燃?xì)廨啓C(jī)天然氣校正沃伯指數(shù)公式優(yōu)化

賴曉華， 彭曉燕

(東莞市粵灣新能源有限公司，廣東 東莞 523220)

大型9F級燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)(Inlet Bleed Heating，IBH)經(jīng)常自動投入運(yùn)行，燃?xì)廨啓C(jī)邏輯中的沃伯指數(shù)公式計(jì)算值保持不變。具體的如在冬季環(huán)境溫度5 ℃，PG9351FA燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行負(fù)荷降至295 MW，IBH打開控制閥，以有利于穩(wěn)定燃燒，通過提高壓氣機(jī)排氣溫度來改善預(yù)混區(qū)溫度，擴(kuò)展預(yù)混燃燒區(qū)域[1-2]。工況在變化但燃?xì)廨啓C(jī)邏輯的沃伯指數(shù)計(jì)算值保持不變，這和實(shí)際沃伯指數(shù)將產(chǎn)生偏差，不能真實(shí)反映燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒工況。原因在于燃?xì)廨啓C(jī)邏輯中的計(jì)算沃伯指數(shù)公式未能體現(xiàn)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度(指壓氣機(jī)進(jìn)口喇叭處溫度)變化對燃燒工況的影響，特別對于預(yù)混燃燒工況影響。

當(dāng)環(huán)境溫度變化較大，引起重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒工況不穩(wěn)定，甚至須要做燃燒調(diào)整。新建燃?xì)廨啓C(jī)電廠在燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口設(shè)置進(jìn)氣加熱系統(tǒng)，或舊燃?xì)廨啓C(jī)電廠技術(shù)改造也在壓氣機(jī)入口設(shè)置進(jìn)氣加熱系統(tǒng)[3]。燃?xì)廨啓C(jī)邏輯中沃伯指數(shù)計(jì)算公式不能真實(shí)反映環(huán)境溫度變化或進(jìn)氣加熱時(shí)的沃伯指數(shù)變化，不能真實(shí)反映燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒工況。通過優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)邏輯中沃伯指數(shù)計(jì)算公式，優(yōu)化后新公式能正確反映環(huán)境溫度變化或進(jìn)氣加熱時(shí)的沃伯指數(shù)變化，且新公式對現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行和燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)也有幫助。

1 校正沃伯指數(shù)公式局限性分析

目前國內(nèi)外燃?xì)饣Q性判斷方法主要有華白指數(shù)法、美國燃?xì)鈪f(xié)會指數(shù)判定法、韋弗指數(shù)法、法國德爾布法、燃燒特性判定法。這些方法各有利弊，而GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃伯指數(shù)計(jì)算方法》對沃伯指數(shù)定義是在規(guī)定參比條件下體積高位發(fā)熱量除以在相同的規(guī)定計(jì)量參比條件下的相對密度的平方根。其表達(dá)式為：

(1)

式中：W為沃泊指數(shù)，或稱熱負(fù)荷指數(shù)，MJ/m3；H為燃?xì)飧邿嶂?，MJ/m3；d為燃?xì)庀鄬γ芏?設(shè)空氣相對密度等于1)。以上方法是針對大氣式燃燒方式提出的，有各自適應(yīng)性和局限性，參與反應(yīng)的燃料與空氣溫度未在公式(1)體現(xiàn)[4-7]。同樣分析燃?xì)廨啓C(jī)天然氣校正沃伯指數(shù)公式是否存在類似局限的問題。以下進(jìn)一步分析燃?xì)廨啓C(jī)天然氣校正沃伯指數(shù)公式各影響因素。

GE公司DLN2.0+燃燒系統(tǒng)的天燃?xì)馕植笖?shù)表達(dá)式為 ：

(2)

式中：Wmi為校正沃伯指數(shù)；Hlv為氣體燃料的低位熱值，在GE程序中表述為KFG_LHV，為英熱單位；Sg為氣體燃料對干空氣的相對密度，在程序中表述為FQKGSG，是無量綱；R為蘭氏度換算常數(shù);Tfg為性能加熱器加熱后的天然氣溫度，℉，在程序中表述為性能加熱器加熱后的天然氣溫度FTG。對應(yīng)的邏輯模塊如圖1所示。

圖1 修正沃伯指數(shù)算法模塊

程序表達(dá)式中：G1KFG_LHV=34.843 MJ/m3，對于DLN2.0+燃燒器未實(shí)現(xiàn)燃燒在線自動調(diào)整，所以將天然氣物性作定值處理；程序模塊中G1FTG 為性能加熱器加熱后天然氣溫度, ℉；G1RANKINE=459.6 ,換算為蘭氏度一個常數(shù)；G1FQKGSG=0.587 494，為天然氣相對密度，作常數(shù)處理；G1VFGW為沃伯指數(shù)輸出值。

由公式(1)與公式(2)對比發(fā)現(xiàn)，隨天然氣利用終端多樣化，針對均相預(yù)混燃燒模式，燃料氣溫度對預(yù)混通道內(nèi)均相混合物溫度產(chǎn)生重大影響，因此公式(2)增加Tfg影響因素。從沃伯指數(shù)計(jì)算邏輯圖1得出，計(jì)算沃伯指數(shù)三個參數(shù)中，只有天然氣溫度是實(shí)時(shí)變化，天然氣低位熱值、天然氣相對密度均為定值，因此公式(2)只有Tfg是變量，則該沃伯指數(shù)變化值并不能實(shí)時(shí)反應(yīng)天然氣品質(zhì)變化。和公式(1)比較，校正沃伯指數(shù)Wmi引入天然氣溫度Tfg，一定程度上包含燃料密度因素影響，因?yàn)楣?2)中相對密度用的是常數(shù)，Tfg用來衡量進(jìn)入燃燒器相對能量，在Wmi允許數(shù)值范圍內(nèi)可以保證燃?xì)廨啓C(jī)在不同負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃燒器噴嘴壓比[8-11]。因此公式(2)適用于燃料氣穩(wěn)定、環(huán)境溫度變化不太大，一般在-10 ℃～ +10℃范圍內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷穩(wěn)定在高負(fù)荷運(yùn)行的情況。當(dāng)環(huán)境溫度有較大變化，須要燃燒調(diào)整時(shí)，或低負(fù)荷運(yùn)行投入進(jìn)氣加熱系統(tǒng)時(shí)，壓氣機(jī)實(shí)際進(jìn)氣溫度(由Tcim表示)變化，進(jìn)入燃燒器相對能量一定發(fā)生變化，公式(2)不能反應(yīng)這種變化。公式(2)中只要Tfg不變則Wmi計(jì)算值不變，此時(shí)一般通過燃燒監(jiān)測系統(tǒng)的壓力脈動指標(biāo)、加速度指標(biāo)來判斷機(jī)組運(yùn)行情況，而Wmi計(jì)算值參考意義不大。這是常規(guī)校正沃伯指數(shù)公式的局限性。

2 引入Tcim的W新mi計(jì)算公式

由于壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度對預(yù)混燃燒有影響，Wmi計(jì)算公式需要引入變量Tcim。根據(jù)PG9351FA燃?xì)廨啓C(jī)典型啟動曲線在低負(fù)荷燃燒預(yù)混前，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)排氣溫度(由CTD表示)，其數(shù)值同天然氣加熱后溫度Tfg不相等，且壓氣機(jī)排氣溫度通常在300 ℃左右，燃?xì)廨啓C(jī)在低于25%負(fù)荷時(shí)Tfg在100～140 ℃[12]。根據(jù)沃伯指數(shù)公式，采用天然氣加熱后溫度Tfg，而不是CTD數(shù)值，體現(xiàn)天然氣物性在燃燒中主導(dǎo)影響因素。但是在低負(fù)荷IBH運(yùn)行時(shí)，Tcim有一定提升，通常溫升10～19 ℃，那么在預(yù)混通道，較高溫的壓縮空氣對預(yù)混天然氣有更好加熱作用，有利化學(xué)反應(yīng)速度的提高；另一方面IBH再循環(huán)運(yùn)行會分流部分壓縮空氣，這都有利于均相預(yù)混，顯然公式(2)校正沃伯指數(shù)表達(dá)式只體現(xiàn)天然氣加熱后溫度，未體現(xiàn)IBH對空氣加熱影響，而這影響最終反應(yīng)到壓氣機(jī)排氣壓力(由CPD表示)、排氣溫度變化上。根據(jù)壓氣機(jī)特性，CPD、CTD直接受Tcim影響，通常壓氣機(jī)進(jìn)口溫升ΔTcim的升高值約等于CTD的升高值。另外公式(2)引入天然氣溫度，只考慮燃料密度因素影響，未考慮空氣密度變化影響，所以應(yīng)當(dāng)考慮Tcim對組織均相預(yù)混燃燒的影響，且考慮這種影響主要發(fā)生在低負(fù)荷或環(huán)境溫度有較大變化的情況。

Tcim與環(huán)境溫度Taid相關(guān)聯(lián)。當(dāng)IBH退出運(yùn)行時(shí)，環(huán)境溫度Taid與Tcim相等。若機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境溫度恰好等于設(shè)計(jì)環(huán)境溫度，在公式中表示為Taid設(shè)計(jì)，此時(shí)機(jī)組燃燒工況在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度下正常運(yùn)行，當(dāng)投入IBH運(yùn)行，因?yàn)檫M(jìn)氣被加熱，穩(wěn)定情況下Taid將小于Tcim，故引入并定義ΔTcim為投入進(jìn)氣加熱系統(tǒng)IBH后Tcim與機(jī)組設(shè)計(jì)環(huán)境溫度Taid設(shè)計(jì)的差值，即ΔTcim=Tcim-Taid設(shè)計(jì)，通常壓氣機(jī)進(jìn)口溫升ΔTcim升高多少，CTD將相應(yīng)升高ΔTcim，因此一種更合理反應(yīng)校正沃伯指數(shù)變化趨勢的新公式為：

(3)

式中：W新mi是一種校正沃伯指數(shù)，同公式(2)的校正沃伯指數(shù)比較，在公式(3)分母中有壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度與機(jī)組設(shè)計(jì)環(huán)境溫度的差值因素。W新mi是包含了燃料氣溫度、壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度，能更合理反應(yīng)燃燒工況及變化趨勢的校正沃伯指數(shù)。

2.1 驗(yàn)證公式(3)

方法1：參照現(xiàn)場實(shí)際的ΔTcim代入公式(3)所得W新mi與設(shè)計(jì)值比較，發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷下投入IBH有利于校正沃伯指數(shù)接近設(shè)計(jì)值，這和IBH功能擴(kuò)大預(yù)混燃燒范圍相符合。具體分析如下。

晉江氣電設(shè)計(jì)值的Wmi=42.896 ，在部分負(fù)荷先導(dǎo)預(yù)混PPM模式Tfg=130 ℃，根據(jù)公式(2)計(jì)算Wmi= 45.291，與設(shè)計(jì)值42.896偏差5.59%。而實(shí)際IBH系統(tǒng)在運(yùn)行，利用公式(3)計(jì)算，ΔTcim要換算為華氏度,當(dāng)差值ΔTcim=5 ℃，則計(jì)算W新mi=45.013，與設(shè)計(jì)值42.896偏差4.93%；當(dāng)差值ΔTcim=10 ℃，則計(jì)算W新mi=44.739，與設(shè)計(jì)值42.896偏差4.3%；當(dāng)差值ΔTcim=19 ℃，計(jì)算W新mi= 44.26 ，與設(shè)計(jì)值42.896偏差3.18%。實(shí)際情況也是投入IBH運(yùn)行對燃燒有好處，也驗(yàn)證引入ΔTcim的W新mi變化趨勢修正公式(3)正確，此公式更合理體現(xiàn)IBH對低負(fù)荷下均相預(yù)混燃燒有幫助。另外高負(fù)荷時(shí)IBH退出，則Tcim=Taid，當(dāng)Taid=Taid設(shè)計(jì)，則ΔTcim=0，也就是常規(guī)當(dāng)量沃伯指數(shù)公式(2)。公式(3)計(jì)算表明在5 ℃進(jìn)氣溫升對預(yù)混燃燒產(chǎn)生積極影響，說明低負(fù)荷均相預(yù)混可燃混合物可燃性極限范圍較狹窄[13]。實(shí)際機(jī)組從95%額定轉(zhuǎn)速開始至約70%額定負(fù)荷，投入IBH加熱壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度，也驗(yàn)證IBH是配合Tfg滿足校正沃伯指數(shù)要求[14]。表1更直觀說明公式(3)能正確反映不同工況下燃?xì)廨啓C(jī)的校正沃伯指數(shù)變化情況。

表1 不同工況下燃?xì)廨啓C(jī)的 校正沃伯指數(shù)變化情況

表1說明在燃?xì)廨啓C(jī)PPM模式Tfg=130 ℃ ，公式(2)的Wmi和壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度無關(guān)，所以Wmi不變。公式(3)W新mi和壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度有關(guān)，進(jìn)氣加熱使得W新mi靠近設(shè)計(jì)值。

另外當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)80%以上高負(fù)荷時(shí)，IBH退出運(yùn)行，Tcim=Taid，在預(yù)混PM模式，Tfg=175 ℃～185 ℃時(shí)，若機(jī)組設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為25 ℃，實(shí)際環(huán)境溫度0 ℃時(shí)，則計(jì)算ΔTcim=-25 ℃。按公式(2)計(jì)算Wmi=42.485～42.957，其與設(shè)計(jì)值偏差-0.96%～0.14%。按公式(3)計(jì)算W新mi=44.208～43.694，其與設(shè)計(jì)值偏差1.86%～3.06%，此偏差值大于公式(2)結(jié)果，說明公式(3)反映環(huán)境溫度對沃伯指數(shù)的影響，真實(shí)反映燃燒情況。因此公式(3)全面包含影響沃伯指數(shù)的各種因素，包括壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度的影響。

方法2：通過TTRF1經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證。TTRF1 稱為燃燒基準(zhǔn)溫度，燃燒模式的轉(zhuǎn)換是依靠它來完成的，它由DLN2.0+控制軟件計(jì)算獲得。其計(jì)算方程是平均燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度 TTXM、壓氣機(jī)排氣壓力CPD 和壓氣機(jī)進(jìn)口喇叭處溫度的函數(shù)。這樣計(jì)算求得的燃燒基準(zhǔn)溫度并不是表示實(shí)際機(jī)組的進(jìn)氣火焰平均溫度，而僅僅是燃燒配氣模式和燃料分流過程控制的一個基準(zhǔn)溫度，它和燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷存在對應(yīng)關(guān)系。

GE公司早期的控制系統(tǒng)中TTRF1(公式中用TTRF1表示)經(jīng)驗(yàn)公式為：

TTRF1=TTXM×TTKRn_F1+TTKRn_F4+(CPD+TTKAPC)×TTKRn_F2+Tcim×TTKRn_F3

(4)

式中:TTXM為透平排氣溫度，℉；CPD為壓氣機(jī)出口壓力；Tcim為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度，℉；TTKAPC表示壓氣機(jī)進(jìn)口壓力修正參數(shù)；TTKRn_F1、TTKRn_F2、TTKRn_F3、TTKRn_F4表示相應(yīng)的4個經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)，計(jì)算出TTRF1量綱為美制單位，℉[16]。從公式(4)分析，機(jī)組啟動過程當(dāng)IBH投入，Tcim上升，而燃?xì)廨啓C(jī)同一負(fù)荷下CPD將略有下降，并實(shí)現(xiàn)IBH擴(kuò)大預(yù)混燃燒的功能。相對高溫環(huán)境，則TTRF1更快達(dá)到全預(yù)混切換要求，盡快切換DLN模式運(yùn)行，降低NOx排放。即相對高溫環(huán)境起到IBH作用，能縮短IBH運(yùn)行時(shí)間，提高部分負(fù)荷機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。可見環(huán)境溫度對TTRF1影響驗(yàn)證公式(3)有效。公式(3)表明ΔTcim上升將減小低負(fù)荷校正沃伯指數(shù)與設(shè)計(jì)值偏差，這說明低負(fù)荷壓氣機(jī)進(jìn)氣加熱很重要，這解釋了為什么GE重型燃?xì)廨啓C(jī)須要配置進(jìn)氣加熱IBH系統(tǒng),公式(3)解釋IBH是DLN2.0+燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定器。

2.2 公式(3)應(yīng)用

應(yīng)用1，Tfg、Tcim、CTD在開機(jī)過程中對校正沃伯指數(shù)的變化關(guān)系，說明公式(3)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。表2是2020年8月12日晉江氣電冷態(tài)開機(jī)過程相關(guān)參數(shù)情況，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室由DLN2.0+升級為DLN2.6+。若機(jī)組設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為25 ℃，則得到一組ΔTcim數(shù)值，從表2中可以得到趨勢：從并網(wǎng)到極低負(fù)荷，再逐步升負(fù)荷過程，相對應(yīng)Tfg逐步升到正常運(yùn)行值170 ℃左右；另一方面在升負(fù)荷過程投入進(jìn)氣加熱，Tcim達(dá)峰值后逐漸減小過程，其中公式(3)W新mi值能反應(yīng)進(jìn)氣加熱的功能，解釋為什么需要進(jìn)氣加熱，即有進(jìn)氣加熱時(shí)W新mi值更趨向沃伯指數(shù)要求范圍，隨負(fù)荷增加，Tcim達(dá)峰值后逐漸減小，相應(yīng)壓氣機(jī)排氣溫度由359.7 ℃增加至381.8 ℃，同時(shí)Tfg升高達(dá)到預(yù)混溫度時(shí)需接近170 ℃的要求，從而沃伯指數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)范圍要求，進(jìn)氣加熱逐步退出。公式(2)Wmi無法反應(yīng)進(jìn)氣加熱功能，所計(jì)算Wmi失真，并綜合考慮天然氣色譜儀可靠性，因此現(xiàn)場邏輯：L3FGW_PREM即機(jī)組運(yùn)行在PM模式下沃伯指數(shù)低于允許值，機(jī)組自動減負(fù)荷至PPM，此邏輯現(xiàn)場只投報(bào)警。

表2 公式(3)正確反映開機(jī)過程燃?xì)廨啓C(jī)的校正沃伯指數(shù)變化情況

應(yīng)用2，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室DLN2.0+ 機(jī)組在夏季進(jìn)行燃燒調(diào)整，在冬季還須要進(jìn)行燃燒調(diào)整，這是公式(3)的要求。因?yàn)槿魴C(jī)組設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為25 ℃，實(shí)際環(huán)境溫度0 ℃時(shí)，則計(jì)算ΔTcim=-25 ℃，按公式(3)計(jì)算W新mi與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生較大偏差，須燃燒調(diào)整。公式(2)Wmi與環(huán)境溫度無關(guān)，不須要燃燒調(diào)整，這和實(shí)際不相符。

應(yīng)用3，公式(3)提供進(jìn)氣加熱限值的依據(jù)。目前進(jìn)氣加熱系統(tǒng)除IBH模式，還可以有其他模式如和熱水換熱模式[17]，通過公式(3)，輔助確定燃?xì)廨啓C(jī)熱水型換熱的進(jìn)氣加熱系統(tǒng)的最佳進(jìn)氣溫度。表3是9FB機(jī)型進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)專題報(bào)告中部分?jǐn)?shù)據(jù)，由余熱鍋爐提供熱水加熱燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣，表3中最佳進(jìn)氣溫度即經(jīng)過熱水加熱后進(jìn)氣溫度，該溫度值代入公式(3)所得值應(yīng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，說明進(jìn)氣加熱的溫度不是越高越好。

表3 燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷優(yōu)化數(shù)據(jù)匯總表

3 公式(3)推論意義

由公式(3)可以推導(dǎo)出：

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)在啟動過程或低負(fù)荷下，由于Tfg的值較低，可適當(dāng)提高ΔTcim值，以盡量維持沃伯指數(shù)在允許范圍內(nèi)，此時(shí)IBH的作用類似燃煤機(jī)組的空氣預(yù)熱器系統(tǒng)，首次從數(shù)學(xué)公式上解釋GE公司制造的燃?xì)廨啓C(jī)為什么設(shè)置進(jìn)氣加熱系統(tǒng)，而其他機(jī)組如日本三菱機(jī)型沒有進(jìn)氣加熱，須要擴(kuò)散燃燒來穩(wěn)燃。

(2) 當(dāng)燃料氣質(zhì)變化較大時(shí)，可調(diào)整Tfg或ΔTcim，以盡量維持沃伯指數(shù)在允許范圍內(nèi)。同樣的原理對其它機(jī)型設(shè)計(jì)也有幫助，目前各機(jī)型如西門子、三菱等也逐步增加設(shè)計(jì)天然氣加熱的性能加熱器、進(jìn)氣加熱等系統(tǒng)。

(3) 公式(3)同樣適用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)，對空氣的冷卻溫度有要求，須滿足沃伯指數(shù)要求。

(4) 進(jìn)氣加熱系統(tǒng)除IBH模式，還可以有其他模式如和熱水換熱模式。公式(3)提供進(jìn)氣加熱限值的依據(jù)。

(5) 帶有進(jìn)氣加熱的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)有更強(qiáng)更靈活的低負(fù)荷運(yùn)行能力。

4 結(jié)語

9F級燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，為提高部分負(fù)荷下燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行安全、靈活性，各燃?xì)廨啓C(jī)制造廠家逐步增加天然氣加熱的性能加熱器、進(jìn)氣加熱等系統(tǒng)。公式(3)是包含了燃料氣溫度、壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度，能全面合理反映燃燒工況，全面合理反映校正沃伯指數(shù)變化趨勢，對生產(chǎn)運(yùn)行及機(jī)組設(shè)計(jì)有幫助，值得推廣。