、多數(shù)據(jù)采集的控制能力。

作為控制中心，控制器采用冗余的控制器；各控制器中又各有一對冗余網(wǎng)線連接到冗余的交換機(jī)；工作站也是通過冗余網(wǎng)線與交換機(jī)相連。工作站含操作員站、工程師站、歷史站、OPC站及其他功能站。

為了實現(xiàn)不同的控制功能對執(zhí)行速度的不同要求，Ovation可以設(shè)置5個不同的任務(wù)區(qū)，第一任務(wù)區(qū)時間為100 ms，第二任務(wù)區(qū)時間為1 000 ms，后面3個任務(wù)區(qū)時間可以根據(jù)需要設(shè)定（設(shè)定范圍：10 ms～30 s）。Ovation控制系統(tǒng)為達(dá)到9E燃機(jī)控制要求，使用了第二任務(wù)區(qū)（1 000 ms）、第三任務(wù)區(qū)（10 ms）、第四任務(wù)區(qū)（150 ms）。第二任務(wù)區(qū)（1 000 ms）主要實現(xiàn)以下功能： IGV（壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉）、SRV閥（燃?xì)馑俦乳y）、GCV1-3閥（燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥）等的控制第三任務(wù)區(qū)（10ms）主要實現(xiàn)以下功能： P2壓力控制第四任務(wù)區(qū)（150ms）主要實現(xiàn)以下功能：順序控制系統(tǒng)燃料主控系統(tǒng)IGV、IBH（壓氣機(jī)入口抽氣加熱）控制保護(hù)系統(tǒng)。

3 結(jié)語

該機(jī)組經(jīng)改用LEC-III燃燒系統(tǒng)后，根據(jù)驗收階段環(huán)保局測試得出：燃機(jī)NOx排放體積分?jǐn)?shù)小于10 ppm，完全滿足我國2014年7月開始實行的燃用天然氣燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組NOx排放體積分?jǐn)?shù)小于50 mg/m3（約24.3 ppm）的要求。

［1］ 焦樹建. 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 清華大學(xué)熱能工程系動力機(jī)械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司.燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］章素華，吳革新，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)［M］.中國電力出版社，2013：65-69.

EGT 9171E Type Combustion Engine Low Nitrogen Combustion System Renovation

Ye Wen Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute

In order to meet new edition thermal power plant air pollution emission standards， low nitrogen combustion system technology renovation has been done in some gas steam combined cycle unit. The article introduces low nitrogen renovation engineering and its environment protection value and social benefits.

Gas Turbine，Low Nitrogen System Renovation，LEC III，Inlet Air Heating System，Control System

上海成套院青年基金（201506047Q）；上海成套院院基金（項目編號201406078J）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.014

葉文：（1986-），男，工程師，研究方向，主要從事燃燒室數(shù)值模擬仿真，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)低氮改造，燃?xì)廨啓C(jī)輔助系統(tǒng)研制等方面的研究。