PG9171E型燃气轮机在贫贫燃烧模式下运行的探究

马永 富兆龙

摘要：对PG9171E型燃气轮机在干式低氮燃烧系统（DLN1.0）贫贫燃烧模式（LL_POS）进行研究，通过对LL_POS燃烧模式下燃烧室的工作环境的分析以及燃气轮机在此模式下产生的高温损耗进行分析，提出了燃气轮机在运行中避免在LL_POS工况下长时间运行对机组的措施。

关键词：燃气轮机；干式低氮燃烧；贫贫燃烧模式；

0.前言

天然气作为清洁能源已经成为燃气轮机的主要燃料，在燃气轮机的运行中会产生大量的NOx而降低NOx排放量的最直接方法就是减少天然气在燃烧时NOx的产生。大量的试验研究，证实当天然气的火焰温度低于1650℃时，燃烧产物中NOx的含量会很低。通过采用干式低氮燃烧技术（DLN）可以使天然气的火焰温度低于1650℃，而使NOx的生成得以控制。

1.DLN1.0燃烧室的介绍

该厂9E型燃气轮机，于2011年通过改造使用了GE公司1990-1991年研制成功的两级串联式预混的干式低氮燃烧室（DLN1.0）。该机共有14个分管燃烧室，其中在12号、13号燃烧器装有两个点火器，燃烧室之间通过联焰管实现着火燃烧。燃烧室分为两级燃烧区，第一级燃烧室和第二级燃烧室，燃烧喷嘴分成三个，一级喷嘴、二级喷嘴和三级（切换）喷嘴。运行时一级喷嘴的燃料进入第一级燃烧室燃烧，二级喷嘴和三级喷嘴的燃料进入第二级燃烧室燃烧。燃烧室的火焰筒筒体和中心体组件使用热障涂层和气膜冷却技术以确保燃烧室高温部件运行温度不超限。

2.贫贫燃烧模式对燃烧室的影响

经过对扩展贫贫燃烧模式（EXT_LL）的研究试验可知，长时间处于扩展贫贫燃烧模式下运行，不仅在燃烧产物中产生大量的CO和NOx，而且文丘里组件出口的第二级燃烧室组件有烧坏变形的现象；此外，有经验数据表明扩展贫贫燃烧使燃烧室的维修系数是均相预混燃烧模式的10倍，大大缩短了燃烧部件的寿命，说明扩展贫贫燃烧（EXT_LL）会对燃烧室的造成严重的危害，燃气轮机运行中不允许停留在扩展贫贫燃烧（EXT_LL）下运行。

虽然燃烧室采用了先进的隔热涂层和气膜冷却技术，能在一定程度上保护燃烧室的高温部件，但是气膜冷却在运行中会受到燃烧脉动而失效，高达2000℃的扩散燃烧温度对隔热涂层也是严峻的考验。由于燃烧室的工作环境温度较高，所采用的材料也十分昂贵，当燃烧室长时间处于贫贫燃烧工况运行时，会增加燃气轮机燃烧室的维修及投资。可见避免燃气轮机长时间在贫贫燃烧（LL_POS）模式下运行也是非常必要的。

3.机组在贫贫燃烧（LL_POS）模式运行的现状

燃气轮机在贫贫燃烧模式（LL_POS）时，70%的天然气进入一级喷嘴在燃烧器中进行扩散燃烧，造成了不良影响。

燃气-蒸汽联合循环机组启动按汽轮机的启动特性分为3种，分别是汽轮机冷态启动，温态启动和热态启动。该厂汽轮机冷态和温态启动次数相对较少，而且需要停留在贫贫燃烧（LL_POS）模式运行的时间也是机组启动特性决定的，其运行时间在20min左右，而在热态启动中机组在贫贫燃烧（LL_POS）模式运行的时间也较长。

作为调峰机组，该厂联合循环机组的启动80%属于热态启动，在热态启动中，燃气轮机在负荷65MW维持贫贫燃烧（LL_POS）运行的时间长达30min。为减少此模式运行对机组造成的危害，最直接有效的方法就是减少热态启动过程中贫贫燃烧（LL_POS）運行的时间。

4.减少热态启动中贫贫燃烧（LL_POS）时间的措施

该厂在调峰的运行模式下，80%的热态启动过程中汽轮机从抽真空到带满负荷，总共需耗时50min，在此期间，燃气轮机在贫贫燃烧（LL_POS）模式下运行30min之久，主要取决于汽轮机在热态启动时的快慢。在汽轮机热态启动过程中，由于汽轮机汽缸温度较高，汽轮机升负荷的速度可以适当加快，减少热态启动中汽轮机的启动时间，可以从根本上解决燃机在贫贫燃烧（LL_POS）的运行时间长的问题。

根据机组启动的特性，该厂从汽轮机冲转前的准备阶段、冲转并网阶段、并网后升负荷阶段三个阶段对汽轮机热态启动过程进行分析。从而找出影响燃气轮机贫贫燃烧（LL_POS）模式运行时间的因素。

4.1 汽轮机冲转前的准备阶段

汽轮机启动前准备工作，主要是建立汽轮机真空，从而通过高压蒸汽旁路进行暖管和调节主蒸汽压力，以满足汽轮机冲转的条件。由于热态启动时锅炉也处于热态，在启动前高压主蒸汽的压力还有2.0MPa左右，温度约200℃左右。在这一阶段，限制燃气轮机升负荷的原因是利用锅炉对空排气不利于主蒸汽压力的调整，不仅会造成大量的汽水损失而且主蒸汽压力也不好调控。高压蒸汽旁路具有100%的容量，即使锅炉满负荷运行，都能维持主蒸汽压力在正常范围内。从记录上可以看出，在高压旁路投入后，主蒸汽的压力可以得到很好的控制，并可以将锅炉的蒸汽全部回收避免汽水浪费。

4.2 汽轮机冲转并网阶段

在汽轮机热态启动中，汽轮机冲转的升速率设定为500rpm/min，并且中间不停留，汽轮机满速后即进行并网操作这一期间需要维持主蒸汽压力的稳定，所以燃气轮机的负荷维持不变。在日常运行中，加强汽轮机调速系统和发电机同期装置、励磁系统的维护，确保设备运行的安全可靠性。避免汽轮机升速并网时出现异常，即可在冲转并网阶段预防燃气轮机在贫贫燃烧（LL_POS）运行时间过长。

4.3 汽轮机并网后升负荷阶段

在燃气-蒸汽联合循环启动过程中，通过机组启动前准备工作的相关措施，在日常生产中加强机组设备的维护，并采取先升燃气轮机负荷后关汽轮机高压旁路的措施，使汽轮机热态启动的时间从50多分钟缩短到35min以内，同时减少了约10min燃气轮机在贫贫燃烧（LL_POS）运行的时间。不仅在机组启动中，将燃气轮机燃烧室在贫贫燃烧（LL_POS）扩散火焰下的恶劣工况运行的影响减轻，而且将整套机组的启动时间有效的缩短了，实现了机组经济效益的提高。

5.结束语

燃烧室是燃气轮机运行中重点监控保护的对象。对燃烧室基本特性和运行工况的研究。可以在燃气轮机运行的过程中更好地保护价格昂贵燃烧室部件，确保燃机的安全高效运行。对DLN1.0燃烧系统贫贫燃烧（LL_POS）作为燃气轮机运行中的一个特殊工况，由于不能实际测量其燃烧温度，且其运行的温度范围跨度较大，其危害性并不能够得到定性的分析，但是基于扩展贫贫燃烧（EXT_LL）对燃机燃烧室部件的危害，避免贫贫燃烧模式（LL_POS）长时间运行是必要的。

参考文献：

[1]黄素华，苏保兴，华宇东等.燃气轮机NOx排放控制技术[J].中国电力，2012，45（6）：100-103

[2]章褆，任鑫.S109FA联合循环燃气轮机温度控制分析[J].燃气轮机技术，2010，（1）：34-38

作者简介：马永（1983），男，广西玉林，助理工程师，从事燃气轮机发电工作.