M701F燃气轮机结构特点及燃烧调整方法分析

林 凡

（深圳能源集团东部电厂运行部，广东 深圳 518120）

燃气发电机组以天然气等清洁气体为燃料，是取代燃油、燃煤机组的新型绿色环保动力，具有效率高、单位造价低的优点，是应对目前火力发电厂造成的环境污染问题，适应世界环保要求和市场新环境的新型发电机组。燃气发电机组具有输出功率范围广，起动和运行可靠高、发电质量好、重量轻、体积小、维护简单、低频噪声小等优点，一般它们具有以下4个优点：

1）发电质量好

由于燃气轮机发电机组工作时只有旋转运动，电调反应速度快，工作特别平稳，发电机输出电压和频率的精度高，波动小，能够稳定适应机组负荷变化。

2）起动性能好，起动成功率高

从冷态起动成功后到满负载的时间仅为30s，而国际规定柴油发电机起动成功后3min带负载。燃气轮发电机组可以任何环境温度和气候下保证起动的成功率。

3）噪声低振动小

由于燃气轮机处于高速旋转状态，它的振动非常小，且低频噪声也同样比柴油发电机组优良。

4）采用的可燃性气体是清洁、廉价的能源

燃气轮机除了直接以天然气为燃料外，还可以以瓦斯气，桔梗气，沼气等为燃料进行发电，不仅运行可靠，成本低，而且能变废为宝，不会产生污染。

1 燃气轮机原理

燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。影响燃气轮机效率的两个主要因素是燃气初温和压气机的压缩比。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

燃气轮机的工作过程是，压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，还可以输出机械功。

2 M701F燃气轮机结构特点

M701F燃气轮机是由三菱重工生产的。其主要性能指标见表1。

表1 三菱M701F燃气轮机性能指标

M701F燃气轮机机组的纵向剖面图如图 1所示。

图1 M701F燃气轮机机组的纵向剖面图

M701F燃气轮机压气机为轴流式压气机，17级，压力比为17。为适应工质大流量、跨音速的流动特点，前四级叶片叶型采用双圆弧结构；为防止在启停阶段或非设计工况下发生喘震，在压气机通流部分沿流动方向的6、11、14级设置了3个抽气口及放气阀；在压气机进口导叶设置的转动装置，可以防止压气机喘震，同时也可以减少起动过程中的动力消耗和提高低负荷下机组的经济性；压气机前3级动静叶片的涂层具有防磨及防腐蚀的作用；静子部分为水平中分面结构，所有的静叶片都有内外环。压气机前3级叶轮与前端轴整体锻造，并用12根在圆周方向均匀分布的拉杆和后 14级叶轮及与透平连接的鼓筒相连接。

M701F燃气轮机为环管形结构的燃烧室，燃烧室外壳的上下两部分与压气机及透平的外缸连接在一起成为整体。沿机组圆周方向，20个燃烧室均匀地斜插入外壳内。每套燃烧器都包括燃料喷嘴、过渡段、火焰筒、旁旁路阀和其它附件，燃烧器的纵剖面图如图2所示。

图2 M701F燃气轮机机组燃烧室的纵向剖面图

燃料喷嘴由干式预混主喷嘴和导向喷嘴组成，主喷嘴有8个，围成圆圈，导向喷嘴位于圆心；将高温燃气引向透平做功的关键部件是过渡段，过渡段和火焰筒是整个燃气轮机中承受温度最高的部件，为了很好的冷却过渡段和火焰筒，火焰筒和过渡段采用双层结构，夹层内有冷却空气流动，进行冷却；为了控制燃烧，稳定火焰，燃烧室内设有旁路阀，当燃烧压力产生波动时，旁路阀自动打开，冷空气进入，以保住稳定的燃烧。

透平为4级叶片，为了更好的冷却叶片，三菱公司利用静叶的持环和叶顶部的叶片环形成双层缸结构[1]。

除了以上所述的拉杆盘式转子、双层结构、环管式燃烧室等结构特点之外，为了提高M701F燃气轮机透平叶片的耐高温能力，三菱公司分别从材料、隔热涂层和叶片的冷却技术三个方面采取措施。经过长期运行试验，并经过不断地完善，M701F燃气轮机具有十分稳定、成熟可靠的设计及制造技术。

3 M701F燃气轮机燃烧系统及燃烧调节

3.1 燃烧系统简介

三菱 M701F型燃气轮机燃烧系统由过渡段和预混式火焰筒、燃料喷嘴、旁路阀、火花塞、火焰检测器、联焰管组成[2]。沿着压气机侧看燃烧系统各部件的布置图如图3所示。

图3 燃烧系统图

1）过渡段和预混式火焰筒

三菱公司在火焰筒和过渡段设计上采用双层结构，如图3所示。图4（a）为火焰筒壁结构，下面为内壁，冷空气从外壁的小孔进入到夹层中间，在壁面的沟槽内流动，从圆周方向的缝隙中流出，与燃气进行对流换热；图4（b）为过渡段壁面结构，冷空气同样通过外壁的小孔进入到夹层中间，经过壁面的沟槽，从下游出口与主流燃气混合，为了降低金属温度，避免有害物质对金属的腐蚀，火焰筒和过渡段的内壁面采用了隔热涂层处理技术。

图4 过渡段和火焰筒的双层结构

2）燃料喷嘴

值班喷嘴以扩散燃烧方式仅仅燃用大约 5%的燃气以维持稳定的火焰。主喷嘴燃用来自过渡段与空气预混合的燃料燃烧，形成均匀和低温的火焰。通过这种浓淡分离的技术来达到显著降低氮氧化物NOx生成量的目的。

3）旁路阀

旁路阀是三菱专有技术，用来控制燃料燃烧。旁路机构由栅形阀、执行机构和连接杆三部分组成。栅形阀由旁路体和旁路环构成。执行机构通过旋转旁路环来达到打开和关闭栅形阀的功能，通过控制旁路弯管流到过渡段里的空气量来控制燃料/空气的比例。当机组负荷变化时，旁路阀的开度会发生相应的变化来达到维持稳定燃烧的目的。

4）火花塞

分别在第8和第9号燃烧器里安装两个火花塞，以达到点燃燃烧器中的燃料/空气混合物的目的。由压缩空气强制驱动活塞以保持火花塞的电极处于备用位置。起动时，利用压缩空气将火花塞推到点火区直到点火成功；点火完成后，利用弹簧力和压缩空气压力将火花塞从燃烧器内抽出。

5）火焰检测器

两个火焰检测器分别安装在第18和第19号燃烧器位置上。火焰检测器由一个包含有纯金属的电极和一种装有纯净气体的特殊玻璃外壳组成。当在电极上施加交流电压时，电极和玻璃外壳之间有短持续时间的电流脉冲流动。只要火焰一直存在，火焰发出的特定波长的光就能使这些电流脉冲重复地发生，因此可以用该系统监控燃烧系统。

6）联焰管

除了第18和第19号燃烧室之间外，每两个燃烧室之间的过渡段上都安装了联焰管。火焰通过联焰管可以从点燃的燃烧器传播到未点燃的燃烧器，从而保证所有燃烧器都能正常点火。

3.2 燃烧室的燃烧调节

三菱M701F燃气轮机控制燃烧方式有两种，通过调节值班喷嘴的扩散燃烧的燃料量以及控制旁路阀开度对主喷嘴的预混燃烧的空燃比进行调整[3]，从而实现对燃气轮机机组在不同负荷下的火焰稳定性、NOx排放、燃烧压力波动等参数的进行综合优化调整。

在不同负荷下，M701F燃气轮机燃烧调节的主要参数就是旁路阀开度（BYCSO）值班燃料比例（PLCSO）。随着机组负荷的改变，在不同的旁路阀开度和值班燃料比例下，触发到的燃烧时压力波动频率也不相同，根据燃机负荷与压力波动频率的关系可以分别绘制出如图5所示的图形。

图5 正常燃烧区域

根据图5可以看出，当机组在低负荷下运行时，低的旁路阀开度使参与燃烧的空气量增加，空燃比降低，燃烧温度继续降低，会引发低频段的压力波动，容易引起熄火，旁路阀开度变大时易引起1700/3400Hz的压力波动；随着燃机负荷的增大，旁路阀开度变大，参与燃烧的空气量减少，燃气燃烧温度提高，导致NOx排放量提高和中间频段的压力波动。

低负荷下，值班燃料比例低，燃料量较少，因此燃烧温度较低，扩散火焰的强度不能维持稳定燃烧的要求，会引发低频段的压力波动，此时易导致熄火；当值班燃料比例高时，易引起 1700/3400Hz的压力波动；随着燃机负荷增大，燃气燃烧温度升高，较高的值班燃料比例又会导致NOx排放量的增加，同时造成 4400Hz以上的压力波动，值班燃料比例过低时，还会产生中间频段的压力波动[4]。

综上所述，M701F燃气轮机燃烧调整的主要任务就是找到机组在不同负荷下安全稳定燃烧的区间，以保证机组的安全运行和稳定燃烧。图5中阴影线之间的区域就是机组的稳定燃烧区间。只要能够保证机组在这个区域内燃烧，就可以确保机组的安全运行。因此根据这个原则就可以确定燃气轮机燃烧调整的负荷变化。

4 结论

为确保机组运行的安全可靠，无论是试运行还是正式投产以后都需要根据工况进行燃气轮机的燃烧调整。因此需要对三菱公司生产的M701F燃气轮机结构由十分深入的了解，并根据其结构特点进行燃烧的调整，本文首先介绍了M701F燃气轮机的结构特点，继而分析燃烧系统及调整方法，以期为从事相关运行调节的工作者提供帮助和参考。

[1] 王强.M701F燃气轮机的结构特点[J].东方电气评论,2003(4): 179-196.

[2] 谢冰.M701F燃机燃烧系统简介[J].中国水运, 2007(7): 48-50.

[3] 金晓刚.M701F燃气轮机燃烧室的特点和燃烧调整[J].燃气轮机技术, 2010(1): 58-61.

[4] 毛丹,诸粤珊.三菱M701F燃气轮机燃烧调整分析[J].热力透平, 2009(3): 56-60.