西门子SGT5-4000F机组燃烧不稳定的调整及处理

刘林

（浙江浙能技术研究院，杭州310003）

西门子SGT5-4000F机组燃烧不稳定的调整及处理

刘林

（浙江浙能技术研究院，杭州310003）

介绍西门子SGT5-4000F机组燃烧器的原理，分析在该燃烧器中经常遇到的燃烧不稳定问题，详细介绍实际燃烧不稳定的调整方法及解决方案，可供同类型机组参考借鉴。

西门子；燃机；燃烧不稳定；燃烧调整

0 引言

随着环保政策的日渐严苛，燃机电厂目前普遍采用DLN低氮燃烧技术。干式低NOX燃烧技术是根据热力型NOX的Zeldovich生成机理，将燃烧室主燃区温度约束在1 396.85~1 626.85℃，以降低NOX，因此必须采用预混燃烧方式，通过调整主燃区的燃空比来控制火焰温度。在预混燃烧中，当燃料/空气的当量比小于1时，称为贫燃预混燃烧，此时能通过降低燃空比来降低火焰温度，但随着燃空比的降低，火焰将变得不再稳定，逐渐接近LBO（贫燃熄火极限）。通过监测燃烧室的压力波动可判断燃烧的稳定性，在西门子燃机中，这种压力波动监测采用了嗡鸣保护和加速度保护，过大的压力波动将会损害燃烧室硬件。

西门子SGT5-4000F机组采用的低氮燃烧器使用了扩散燃烧（值班喷嘴）与预混燃烧（主喷嘴），预混通道产生主火焰，值班燃料采用扩散燃烧方式，用以提高预混燃烧的稳定性。

1 燃烧稳定性

贫燃预混燃烧技术能有效降低燃烧温度水平，从而实现非常低的污染排放，但是贫燃预混非常容易导致热声不稳定问题。热声不稳定是指燃烧过程中火焰的热释放脉动与燃烧室固有声学脉动之间耦合造成的一种燃烧共振现象，会造成燃烧室内燃烧不稳定。在贫燃预混燃烧中，当预混燃烧接近LBO时将会导致火焰的不稳定，形成不稳定的热释放，如果这种热释放引起的压力波动在燃烧室产生回声，称之为嗡鸣，引起燃烧不稳定，嗡鸣反应的是燃烧室压力脉动。这个过程将会持续发生，称之为自激振荡。如果嗡鸣的频率接近燃烧室自振频率，会引起加速度保护动作并破坏硬件设备，加速度信号反应的是燃烧室缸体的振动。

2 燃烧不稳定问题

某电厂在2008年商业运行后，11号、12号机均受到了燃烧不稳定问题的困扰。11号机的问题出现在以下2种工况：加负荷时IGV（进口可转导叶）角度在10%~15%和减负荷时IGV角度在20%~10%。在这2种工况下，都遇到了嗡鸣和加速度过高的问题，加速度测量值在2.3~3.6 g，如图1所示。

12号机的问题出现在以下2种工况：加负荷时IGV角度在40%~60%和减负荷时IGV角度在30%~25%。在这2种工况下，都遇到了嗡鸣和加速度过高的问题，加速度测量值在2.3~3.8 g，如图2所示。

为了保护机组设备的安全，在西门子控制逻辑中，ACC（加速度保护）的相关逻辑如表1、表2所示。

表1 机组ACC保护减负荷条件

表2 机组ACC保护跳闸条件

由于机组长期受困于燃烧不稳定问题，为提高设备的可靠性，电厂求助于西门子燃机厂家进行燃烧调整。

3 SGT5 -4000 F机组燃烧调整理念

SGT5-4000F机组的燃烧调整主要是通过调整值班喷嘴流量，合适的值班喷嘴流量可以保证在燃机运行范围内嗡鸣和加速度数值均在安全值以内。值班喷嘴流量受3个参数影响：TVI（压气机进口温度）；OTC（燃机排气温度修正值）；HVL（IGV角度）。

通过任一参数的调整，都可以引起值班喷嘴流量的变化。每一个参数对应各自的函数发生器，在加减负荷过程中，由于其参数对应的函数发生器不同，因此燃烧调整必须在加减负荷过程中分别完成。

当OTC超过540℃且机组负荷在40%以上（大约为100 MW）时，对值班喷嘴流量影响最大的是HVL。

根据燃气轮机的控制逻辑，对燃烧稳定起重要作用的值班气体燃料控制阀阀位根据值班气体设定值、天然气密度和值班气体阀门的流量特性曲线来计算。流量特性曲线一般在设备生产厂已完成校验；天然气密度是根据调试初期实际天然气密度进行设定。实际运行中如果天然气的气源不稳定，必将导致天然气密度的波动。当天然气密度偏离设计值较大时，值班气体实际质量也将大大偏离设定值。

图111 号机加、减负荷时燃烧不稳定现象

图212 号机加、减负荷时燃烧不稳定现象

在燃烧调整过程中，必须记录值班喷嘴流量对嗡鸣信号及加速度信号的影响，包括各自的频率及幅值。

为了对燃烧稳定性进行检测，西门子公司采用了ARGUS系统。ARGUS系统通过对反映燃烧室压力脉动的嗡鸣信号和反映燃烧室缸体振动的加速度信号进行快速傅里叶变换，实现对燃烧可视化检测，并将这些信号在频谱图中进行显示，它是燃烧优化调整的重要工具。

对值班喷嘴流量进行调节的目的是找到合适的流量设定值，使燃机在整个运行工况下嗡鸣信号、加速度信号及NOX排放指标都在安全范围内。按照国家相关环保法规规定，NOX排放必须在50 mg/m3以下。

4 燃烧调整

4.1 第一次燃烧调整

2009年3月，为了解决燃烧振动问题，对值班喷嘴流量进行了调整，调整参数曲线如图3、图4所示，调整的结果不是非常理想，具体数值见表3。

图311 号机值班喷嘴流量调整曲线

图412 号机值班喷嘴流量调整曲线

从表3可以看出，通过燃烧调整，11号机在加负荷过程中嗡鸣信号及加速度信号均得到了较好控制，但在减负荷过程中这些现象仍然没有得到改善，12号机情况基本没有改善。

表311 号、12号机组燃烧调整前后ACC动作值

通常为了设备安全，在燃机整个运行区间，都要将加速度信号控制在1 g以下。

值班喷嘴的主要作用是保证燃烧的稳定性，因此通过增加值班喷嘴的流量可以减少嗡鸣及ACC信号的数值。图3、图4显示了调整前后值班喷嘴流量的设定值，但从实际结果来看，仅提高值班喷嘴流量不能解决机组燃烧不稳定的问题。

4.2 第二次燃烧调整

由于第一次燃烧调整失败，2009年8月又一次进行了燃烧调整。在第二次燃烧调整前，更换了全部燃烧器。具体调控如下：

（1）对外旋流器静叶片角度进行了调整，从112°调整为108°。

图511 号第二次值班喷嘴流量调整曲线

图612 号机第二次值班喷嘴流量调整曲线

（2）对于喷口处焊接有1个圆筒型扩张段（称为CBO，圆筒型喷嘴出口）的喷嘴，改变CBO长度，1—20号燃烧器CBO长度从87 mm延长到97 mm；对于没有CBO的21—24号燃烧器，保持其原有长度。

（3）改变外旋流器的孔洞数目，将10孔改为8孔，并将孔洞的直径由2.2 mm减小为1.8 mm。

调整结果如表4所示，可以看出，在经过燃烧器设备更换及燃烧调整后，嗡鸣信号及加速度信号得到了很好的控制，在燃机整个运行区间，这些数值均被降低到安全范围内。

表411 号、12号机燃烧调整前后ACC动作值

最新的值班喷嘴流量设定值如图5、图6所示。从图中可以看到，由于嗡鸣信号及加速度信号均较小，新的值班喷嘴流量设定曲线变得相对平直，因此不必再增加值班喷嘴流量。

5 结语

该燃机电厂的DLN燃烧器非常容易产生嗡鸣报警，由于预混燃烧火焰稳定性差，因此通过值班扩散火焰来提高整个燃烧器的燃烧稳定性。通常通过适当提高值班喷嘴流量可以降低嗡鸣信号和燃烧室加速度信号，但在本例中，单独调整值班喷嘴流量并不能解决嗡鸣及燃烧室加速度值较高问题，最后通过对燃烧器硬件的更换并配合燃烧调整，使机组得以安全稳定运行。

[1]宇震林，全宏许，高恩.燃气轮机燃烧室[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2]杨勇，艾松，贾文.燃气轮机燃烧室燃烧稳定性分析[J].东方电气评论，2012，26（101）∶25-29.

[3]瞿虹剑，刘新平.西门子V94.3A型燃机燃烧稳定性的判别[J].华东电力，2012（12）∶2282-2288.

（本文编辑：徐晗）

Adjustment and Treatment of Combustion Instability of Siemens SGT5-4000F Units

LIU Lin
（Zhejiang Energy Group R&D Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China）

The paper expounds principle of SIEMENS SGT5-4000F units burner and analyzes its frequently happened combustion instability；it elaborates on adjustment method and solution to combustion instability, providing reference for units of the same type.

Siemens；combustion engine;combustion instability;combustion adjustment

TK227.1

B

1007-1881（2015）06-0044-04

2015-04-07

刘林（1979），男，工程师，主要从事发电厂远程故障预警及燃机运行管理等工作。