PG9171E燃气轮机燃料分配算法解析

陈子静 王勇 王兆舜 曹伟平 熊超

摘要：以某厂PG9171E燃气轮机为研究对象，介紹了DLN1.0燃烧室结构特点、燃烧模式及燃料控制策略，结合实际案例，对燃气轮机在燃烧模式切换过程中的燃料分配算法进行了深入的研究分析。DLN1.0燃烧技术的解析对于燃烧调整以及燃机控制系统国产化具有一定的实际参考价值及指导意义。

关键词：PG9171E;燃气轮机;DLN1.0燃烧室;燃烧模式;燃料控制策略

中图分类号：TK472  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）01-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.001

0    引言

当燃气轮机中气体燃料燃烧为扩散燃烧时，由于燃烧温度高，在燃烧过程中极易产生数量较多的热NOx污染物，因此，为实现低NOx燃烧，DLN1.0燃烧技术采用均相贫预混的湍流火焰传播燃烧方法[1]，通过将燃烧器改为两级串联式，从而将燃料燃烧由最初的扩散燃烧通过模式切换和改变燃料分配的方式逐步过渡至预混燃烧，通过调节空燃比，可以保证燃烧温度始终低于1 650 ℃，故能有效抑制热NOx的生成。

而如何确保在模式切换过程中燃料分配变化不对燃气轮机正常安全稳定运行产生影响，如导致回火、脱火、振荡燃烧、负荷波动或是CO排量高等问题，则尤为重要。本文以某厂PG9171E燃气轮机为研究对象，深入研究了DLN1.0燃烧技术。

1    DLN1.0燃烧室

由图1可知，干式低NOx（DLN1.0）是一种两级串联式的预混稀释态的DLN1.0燃烧室。一区由6个彼此隔开的燃烧空间组成，每个燃烧空间都装设各自的旋流器和燃料喷嘴，通过中心体组合件，装设一个二区燃料喷嘴和旋流器，在文丘里组合件后便是二区。

由压气机来的高压空气被分流为3个部分，即一次空气、冷却空气和二次空气。一次空气流经旋流器、端部配气盖板、过渡锥顶上的鱼鳞孔以及开在火焰筒前段的三排一次射流孔，进入燃烧区，直接与燃料进行混合与燃烧;冷却空气穿过在火焰筒壁上的多排冷却空气射流孔分散进入火焰筒中，在火焰筒壁面附近形成一个温度较低的空气冷却膜，保护管壁避免高温灼烧;二次空气由开在火焰筒后段的混合射流孔射入由燃烧区来的高温烟气中，对高温烟气进行掺冷，从而降低进入透平入口的温度[2-3]。

2    燃料控制算法

为了将燃气轮机的燃烧方式由扩散燃烧过渡至预混燃烧，PG9171E燃气轮机燃料控制算法将实时燃烧基准温度与预选设定的燃烧温度基准阵列参数进行比较，并根据其他辅助逻辑条件，判断燃气轮机所处燃烧模式，然后根据燃气轮机实时运行状态计算出当前燃气轮机所需燃料量，以实现燃烧模式的顺利切换并调节一区、二区各燃料阀的燃料量。

由图2可知，燃料控制算法主要由燃料行程基准、燃料分配基准及燃料流量基准组成。燃料行程基准计算控制可分为8种类型：启动升速控制、加速控制、转速/负荷控制、负荷限制控制、温度控制、停机控制、压气机压比控制和手动控制，这8个控制模块的控制输出，通过最小值选择作为当前燃料行程基准;燃料分配基准则根据燃烧基准温度辅以其他逻辑条件判断燃气轮机所处燃烧模式，并根据不同的燃烧模式得出一级燃料阀在燃料行程基准中所占的比例值，剩余的燃料行程基准值由二级燃料阀与切换燃料阀根据需要再次分配，从而获得各燃料阀的分配比例;燃料流量基准是由燃料行程基准及燃料分配比例计算得到的分配流量以及由压气机排气压力和燃料温度计算得到的预充流量相加得到。

另外，由于二级燃料阀及切换燃料阀后环管结构复杂，环管体积大，管路行程长，为了快速排出二级燃料阀及切换燃料阀管路中的空气，对于二级燃料阀和切换燃料阀在其首次开启之时需要预充流量对管路进行预充，而预充流量是压气机排气压力和燃料阀前温度的函数，并随着压气机排气压力的增大而增大，燃料阀前温度的增大而减小。虽然压气机出口至燃烧室有一定的压损，但仍可近似认为燃烧室压力等于压气机排气压力，因而为了保证燃料管路与燃烧室之间的压差，当压气机排气压力增大时需要增大预充流量，以增大燃料阀开度来提高燃料阀后压力。

3    燃烧模式

DLN1.0燃烧技术共有8种燃烧模式，即初级燃烧模式、贫贫增燃烧模式、贫贫减燃烧模式、扩展贫贫模式、二次切换模式、预混切换模式、预混稳定燃烧模式以及负荷恢复模式。在机组正常启动运行期间，按时间顺序共经历5种燃烧模式，即初级燃烧模式、贫贫增燃烧模式、二次切换模式、预混切换模式、预混稳定燃烧模式。在机组正常停机期间，按时间顺序共经历4种燃烧模式，即预混稳定燃烧模式、贫贫减燃烧模式、贫贫增燃烧模式、初级燃烧模式。在燃烧异常工况下，则会触发扩展贫贫模式或负荷恢复模式[4]。本文以某燃气电厂PG9171E燃气轮机为研究对象，对其模式切换过程中的燃料控制算法进行了研究分析。

3.1    初级燃烧模式

燃机从点火开始，经过暖机、加速、全速空载到低负荷运行（燃烧基准温度低于1 650 °F），都工作在初级燃烧模式（图3）下。在该燃烧模式下，只有一级燃料阀开启，所有燃料进入一区，进行扩散燃烧。

3.2    贫贫增燃烧模式

随着负荷的不断升高，当燃烧基准温度高于1 650 °F时，二级燃料阀开启，此时进入贫贫增燃烧模式（图4），二级燃料管路开始预充，一区的燃料分配比例由100%按4.5%/s的速率降至95%，二区的燃料分配比例由0%按4.5%/s的速率增至5%，此外二区预充流量按0.05%/s的速率增加至目标值;当二级燃料管路预充完成后（二级燃料管路预充时间由预充流量计算得到），一区的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%，二区的燃料分配比例则由5%按4.5%/s的速率增至30%，由于二区燃料量的增大，在预充完成大约6 s后，二区着火，最终一区、二区燃料分配比例为7：3。另外，预充完成后延时3 s，预充流量按0.02%/s的速率减小至0。

3.3    二次切换模式

当燃烧基准温度高于1 970 oF时，燃料吹扫阀组关闭，切换燃料阀开始预充，预充流量按0.05%/s的速率增加至目标值，当切换燃料阀预充完成后，进入二次切换模式（图5），一区燃料分配比例由70%按4.5%/s的速率减小至0%，一区熄火，所有燃料通过二级燃料阀和切换燃料阀进入二区进行燃烧，其中切换燃料阀的燃料分配比例由0%按5.2%/s的速率增加至65%，剩下的燃料分配给二级燃料阀。

3.4    预混切换模式

一区熄火、二区有火后延时5 s，进入预混切换模式（图6）。预混切换模式可以分为两段，分界点为二级燃料阀处于关闭位置。第一段，进入预混切换模式后，一级燃料阀开启，一区燃料分配比例为81%，并按6.4%/s的速率逐步增加，切换燃料阀的燃料分配比例由二区燃料量的65%按5.2%/s的速率增加，二区二级燃料阀的燃料分配比例由二区燃料量的35%逐渐减小至0%，即将二区燃料量全部送入切换燃料阀直至二级燃料阀全关;第二段，在二级燃料阀全关的同时，切换燃料阀的预充流量也减至0，此时一区燃料量增加至总燃料量的40%，切换燃料阀燃料量分配比例按5.2%/s的速率减小，二级燃料阀开度逐渐增大。二级燃料阀在预混切换模式下经历开大、关闭、开大的动作，保证在一级燃料阀开启过程中二区火焰强度降低，以控制燃烧温度，防止一区重点火。

3.5    预混稳定燃烧模式

当一区分配燃料量增加至与预混稳定分配流量基准值偏差在5%以内时，延时0.5 s，进入预混稳定燃烧模式（图7），由于此时一区和二区的分配燃料基准变化较小，切换燃料阀的分配流量仍按5.2%/s的速率减小，二级燃料阀的分配流量则按同等的速率增加，直至切换燃料阀全关，至此一区只进行燃料与空气的混合，二区进行燃料的燃烧反应。

4    模式切换过程案例分析

4.1    初级模式切换至贫贫增模式

由图8可知，在从初级模式切换至贫贫增模式的起始阶段，负荷会出现小幅度下跌，下降幅度大致为2 MW，这是因为一区燃料分配比例从100%降至95%的过程中，虽然二级燃料阀开启，但二区还未着火，从而导致负荷出现小幅下跌，但负荷降低后转速偏差增大，燃料行程基准会迅速增大以增加燃料量。当二级燃料管路预充完成后，一区的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%，二区的燃料分配比例则由5%按4.5%/s的速率增至30%，由于二区燃料量的增大，在预充完成大约6 s后，二区着火。

另外，由于预充完成后延时3 s，预充流量按0.02%/s的速率减小至0，因而二级燃料阀开度逐渐减小并稳定在一个由燃料行程基准和燃料分配比例计算得到的阀位。由此可以看出，为了燃烧模式的平稳过渡，防止负荷、透平初温等出现较大波动，燃料量的调节分为两段进行：第一段，对二级燃料管路进行小流量预充以排出管路内的空气;第二段，快速增加二级燃料阀流量，使二区尽快稳定着火。

4.2    贫贫增模式過渡至预混稳定模式

从贫贫增模式过渡至预混稳定模式过程尤为重要，一方面应尽可能保证燃烧火焰的稳定性，避免由于燃烧不稳定或燃烧振荡造成燃烧器及热通道部件损坏，另一方面应保证燃烧基准温度能达到切换至预混稳定模式所要求的阈值，且波动幅度应控制在预设死区以内。同时，从贫贫增模式过渡至预混稳定模式的时间应尽可能短，当燃烧完全发生在二区时，火焰温度极高，火焰辐射强，对燃烧室寿命有较大影响[5]。此外，由于燃烧方式的改变，燃烧室内的温度场分布有较大变化，应保证排烟分散度在允许范围以内。

由图9可以看出，由于切换燃料阀预充流量的作用，在进入二次切换模式前，负荷已偏离原先增长速率而加速增大，透平初温、排烟分散度有明显增大，此时透平初温所能达到的峰值为整个贫贫增至预混过程中的最高值，该峰值必须超过1 995 °F，才能满足切换至预混模式的温度基准;随着燃料行程基准减少，负荷逐渐降低，透平初温也逐步下降，当进入预混切换模式后，一区燃料增大，一区只进行燃料和空气的混合，二区保持扩散燃烧的燃料量减少，因而燃烧强度减弱，火焰温度降低，此时透平初温会出现一个低点，该低点温度不能低于1 970 °F，否则会导致预混切换模式时间延长，甚至导致模式切换失败。燃烧温度基准的第二个谷值出现在预混切换模式至预混稳定模式的初期，该谷值同样不能低于1 970 °F，若该谷值低于1 970 °F，且3 s内燃烧温度基准没有增加至1 995 °F，则会导致一区主动重点火，模式切换失败。从贫贫增模式过渡至预混稳定模式过程时间较短，大约26 s。

4.3    模式切换异常案例分析

图10为一模式切换异常典型案例，该次模式切换过程中第一个谷值为1 967.7 °F，从而导致在预混切换模式下燃烧度基准必须再次高于1 995 °F才能进入预混稳定模式，其进入预混稳定模式的时间比正常情况迟了大约4 s，同时也有可能在燃烧温度基准增大的过程中导致排烟温度分散度高，进而诱发一区被动重点火。

图11为一模式切换失败典型案例，该次模切过程中第二个谷值为1 968.4 °F，因3 s内燃烧温度基准未增加至1 995 °F，从而诱发一区主动重点火，进入贫贫减负荷模式，当燃烧基准温度大于2 005 °F，延时1 s，切换至扩展贫贫模式，模式切换失败。

5    结语

本文以某厂PG9171E燃气轮机为研究对象，介绍了DLN1.0燃烧室结构特点、燃烧模式及燃料控制策略，并结合实际案例，对燃气轮机在燃烧模式切换过程中的燃料分配算法进行了深入的研究分析，DLN1.0燃烧技术的解析对于燃烧调整以及燃机控制系统国产化具有一定的实际参考价值及指导意义。

[参考文献]

[1] 赵士杭.燃气轮机循环与变工况性能[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2] 章素华.燃气轮机发电机组控制系统[M].北京：中国电力出版社，2013.

[3] 洪亚光，姚伟民，殷春宏.9E燃气轮机DLN1.0自主燃烧调整关键策略[J].发电设备，2020，34（4）：274-278.

[4] 柴志红，刘志勇，万洪军，等.PG9171E型燃气轮机DLN1.0燃烧调整技术分析[J].燃气轮机技术，2015，28（3）：53-61.

[5] 丁阳，郝建刚，谢大幸.9E型燃气轮机DLN1.0燃烧系统数值分析[J].华电技术，2020，42（5）：31-36.

收稿日期：2021-09-23

作者简介：陈子静（1988—），男，江苏南京人，工程师，从事燃气轮机控制系统研究工作。