燃气轮机燃烧技术探讨

2013-08-15董建刚

山东工业技术 2013年11期

董建刚

（山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西大同034400）

1 预混燃烧如何实现火焰面温度控制

稳定的预混燃烧受三个因素的限制，即可燃极限、可燃温度（燃点）和燃烧速度。火焰只有当燃料在混合气体中符合某种比例范围时才能点燃并继续燃烧，这个比例范围的上下限称为可燃极限（燃料气体积与混合气总体积之比）。对于不同的燃料/空气比的组合，可燃极限随工作条件如燃烧器类型和燃料气压力等不同而有很大的变化。为了保证机组在变工况条件下燃烧火焰的稳定性与燃烧完全性，要求天然气在15.5℃和0.103Mpa 情况下，可燃极限的上限与下限之间的最小比值应不小于2.2:1。每一种混合气体在可燃极限内存在着一个能够开始点燃的最低温度，这个温度称为火焰的点燃温度，从安全的角度来说，任何气体组合的火焰在任何气体混合比下的点燃温度都应高于燃烧器喷口的温度。火焰一旦点燃，就立即向未燃烧的混合气体传播，燃烧速度就是指这个传播速度。每一种气体组合在不同的混合比时燃烧速度可能变化很大，从火焰稳定的角度看，燃烧速度是三个因素中最主要的。气体的供应压力虽然决定于燃气轮机的类型、燃烧系统的设计选型、天然气的品质分析和现场的特殊条件。但不管怎样，为了得到稳定而安全的火焰，从燃烧器喷出的气流速度必须保证大于燃烧速度（一般为3－10 倍），才不至于回火，但气流速度也不能过大，过大会将火焰“吹远”，甚至吹灭火焰。结合“热NOX”的生成受三个条件的限制：燃烧温度、在火焰区滞留时间、O2浓度，DLN－2.0＋型燃烧器最有可能按燃料气/空气的比值以近贫燃火焰要求来设计它的旋流器。这样，既可以确保预混燃烧火焰温度在设计的控制范围内，提高燃烧效率，降低NOx 和CO 排放量；另外，又可保证燃烧稳定，控制燃烧噪声在较低水平。

2 MWI 参与燃料/空气比的控制

由于在一定负荷下，机组的IGV 开度一定，空气流量是确定的，此时控制燃料/空气比只要控制燃料量就可以了。

虽然燃气轮机对燃料的热值范围要求较宽（如PG9351FA 燃气轮机组可以适应70－100%的天然气热值），但是对特定的燃烧系统来说，热值的变化范围是受限制的。对选定的燃烧器，它的燃烧器喷嘴只能适应于固定范围内的压比，由燃料热值引起的变化只能通过改变燃烧器喷嘴大小或者调整燃料温度的方法来适应，在机组运行中更换燃烧器喷嘴是不切实际的。因此，只有采用调整燃料温度的方法了，但是为了避免燃料密度因素的影响，引入了校正韦伯指数（Modified Wobbe Index,简称MWI）的概念，用来衡量进入燃烧器的相对能量。在允许的MWI 数值范围内可以保证燃机在不同负荷运行时燃烧器喷嘴的压比。

在燃气轮机的MKVI 控制系统中，上述天然气的低位热值（LHV）、相对比重(SGgax)由位于天燃气调压模块的气相色谱仪检测和计算,并转换成4—20mA DC 信号送至MKVI 控制系统，再由MKVI 控制系统计算出VFGW（校正韦伯指数）值，把得出的VFGW（校正韦伯指数）值进行韦伯指数的补偿计算，在逻辑控制中，根据本机组韦伯指数的设计值（KMWI－DES＝42.08）,除以VFGW（校正韦伯指数），算出一个从设计值来的气体燃料校正韦伯指数量值VMWI－RAT，再把VMWI－RAT 赋予下一功能块进行气体燃料校正韦伯指数修正限制（上限：1.05，下限：0.78），并把气体燃料校正韦伯指数修正变化率在限制范围内定于0.002%/sec，从而得出气体燃料校正韦伯指数的偏置值VFQ－MWI, 再用VFQ－MWI 乘以司服阀控制调节的比例增益常数FQKCG(76.61),最终得到根据MWI 来的司服阀控制调节的比例增益值FQKCG－MWI。然后把FQKCG－MWI 值赋予下一个逻辑控制。

3 预混燃烧对天然气温度的要求

我们的机组采用余热锅炉的中压省煤器出水来加热天然气至185℃，以控制当量韦伯指数在设计值。为了系统的安全稳定燃烧，要求在整个运行范围内，保持或控制当量韦伯指数的变化在5%范围内，在燃料热值和比重有变化时，用调节燃料气体温度的方法，设法保持当量韦伯指数基本不变，保持各工况下运行稳定和高效率，否则，应改变机组的燃烧方式或停机。《DLN－2.0＋（PG9351）燃料气体加热运行的要求》所示。运行时，余热锅炉中压省煤器出口水温低于120℉（49.4℃），禁止性能加热器投入运行，并网前主要靠电启动加热器发挥作用。并网后，随着电启动加热器和性能加热器的投入运行，天然气温度逐渐上升，在TTRF 大于1900F 时，为了保证韦伯指数在合格范围内，需要天然气温度在145℃以上。

在机组从点火到进入BASELOAD 负荷的不同运行工况中，随着天然气温度和压气机排气温度CTD 的不断升高，和D5 扩散燃烧天然气流量的减少，各燃烧方式对天然气温度要求是不同的,但是必须保证天然气在结露点之上,这对于燃机的安全运行是至关重要的。从点火和暖机直至加速至95%额定转速，燃烧室处于扩散燃烧，一般只需冷加热燃料气就可以；从95%额定转速，经全速空载至约10%额定负荷，燃烧室处于从扩散燃烧向先导预混燃烧过渡，可以采用冷加热也可以采用热加热的加热方法，如果燃气投入加热,根据燃烧室动态特性的要求, 在燃烧基准温度＜1700F 的情况下, 不允许燃料温度大于51.7°C；从10%额定负荷到25%额定负荷区段，燃烧室处于先导预混燃烧，也可以采用冷加热或热加热方式，但是必须满足当量韦伯指数热温度限值。从25%到50%额定负荷区段，仍然是先导预混燃烧，，但是，此时热加热温度必须成功的控制当量韦伯指数在限值上。50%到100%额定负荷区间，是预混燃烧阶段，此时要求调节热加热温度，控制好当量韦伯指数，直至燃机进入基本负荷温度控制。以燃气轮机组MKVI 控制系统对当量韦伯指数的要求（39.9819＜MWI＜44.1905,且上下限各有0.4208 的死区范围在允许范围内，L3FGW－PERM 置1 才能进入预混燃烧模式，见如下的逻辑控制：

相应的应控制天然气温度在约低于370°F，一旦天然气温度达到380°F，应把性能加热器跳掉，关闭性能加热器的出水调节阀，降低天然气的温度，否则待天然气温度升到390°F 时，则直接AUTO SHUTDOWN 燃机以保护设备。但是天然气温度降到额定参数，应将性能加热器继续投入运行，否则天然气温度将迅速下降，如果TTRF1 大于1900F ，导致当量韦伯指数低机组降负荷，严重情况下燃机的燃烧控制模式由PM 预混燃烧切换至PPM 先导预混燃烧。