燃氣輪機燃燒脈動監(jiān)視與控制措施

宦 林

(江蘇國信高郵熱電有限責(zé)任公司，江蘇 揚州 225600)

燃燒是燃料和氧化劑之間的化學(xué)反應(yīng)，以熱的形式釋放大量能量。現(xiàn)代燃氣輪機在追求燃氣輪機效率的同時，采用DLN燃燒器及燃料預(yù)混燃燒以滿足排放要求[1]。預(yù)混燃燒是一種不夠穩(wěn)定的燃燒方式，并且DLN燃燒器也容易受到局部的燃料空氣比變化的影響，導(dǎo)致燃燒過程中局部火焰溫度的變化，火焰區(qū)內(nèi)容易產(chǎn)生由聲波、流體和放熱之間相互作用引起的振蕩現(xiàn)象，稱為熱不穩(wěn)定性或燃燒脈動。燃燒脈動會造成熱量和壓力的大幅波動，使系統(tǒng)整體性能下降并降低燃燒室的使用壽命。嚴(yán)重超限的高頻壓力波動會直接導(dǎo)致熱部件損壞，而低頻的壓力波動則會造成熄火，影響機組安全運行。燃機燃燒脈動作為監(jiān)視燃機燃燒穩(wěn)定性的重要技術(shù)手段，GE、西門子等大型燃機供應(yīng)商不斷研發(fā)改進[2]。本文通過對GE公司F級燃氣輪機的燃燒脈動監(jiān)視原理與控制策略的分析，指導(dǎo)現(xiàn)場技術(shù)人員監(jiān)視燃燒脈動以及在脈動超過報警限值時分析查找原因，采取相應(yīng)措施降低燃燒脈動，避免燃燒脈動引起燃機燃燒不穩(wěn)或硬件損壞。

1 燃料控制系統(tǒng)

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組采用GE公司F級燃氣輪機，采用SPEEDTRONIC燃氣輪機控制盤、Mark VIe一體化控制系統(tǒng)，燃氣輪機配置DLN2.6燃燒系統(tǒng)，天然氣經(jīng)過濾器過濾后至速比閥(SRV)，速比閥主要作用調(diào)節(jié)穩(wěn)定天然氣壓力和停機快速關(guān)閉。速比閥后連接GCV1、GCV2、GCV3、GCV4燃料控制閥，燃機控制系統(tǒng)通過燃料控制閥分別控制PM1、PM2、PM3和Quat通道燃料量，由圖1所示，單一燃燒器典型布置為5個外圍燃料噴嘴和1個中心燃料噴嘴，中心燃料噴嘴確保了在較廣條件下燃燒的穩(wěn)定性，外圍一圈Q型噴嘴在全預(yù)混燃燒階段提升燃燒穩(wěn)定性[3]。

圖1 DLN2.6燃燒器型式

2 燃燒脈動

燃燒脈動監(jiān)測壓力傳感器安裝在燃燒器側(cè)部[4]，用于測量燃燒區(qū)域壓力變化，燃燒脈動監(jiān)測系統(tǒng)(CDM)測量監(jiān)視每個單獨燃燒器內(nèi)燃燒脈動值，對燃燒室內(nèi)壓力波動以及殼體振動進行連續(xù)不斷地監(jiān)測，用以準(zhǔn)確和及時發(fā)現(xiàn)燃燒故障。如圖2所示，燃燒區(qū)域壓力隨著火焰燃燒其幅度不斷變化，CDM系統(tǒng)將壓力傳感器采集到的隨時間變化的燃燒脈動壓力信號轉(zhuǎn)換為不同頻率段的脈動壓力信號，生成的頻譜被分為多個頻率段，如圖3所示。每一個頻率段內(nèi)最大脈動壓力記錄作為該頻率段的脈動幅度。

圖2 燃燒脈動測量

圖3 燃燒脈動頻率分類

燃燒火焰邊緣的低預(yù)混火焰產(chǎn)生的低頻脈動稱為熄火(PK0)頻段，在燃機實際運行中這種燃燒脈動一般不會造成硬件損壞。在預(yù)混燃燒模式下，燃燒脈動主要劃分為低(L)、中(M)和高(H)頻率段，也依次稱為尖峰1(PK1)、尖峰2(PK2)和尖峰3(PK3)頻率，大多數(shù)硬件損壞均是由這些頻段造成的。燃燒脈動控制系統(tǒng)主要監(jiān)控低(PK1)、中(PK2)和高(PK3)脈動，燃機硬件損壞主要由這些頻率段的脈動造成。橫向(T)脈動頻率主要集中在約1000 Hz，這種脈動總是存在于燃燒器中，但往往振幅較低，不會造成燃燒器硬件損壞。尖峰(S)脈動具有更高的頻率，其頻率通常大于1500 Hz。見圖3。

高燃燒脈動會導(dǎo)致燃燒部件損壞，導(dǎo)致機組非計劃停運以修復(fù)或更換損壞的部件。高燃燒脈動造成的輕微損傷包括過渡段或燃燒套筒上產(chǎn)生小裂紋，燃機運行過程中一般不易發(fā)現(xiàn)，需要待停機或者檢修時檢查，要求現(xiàn)場人員在燃機運行過程中加強燃機煙氣排放、火檢、燃燒脈動、排氣溫度及分散度等參數(shù)監(jiān)視，燃燒參數(shù)明顯變化且在可接受范圍內(nèi)允許短時運行，但需盡快停機檢查并準(zhǔn)備好相關(guān)備品備件。

高燃燒脈動不僅會導(dǎo)致燃燒器硬件的嚴(yán)重?fù)p傷或脫落，脫落的部件會造成下游的熱通道組件異物損壞(FOD)，而且高燃燒脈動也會引起燃燒器下游透平部件中的空氣流發(fā)生規(guī)律或不規(guī)律性波動，并產(chǎn)生相對運動，進一步造成硬件局部故障損傷，這些損傷會直接導(dǎo)致燃燒、振動等參數(shù)異常機組非計劃停運，因此燃燒部件出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞跡象時必須立即停機更換。

3 高燃燒脈動產(chǎn)生的原因

3.1 燃機啟動初期脈動高

如圖4所示，橫坐標(biāo)為燃料空氣比，自左向右比率逐漸上升，當(dāng)燃機啟動點火時此時燃料較少，空氣量大，對應(yīng)燃料空氣比值小，隨著燃機增加燃料量暖機升速，低頻脈動逐漸升高，當(dāng)燃料空氣比大概在0.5時，低頻脈動達到峰值，隨著燃機燃料繼續(xù)增加，低頻脈動逐漸降低。燃料空氣比在0.53～0.6范圍內(nèi)作為穩(wěn)定區(qū)，控制燃燒脈動、NOx排放在最優(yōu)穩(wěn)定范圍。

圖4 燃料空氣比與脈動關(guān)系

3.2 燃機自動燃燒調(diào)整失靈

燃機全速并網(wǎng)后燃燒Autotune自動燃燒調(diào)整自動投入。燃機Autotune功能對燃料分配進行自動動態(tài)調(diào)整，平衡燃燒穩(wěn)定性、排放、脈動等參數(shù)使之最優(yōu)。燃機在運行過程中燃燒脈動、氮氧化物排放、一氧化碳排放、燃燒穩(wěn)定性呈現(xiàn)四方牽制、協(xié)調(diào)，如圖5所示。燃機首次投入Autotune功能前，對燃機進行全負(fù)荷段燃燒調(diào)整，燃燒調(diào)整時配比好各燃料閥及燃料量，建立最優(yōu)燃燒模型，保證燃燒脈動及氮氧化物排放取得期望值，Autotune投入后可以對燃燒脈動大幅抑制。在燃燒調(diào)整時，確保Autotune的控制回路合適。DLN2.6燃燒器控制回路主要包括PM3、PM1、Quat控制回路，PM3控制回路控制模式有PK0、PK1、PK2、SBL(Stability)、Max、Min及NOx；PM1控制回路模式有Max、Min、NOx及SBL；Quat控制回路模式有Max、Min、PK1、PK2。燃機燃燒自動調(diào)整時由PM3、PM1、Quat控制回路在不同的控制模式下配合運行，以達到燃燒穩(wěn)定的目的。由各控制模式可以分析得出燃機燃燒自動調(diào)整時主要由PM3控制調(diào)整燃燒脈動，Quat輔助調(diào)整，PM1調(diào)整NOx。燃機運行過程中，受天然氣溫度、環(huán)境溫度變化、燃料控制偏差影響，或者燃機本體燃燒器檢修后，燃機自動燃燒調(diào)整與燃燒模型出現(xiàn)偏差，無法自行調(diào)整修正，導(dǎo)致燃燒脈動高。

圖5 燃機燃燒協(xié)調(diào)控制

3.3 未設(shè)置瞬態(tài)燃料分配偏置(TSB)參數(shù)

隨著電網(wǎng)頻率快速變化、一次調(diào)頻快速動作，燃機會在瞬態(tài)以10～15倍正常加減燃料速率改變?nèi)剂狭縼眄憫?yīng)電網(wǎng)調(diào)頻需求，同時配合進氣導(dǎo)葉(IGV)動作改變進風(fēng)量，整個過程中進入燃機的燃料空氣比會產(chǎn)生波動。當(dāng)進氣導(dǎo)葉未能很好跟隨燃料量的瞬時變化，若燃料空氣比過高，燃燒室燃燒加強并使NOx排放增加，產(chǎn)生高頻脈動，而比率過低，燃燒室可能會熄火或產(chǎn)生過量的一氧化碳以及低頻脈動。如圖6所示，某機組響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻需求，負(fù)荷頻繁大幅波動，尤其當(dāng)機組負(fù)荷突降時，由于燃機PM3瞬態(tài)減小，燃機脈動明顯上升。在瞬態(tài)響應(yīng)動作時，特別在加負(fù)荷階段，由于NOx排放增加，為抑制NOx上升，燃機會控制減少PM3燃料分量來進行調(diào)節(jié)，犧牲部分燃燒脈動來降低NOx排放，進一步促進燃燒脈動上升，此時容易觸發(fā)燃機脈動高自動降負(fù)荷。待負(fù)荷穩(wěn)定后，燃料量調(diào)整恢復(fù)至正常值，最終使NOx排放和燃燒脈動趨于穩(wěn)定。

圖6 燃機TSB動作曲線

3.4 燃燒模式切換

當(dāng)燃機負(fù)荷受電網(wǎng)需求影響頻繁在最高負(fù)荷(達溫控線)狀態(tài)波動時，此時燃機會在負(fù)荷燃料控制和溫度控制模式來回切換，在溫度控制模式下燃機控制排氣溫度不超限，限制燃料量和負(fù)荷，降低燃燒溫度，燃料空氣比下降，而在負(fù)荷燃料控制模式下，燃料量恢復(fù)上升，燃料空氣比上升，燃料量的頻繁變化會間接導(dǎo)致燃燒脈動的上升。

燃機升降負(fù)荷過程中伴隨著DLN模式切換，模式切換瞬間各燃料閥會大幅波動，若各燃料閥配比不好，燃燒瞬態(tài)不穩(wěn)，極易導(dǎo)致燃機燃燒脈動高甚至熄火。

4 燃燒脈動高控制措施

4.1 加強燃燒脈動監(jiān)視

燃機的高燃燒脈動報警分為黃色和紅色，黃色為預(yù)報警，紅色為超限報警。在燃機燃燒脈動保護邏輯中，燃機脈動高增加了延時邏輯，當(dāng)出現(xiàn)燃燒脈動高報警信號時注意區(qū)分脈動長時間持續(xù)達到報警值還是間歇性多次超過報警值?，F(xiàn)場技術(shù)人員應(yīng)監(jiān)視燃燒器出現(xiàn)的持續(xù)高脈動或者超過報警限值時脈動增長變化趨勢。為防止燃機燃燒脈動長時間超限導(dǎo)致燃機燃燒不穩(wěn)，造成硬件損壞，燃機控制邏輯中設(shè)置燃燒脈動高自動降負(fù)荷保護。當(dāng)燃燒脈動高保護觸發(fā)后，聯(lián)合循環(huán)機組自動解除AGC及協(xié)調(diào)控制，燃機以設(shè)定的速率降負(fù)荷，直至燃燒脈動下降。技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)燃機不同運行工況，結(jié)合燃機負(fù)荷變化、火檢、排氣分散度、煙氣排放等參數(shù)分析判斷原因，及時做出相應(yīng)改變措施，降低燃燒脈動。

4.2 燃機啟動初期脈動控制模式

燃機啟動過程中，低頻脈動不可避免(對應(yīng)燃機轉(zhuǎn)速約1500～3000 r/min，與燃機臨界轉(zhuǎn)速重合)，此階段燃機FSR(燃料控制)采用ACC(加速)模式，燃燒模式僅在PM2模式下運行，以盡量縮短燃機加速過程，避免在燃燒低頻脈動高階段停留。燃機升速階段對燃燒脈動加強監(jiān)視，燃機按照設(shè)定好的啟動曲線增加燃料升速，保證燃燒脈動不超報警值，一般不手動干預(yù)。

4.3 燃機燃燒調(diào)整

燃機自動燃燒調(diào)整投入后燃燒脈動、火檢、排氣溫度、分散度等參數(shù)出現(xiàn)波動，無法穩(wěn)定，立即在MARK VIe畫面上點擊Disable按鈕退出Autotune，稍后重新投運Autotune，觀察燃燒參數(shù)是否穩(wěn)定，否則需要重新進行燃燒調(diào)整試驗，重新建立燃燒模型。

燃機運行過程中燃燒脈動較高時檢查燃機NOx排放，由于燃機燃燒調(diào)整時往往為抑制NOx排放會適當(dāng)犧牲燃燒脈動，此時可以通過提高設(shè)定NOx偏置值(正偏置)來增加NOx排放以降低燃燒脈動。

4.4 設(shè)置瞬態(tài)燃料分配偏置(TSB)參數(shù)

為穩(wěn)定燃燒，防止熄火，燃燒控制系統(tǒng)在瞬態(tài)動作時可以通過修改燃燒模型參數(shù)適當(dāng)增加PM3和PM1燃料分量偏置，也可以直接提高PM3最低限定值，避免PM3下降過低產(chǎn)生高燃燒脈動。燃機燃燒穩(wěn)燃、降低脈動最主要的手段就是控制好燃料空氣比，根據(jù)機組運行特性，瞬態(tài)燃料分配偏置設(shè)定好后，同時需要適當(dāng)優(yōu)化IGV瞬態(tài)響應(yīng)速度參數(shù)設(shè)定，以在負(fù)荷快速變化過程中維持燃料空氣比穩(wěn)定。

4.5 燃燒模式切換控制

燃機在負(fù)荷燃料控制和溫度控制模式來回切換時導(dǎo)致燃燒脈動升高，應(yīng)對此種情況立即解除燃機外部負(fù)荷控制，手動適量降低燃機負(fù)荷，保持燃機負(fù)荷穩(wěn)定，防止燃燒脈動長時間超限觸發(fā)自動降負(fù)荷保護。燃燒模式切換過程中監(jiān)視燃燒基準(zhǔn)溫度、火檢、脈動、分散度、排氣溫度和負(fù)荷波動幅度不能超限，否則調(diào)整設(shè)定燃料預(yù)充的速率和幅度，對模式切換過程中燃料閥的配比進行精細調(diào)整。

5 結(jié)語

燃氣輪機在運行過程中極易發(fā)生燃燒脈動高現(xiàn)象，直接危及機組安全穩(wěn)定運行。通過分析燃機高燃燒脈動產(chǎn)生原因，指導(dǎo)現(xiàn)場技術(shù)人員進行針對性調(diào)整，快速響應(yīng)，降低燃燒脈動，減少了高燃燒脈動發(fā)生頻次，效果良好，保證了燃機運行過程中的穩(wěn)定性，為同類型機組運行提供參考。