首批采用PSM低氮燃燒器的GE燃機燃燒調(diào)整國產(chǎn)化研究

蘇州工業(yè)園區(qū)藍天燃氣熱電有限公司 安 升

某燃機電廠采用美國GE 公司生產(chǎn)的PG9171E 型燃氣輪機，為降低NOx 排放，對燃燒系統(tǒng)進行了改造。選用PSM公司分管回流式LEC-Ⅲ型低氮燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置14個火焰筒，均勻布置在壓氣機排氣缸外圓周，系統(tǒng)包含一二次燃料噴嘴、火焰筒、過渡段、火花塞點火系統(tǒng)、火焰探測器及聯(lián)焰管等燃燒部件。燃燒系統(tǒng)部件若維修更換后必須進行燃燒調(diào)整，此項技術(shù)作為重型燃氣輪機運行維護領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠有效規(guī)避不穩(wěn)定燃燒及污染物排放超標等異常狀態(tài)，從而確保燃燒安全穩(wěn)定、煙氣環(huán)保排放合格。本文詳細介紹了LEC-Ⅲ型燃燒系統(tǒng)低氮燃燒的工作流程、自主燃燒調(diào)整的具體步驟及方法，意在推動燃燒調(diào)整國產(chǎn)化進程，旨在突破行業(yè)技術(shù)壁壘，切實提高燃機燃燒穩(wěn)定性及環(huán)保性能。

1 LEC-Ⅲ低氮燃燒系統(tǒng)簡介

PSM 公司根據(jù)NOx 排放物的生成基理對9E 燃機火焰筒進行了改進設(shè)計：燃料噴嘴部件由一二次燃料噴嘴組成，天然氣經(jīng)一二次燃料噴嘴分別進入燃燒一區(qū)、二區(qū)，通過調(diào)整分配燃燒一區(qū)、二區(qū)的燃料配比，實現(xiàn)燃料在燃燒一區(qū)提前摻混，再經(jīng)文丘里管將均相稀釋的混合燃料引流至燃燒二區(qū)，在較低溫度下進行燃燒，從而達到低NOx、CO 排放的環(huán)保要求。

該設(shè)計理念雖能有效降低NOx 等污染物的排放量，但在實際運行中存在一定缺陷。例如，在預混燃燒模式下，燃燒存在不穩(wěn)定性，均相預混燃料的燃燒極限狹小，在低溫燃燒時，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁芟?，穩(wěn)定火焰困難。當燃料流速減慢，燃燒火焰向進氣端偏移時，容易導致燃燒一區(qū)回火，破壞預混燃燒環(huán)境。為降低NOx 排放量，降低燃燒溫度勢必導致CO 排放的增加，需要確定最優(yōu)燃料配比，燃燒溫度場氣流分布復雜，相鄰火焰筒燃燒區(qū)狀態(tài)異常且同步時，容易導致燃燒振蕩甚至熄火。因此，必須精確調(diào)整燃料量與助燃空氣的比例，保證燃燒一區(qū)、二區(qū)的燃料量分配在合理的范圍內(nèi)，促使低氮燃燒安全穩(wěn)定。

圖1 LEC-Ⅲ低氮燃燒模式示意圖

2 PG9171E 型燃氣輪機燃燒調(diào)整

2.1 燃氣輪機燃燒調(diào)整目的

燃燒調(diào)整的主要目的是減少NOx 和CO 等污染物的排放，同時確保燃氣輪機燃燒穩(wěn)定，在保證燃機安全穩(wěn)定運行的前提下，提高機組的燃燒效率。預混火焰對流場參數(shù)和化學當量比變化等異常敏感，容易在封閉的燃燒室內(nèi)誘發(fā)熱聲耦合振蕩，導致火焰發(fā)生燃燒動力學失穩(wěn)，產(chǎn)生劇烈的燃燒脈動，嚴重時甚至造成燃燒室部件損壞。

燃燒調(diào)整過程，從機組啟動點火到滿負荷運行的各個階段，通過調(diào)整進入燃燒室的燃料和空氣配比，將燃燒控制在穩(wěn)定邊界的中心區(qū)域，從而獲得良好的穩(wěn)定燃燒裕度[1]。因此，燃燒調(diào)整是決定機組安全運行、燃燒效率及污染物排放能否達標的關(guān)鍵技術(shù)手段。

2.2 9E 燃機LEC-Ⅲ型低氮燃燒系統(tǒng)燃燒調(diào)整具體步驟

一是安裝探測管。在燃氣輪機14個火焰筒上分別安裝1支探測管，將其插入燃燒室火焰筒內(nèi)部，用于測量火焰筒內(nèi)燃氣壓力波動。安裝時，待燃氣輪機缸體冷卻至室溫，拆開燃燒室缸體外堵頭，將探測管伸入低氮火焰筒內(nèi)部，須確保其尖端伸入火焰筒內(nèi)壁面0.05英寸（1英寸=2.54cm）以上。探測管尺寸如圖2所示，管長305mm，插入火焰筒深度146mm（實際操作中14支探測管插入火焰筒深度不盡相同，一般插入深度在144mm 至148mm 范圍內(nèi)即可）。

圖2 燃燒調(diào)整探測管尺寸

二是裝設(shè)銅導管。銅導管直徑1/4英寸，為確保所監(jiān)測的燃燒室內(nèi)壓力的準確性，避免銅導管長度對壓力測點采樣產(chǎn)生干擾，銅導管應選用相同的長度，長度一般為14m。通過圖3中3/8”轉(zhuǎn)1/4”接頭，將銅導管與探測管端頭相連接，導管末端引至動態(tài)壓力監(jiān)測箱接線端子處。使用1/4卡套接頭，將銅導管與動態(tài)壓力監(jiān)測箱接線端子相連接。在監(jiān)測箱銅管取樣端分別安裝14支壓力傳感器，將氮氣瓶出口連接三通閥，分別對監(jiān)測箱銅質(zhì)引壓管進行氮氣吹掃。在監(jiān)測箱輸出端子處，接入信號調(diào)制模塊“Alta Solutions”，最后接入工作站電腦，經(jīng)傅里葉轉(zhuǎn)換器處理后，14支火焰筒動態(tài)壓力值的頻域曲線便完整呈現(xiàn)在工作站電腦端。

圖3 動態(tài)壓力監(jiān)測箱

圖4 信號調(diào)制模塊

圖5 壓力波動頻域曲線

三是氮氣吹掃。測量前須使用氮氣對銅管進行吹掃。測量時，如果壓力波動偏大，為了保證所測壓力參數(shù)值穩(wěn)定、準確，可使用氮氣重新對銅管進行吹掃。

四是數(shù)據(jù)整合。燃燒調(diào)整過程中，提取14支火焰筒壓力測量結(jié)果的突變量，經(jīng)傅里葉轉(zhuǎn)換后，獲得的頻域曲線如圖6所示。該曲線反映的是燃燒區(qū)氣流振動量在頻域內(nèi)表現(xiàn)。其中，14號火焰筒壓力曲線平穩(wěn)，振動卻存在一處突變，原因可能是電子信號干擾，排除燃燒脈動存在。

圖6 燃機負荷90MW 時燃燒壓力脈動對比

圖7 燃機負荷95MW 時燃燒壓力脈動對比

圖8 燃機負荷105MW 時燃燒壓力脈動對比

圖9 燃機負荷90MW 時燃燒壓力脈動對比

圖10 燃機負荷95MW 時燃燒壓力脈動對比

圖11 燃機負荷105MW 時燃燒壓力脈動對比

五是實時監(jiān)測NOx 及CO 的排放濃度。檢查NOx、CO 等在線儀表狀態(tài)良好且已準確標定。

六是參數(shù)調(diào)整。根據(jù)火焰筒內(nèi)部壓力曲線及污染物排放情況，尋找到壓力波動范圍最小、污染物排放最低的最佳運行工況點，以此調(diào)整不同階段的燃料沖程基準參數(shù)。

七是預混模式調(diào)整。將燃機負荷設(shè)定至預混模式下最低負荷（約80%額定負荷），根據(jù)火焰筒內(nèi)部壓力曲線及污染物排放情況，尋找最佳運行工況點，調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

八是分析驗證。以此負荷為起點，每增加5MW即停留10min，直至基本負荷。分別記錄每個負荷點火焰筒內(nèi)部壓力曲線及污染物排放情況，驗證此前參數(shù)調(diào)整的準確性。調(diào)整溫控線TTK_C，進一步對燃燒穩(wěn)定性，污染物排放等參數(shù)進行跟蹤調(diào)整。

3 某電廠9E 燃氣輪機LEC-Ⅲ低氮燃燒系統(tǒng)的燃燒調(diào)整案例

3.1 主要監(jiān)控參數(shù)及要求

通過采集、分析各燃燒室在多種工況下的高頻、低頻壓力振蕩數(shù)據(jù)，尋找到壓力波動范圍最小、污染物排放最低的最佳運行工況點。在滿足國家對污染物排放要求的前提下，調(diào)整預混燃料配比參數(shù)FXKSPM[i]，實時監(jiān)測燃燒脈動、污染物排放、排煙分散度、火焰強度等參數(shù)的變化情況，確保燃氣輪機安全、穩(wěn)定運行。

表1 主要監(jiān)控參數(shù)及要求

3.2 燃燒調(diào)整進度安排

利用國內(nèi)知名電力試驗研究單位自主研發(fā)的燃燒監(jiān)測系統(tǒng)，對燃燒器燃燒壓力脈動進行監(jiān)測[2]，由于該燃燒監(jiān)測和診斷系統(tǒng)僅有8個通道，而PG9171E 型燃氣輪機共有14個燃燒室，因此本次燃燒調(diào)整過程分為兩日進行。并根據(jù)前日燃燒壓力脈動監(jiān)測情況，選取燃燒壓力脈動較高或波動較大的燃燒室進行進一步監(jiān)測。

表2 燃燒調(diào)整過程中的燃燒壓力脈動安裝情況

3.3 燃燒調(diào)整結(jié)果分析

本文主要對燃氣輪機90MW、95MW、105MW三個負荷點調(diào)整情況進行重點分析，并結(jié)合前次燃燒調(diào)整參數(shù)進行對比分析。

分析以上曲線可知：當燃機負荷設(shè)定90MW 時，修改燃料配比最小值FXKSPMMN，由83修改為85.7，實際燃料配比由85.269調(diào)整至85.7，觀察燃燒脈動略微增大；NOx、CO 波動較小，排放情況整體未受影響。當#2燃機負荷設(shè)定95MW 時，燃燒脈動與上一次燃燒調(diào)整燃燒脈動情況相比，脈動值基本保持一致，均處于合理范圍內(nèi)。當#2燃機負荷設(shè)定105MW 時，將燃料配比最大值FXKSPMMX 由86修改至84后，則燃料配比FXKSPM 由85.5818調(diào)整至84，觀察燃燒脈動明顯增強，同時NOx 及CO排放均不同程度地升高。

當燃機負荷設(shè)定90MW 時，修改燃料配比最小值FXKSPMMN，由83調(diào)整至85.8，則燃料配比FXKSPM 由85.3020調(diào)整至85.8，觀察燃燒壓力脈動、排放參數(shù)均為無明顯變化。參數(shù)恢復后，再次修改燃料配比最大值FXKSPMMX 由86修改為84，則燃料配比FXKSPM 由85.3020調(diào)整至84，觀察發(fā)現(xiàn)燃燒脈動值顯著增大，同時NOx 和CO 也升高。

當燃機負荷設(shè)定95MW 時，修改燃料配比最大值FXKSPMMX，由86調(diào)整至84，此時燃料配比FXKSPM 由85.5655調(diào)整至84，觀察確認燃燒脈動顯著增大，已超過規(guī)范上限，同時NOx、CO 均不同程度地升高。修改燃料配比最大值FXKSPMMX，由84調(diào)整至87，燃料配比最小值FXKSPMMN 由83調(diào)整至86.5，此時燃料配比FXKSPM 由85.5655調(diào)整至86.5，觀察燃燒脈動顯著變小，脈動參數(shù)優(yōu)秀，且NOx 和CO 排放正常；但是火焰強度降低至20%，較之前運行時相比顯著降低，存在熄火風險。

當燃機負荷設(shè)定105MW 時，修改燃料配比最大值FXKSPMMX，由87調(diào)整至85，燃料配比FXKSPM 由85.7250調(diào)整至85，觀察確認燃燒脈動顯著變大，超過規(guī)范值1.75psi，不符合調(diào)整要求?；謴腿剂吓浔茸畲笾礔XKSPMMX 至初始值，F(xiàn)XKSPM[2]由85.5調(diào)整至85.7，F(xiàn)XKSPM[3]由85.75調(diào)整至86，則燃料配比FXKSPM 由85.7250調(diào)整至85.9700，觀察燃燒脈動整體略微變小，NOx 排放正常，CO 正常，火焰強度穩(wěn)定，整體參數(shù)較為優(yōu)秀。

最終完成對FXKSPM[2]、FXKSPM[3]修改后，燃機升負荷至110MW，再緩慢降至預混模式最低負荷，檢查驗證整個預混區(qū)間燃燒脈動情況，確定脈動值穩(wěn)定維持在0.7～1.2psi 范圍內(nèi)，較燃調(diào)前燃燒脈動動態(tài)曲線相比，整體運行狀態(tài)良好。

3.4 燃燒調(diào)整國產(chǎn)化的總結(jié)

燃氣輪機在重要負荷點的燃燒脈動及污染物排放情況、火焰強度等指標總體情況如下：燃燒脈動在預混模式低負荷階段（約80%至90%額定負荷）的參數(shù)良好，且絕對滿足低頻段小于1psi、高頻段小于1.75psi 的規(guī)定限值，能夠保持穩(wěn)定燃燒。在預混模式中高負荷階段（約90%至100%額定負荷），燃燒脈動瞬時波動最高值接近上限附近，通過分析燃燒調(diào)整前后各項指標的變化規(guī)律，充分運用燃料配比與燃燒脈動、污染物排放、火焰強度等參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，以強制FXKSPMMX、FXKSPMMN（ 燃料配比最大值、最小值）、FXKSPM[2]、FXKSPM[3]等參數(shù)的定值來調(diào)整尋求最優(yōu)燃料配比，燃燒調(diào)整后，燃燒壓力及脈動情況趨于穩(wěn)定，同時NOx 和CO 排放得到了有效降低，雖然火焰強度存在明顯降低的情況，但是裕度仍處于允許范圍。

此次國產(chǎn)化燃燒調(diào)整的不足之處在于燃燒調(diào)整監(jiān)測設(shè)備未能全套配置，單次數(shù)據(jù)采集不完整，分批采集數(shù)據(jù)在一定程度上影響數(shù)據(jù)同步性及實時準確性。建議在燃燒調(diào)整最終參數(shù)確認時，一級燃料分配比保留一定可調(diào)空間，以此保證充足穩(wěn)定的燃燒裕度，避免燃氣輪機工況突變進而發(fā)生貧燃熄火或機組跳閘等問題。

該燃機電廠克服各種困難，順利完成第一次國產(chǎn)化自主燃燒調(diào)整。針對該套配備LEC-Ⅲ燃燒系統(tǒng)的GE 燃氣輪機發(fā)電機組，試探性地采用探測管引流的方式對火焰筒內(nèi)部壓力脈動情況進行直接監(jiān)測，數(shù)據(jù)準確有效，燃燒調(diào)整步驟清晰、具體，燃調(diào)方式正確，現(xiàn)場發(fā)生的問題處理妥當，調(diào)整效果顯著。當前，我國尚未全面掌握重型燃氣輪機燃燒調(diào)整技術(shù)，下步須發(fā)揚自主創(chuàng)新精神，相信將來一定突破現(xiàn)行技術(shù)壁壘，真正掌握燃燒調(diào)整技術(shù)，降低發(fā)電企業(yè)運維費用，中國重型燃氣輪機設(shè)備完全國產(chǎn)化一定會順利實現(xiàn)。