9E燃机电厂燃烧模式分析与管理

摘  要：NOx排放是燃气电厂的一个重要指标，罗泾电厂使用的9E燃机通过DLN1.0低NOx燃烧器保证其满足国家排放要求。通过对装备DLN1.0燃烧系统的PG9171E燃气轮机不同燃烧模式进行了研究，为深刻理解燃气轮机燃烧模式切换过程，解决燃烧切换失败、切换模式时负荷大幅波动等故障情况提供思路，也为同类型燃机电厂在燃烧模式故障方面提供了宝贵的经验和参考。

关键词：9E燃机;燃烧模式;DLN1.0;NOx

Abstract：NOx emission is an important index of gas power plant. The 9E gas turbine used in Luojing power plant meets the national emission requirements through DLN1.0 low NOx burner. Through the research on different combustion modes of PG9171E gas turbine equipped with DLN1.0 combustion system，this paper provides ideas for deep understanding of the combustion mode switching process of gas turbine，solving the failure of combustion switching and the large fluctuation of load when switching modes，and also provides valuable experience and reference for the combustion mode failure of similar gas turbine plants.

Keywords：9E gas turbine;combustion mode;DLN1.0;NO

0  引  言

为了降低NOx排放量，燃气轮机厂商普遍采用向燃烧区注水或蒸汽等措施来降低排放，但是采用这种降低NOx排放的方法会对燃气轮机的性能及检修间隔等产生较大的负面影响，而且CO和UHC等大气污染物也会大量增加。正因为这些原因，燃气轮机生产商一直致力于研究其他类型的NOx排放控制技术。例如目前广泛使用的干式低NOx（DLN）技术，即通过预混燃烧时控制燃料和空气的掺混比例，使燃烧火焰面温度低于扩散燃烧理论燃烧温度，控制NOx的浓度。基于此，我厂使用的9E燃机通过DLN1.0低NOx燃烧器保证其满足国家排放要求，现就相关的燃烧模式进行分析和管理。

1  启动过程中的燃烧模式

9E燃气轮机一共有8种燃烧模式：

（1）负荷恢复模式;

（2）预混稳定模式;

（3）预混切换模式;

（4）二次切换模式;

（5）扩散贫-贫模式;

（6）贫-贫负燃烧模式;

（7）贫-贫正燃烧模式;

（8）初始燃烧模式。

8种燃烧模式有4个典型的切换温度值：

（1）L26FXL1=1 650 ℉;

（2）L26FXS1=1 970 ℉;

（3）L26FXL2=1 995 ℉;

（4）L26FXL3=2 005 ℉。

机组在正常启动升负荷状态下，分别经历初始燃烧模式、贫-贫正燃烧模式、二次切换模式和预混切换模式，并在一定条件下完成切换，直至最后进入预混稳定模式，每种燃烧模式的特点和逻辑状态分析如下。

1.1  初始燃烧模式

燃气轮机启动点火后，其燃烧模式为初始燃烧模式，在这种燃烧模式条件下，只有燃料控制阀1（GCV1）是开启的，火焰只在一区能探测到。在此期间，清吹控制阀一直保持开启状态。机组并网后，随负荷和燃料不断增加，当TTRF1高于1 650 ℉后，退出初始燃烧模式。

初始燃烧模式逻辑图如图1所示，L28FPDX为一区兩个以上火焰探测器探测到火焰且延时0.5 s后置1。L14HA为加速转速继电器（小于40%为0，大于50%为1）。L83FXL1为选择贫-贫燃烧模式。L26FXL1为TTRF1燃烧温度大于1 650 ℉+进气温度修正常数。L83FXP为初始燃烧模式被选择。

综合而言，在燃烧温度小于1 650 ℉时，贫-贫模式未被选择时，三种情况会选择初始燃烧模式为：

（1）一区点火成功;

（2）升速时转速小于50%，降速时转速小于40%;

（3）失去主保护，机组脱扣。

1.2  贫-贫正燃烧模式

贫-贫正燃烧模式逻辑图如图2所示，L83FXL1为贫-贫模式被选择。L83LLEXT为选择扩散贫-贫模式。L3FXSX为DLN模式方向闭锁，1为可以向上切换。当TTRF1高于L26FXL1（1 650 ℉）后，则进入贫-贫正燃烧模式，GCV2打开，二区火焰建立，一区二区同时存在火焰，GCV1、GCV2阀位通过FSR的分解值进行，GCV1减小、GCV2打开并快速开启到位，最终燃料按照7：3的配比，分别通过一级、二级喷嘴引至燃烧室一区和二区。负荷在50 WM左右，TTRF1温度在930 ℉右[1]。

1.3  二次切换模式

图3为二次切换模式逻辑图。L3FXS1X为二次切换模式选择中间，正常时为1，出现故障或问题时为0。L33PGTC为清吹控制阀va13-13和va13-14已关闭。L3GCV3A为GCV3不跟随报警。二次切换模式应在30.0 s内结束（正常时间约为20.0 s左右），否则触发L30FX1A报警。

当TTRF1高于L26FXS1（1 970 ℉）后，并确认清吹控制阀已关闭，GCV3打开预充，进入二次切换模式，此时TTRF1的温度可能约在2 005 ℉左右，机组负荷为80 MW左右。在正常情况下，机组加负荷，TTRF1高于1 970 ℉，两个清吹控制阀关闭，GCV3开始小开度打开进行预充，预充结束后GCV3随之打开，GCV2继续加大开度，GCV1逐渐全关，一区火焰消失，原GCV1的燃料供应由GCV3取代，保持在切换期间，机组出力不会出现大的波动，此时只在二区有火。二次切换模式应在30.0 s内结束（正常时间约为20.0 s左右），否则触发报警L30FX1_ALM。此时负荷大约为80 MW，TTRF1温度为1 090 ℉[2]。

1.4  预混切换模式

图4为预混切换模式逻辑图，L83FXP1为预混切换模式被选中。K83FXP1为预混切换模式延时时间（5.0 s）。L33FX_0为GCV1开度小于3%。L4GSV为燃料控制阀主保护信号存在。L28FSDX为二区有火，一区无火焰。L26FXS1为TTRF1温度大于1 970 ℉。L3FXPM1表示允许切换到预混稳定模式。L33PGTC为清吹控制阀完全关闭。L3GCV3A为GCV3控制不跟随。

在二次切换模式完成后，确认GCV1开度小于3%，二区有火，一区无火，TTRF1超过L26FXS1（1 970 ℉），确认两清吹控制阀在关闭状态，GCV3控制正常，则延时5.0 s进入预混切换模式。预混切换模式可以分为两段，分界点在GCV2的关闭状态，如图4所示。

第一段为满足预混切换模式条件后，在FSR计算下GCV1迅速打开，GCV2首先开始逐渐关闭，GCV3也随之缓慢关闭，保持在切换期间，机组出力不会出现大的波动。待GCV2完全关闭后，GCV2再次打开，同时继续控制GCV3关闭，清吹控制阀随后再次打开，对管道进行冷却，切换完成后一二区的燃料配比仍为81%和19%。GCV2在较短时间进行关闭和打开，是为了确保在控制阀1开启时降低二区火焰强度，避免高温导致一区出现火焰，此时负荷大約在82 MW。

1.5  预混稳定模式

图5为预混稳定模式逻辑图，L83FXS1为二次切换模式。L3FXPM2为还未准备好切换至预混稳定模式，延时为0.5 s;（温度高于1 995 ℉且GCV1配比大于76%）或者（选择预混稳定模式&退出预混切换模式）后延时1.0 s后为“0”。L28FSDX为二区有火，一区无火焰。L4GSV为燃料分解阀主控信号，L4为1及3 000转时为1。

温度高于L26FXL2（1 995 ℉）且GCV1打开到位，再0.5 s后（L3FXPM1），退出预混切换模式，准备进入预混稳定模式。预混切换模式完成，确认GCV1已完全开到位且TTRF1高于1 995 ℉后延时1.0 s，二区有火一区无火焰，二次切换模式未选中，则进入预混稳定模式，此时TTRF1约为2 015 ℉，机组出力约为88 WM，一区和二区燃料配比为81%和19%。最终GCV1和GCV2阀位在38%和18%左右。

在此状态下，燃料按配比常数FXKSPM的要求分别由GCV1和GCV2提供，GCV3将继续关闭至完全关闭状态，GCV3完全关闭后，命令两清吹控制阀至打开状态。

2  非正常燃烧模式

2.1  负荷恢复模式

当在3 000转主保护建立且二区有火一区无火条件下，如发生以下情况：

（1）发电机出口开关断开;

（2）远控模式下打开出口断路器信号发出;

（3）TTRF1低于1 920 ℉;

（4）二次切换模式超过30.0 s;

（5）GCV3控制阀不跟随;

（6）清吹管路状态异常;

（7）非二次切换模式，非二次负荷恢复模式，非预混切换模式，非预混稳定模式，且一区无火二区有火。

在以上非正常状态发生时，则进入负荷恢复模式，对一区进行重新点火。一区火焰重新建立，以保证机组燃烧的稳定性，同时尽快恢复机组出力。

2.2  扩散贫-贫模式

进入扩散贫-贫模式的方式有3种。一区有火焰信号且TTRF1大于2 005 ℉时情况下：

（1）点选了贫-贫基本负荷模式，或出现燃烧故障导致分散度1、2高，或者2、3高的情况，再或使用快速启动方式则会进入扩散贫-贫模式;

（2）选中预混切换模式，一区无火焰或者切换方向无闭锁时;

（3）在二次切换模式中，清吹控制阀应关时未及时关闭或清吹控制阀关闭后清吹控制阀间压力高（大于3.4 bar）。

燃气轮机在扩散贫-贫模式下运行，将会快速减少热部件的寿命，当进入这种燃烧模式时应尽快减少负荷，切换至贫-贫燃烧模式。

3  结  论

本文详细地介绍了9E型燃气轮机特有的DLN1.0燃烧系统及切换方式，正是因为DLN1.0在预混稳定模式下，具有稳定燃烧、低排放等一系列优点，在日益严峻的环保形势下，其才能拥有较为广泛的应用前景。但不容忽视的是，其也存在负荷可调裕量小、在低负荷条件下氮氧化物排放浓度偏高等缺点。这也对我们9E机组的启动运行过程提出了新的技术要求。

参考文献：

[1] 柴志红，刘志勇，万洪军，等.PG9171E型燃气轮机DLN 1.0燃烧调整技术分析 [J].燃气轮机技术，2015，28（3）：53-61.

[2] 宋传教.9E燃气轮机燃烧模式切换失败原因分析处理 [J].仪器仪表用户，2016，23（4）：88-91.

作者简介：姚书恒（1990—），男，汉族，浙江杭州人，热控专工，硕士，研究方向：热工自动化。