西门子PCS燃烧器不同燃料下的燃烧保护差异

王勇哲

(青岛华丰伟业电力科技工程有限公司， 山东青岛 266100)

国产化双燃料燃气轮机的成功自主研制和工程化应用，打破了国外生产厂家对我国核心设备领域的长期技术垄断。燃气轮机大部分以天然气和油为燃料；双燃料燃气轮机是指利用双燃料燃烧技术，即同时使用液体/气体燃料的燃气轮机。在燃气轮机中实施双燃料燃烧技术可以提高燃气轮机对燃料的适应性，拓宽燃气轮机应用领域。笔者对西门子平台燃烧系统(PCS)燃烧器在燃气轮机不同燃料下燃烧保护差异进行分析与总结，以期对同类型机组提供参考。

1 西门子PCS燃烧器简介

某项目采用西门子公司SGT6-5000F(5)型燃气轮机，额定频率为 60 Hz，额定输出功率为 200 MW，配置了超低氮氧化物(NOx)燃烧器。西门子公司基于西屋W501F环管型燃烧器开发了PCS，相关技术已经用于SGT6-6000G和SGT5-8000H等相关燃气轮机机型中。安装在SGT6-5000F(5)型燃气轮机上的PCS拥有16个可以使用天然气和油的双燃料燃烧器。燃烧器上各阶段的燃料接口分配见图1。

图1 燃烧器上各阶段的燃料接口分配

每个燃烧器的燃气系统有A、B、C、D、P 5个阶段燃料。正常运行时使用天然气作为主燃料，油作为备用燃料。每个燃烧器的燃油系统有A、B、P 3个阶段燃料。

燃烧器组成见图2。

图2 燃烧器的组成

燃烧器主要包括燃烧器外衬套、燃烧器和过渡段部件。燃烧器中心采用两级值班火焰模式的喷嘴(简称值班喷嘴)，其喷出的火焰称为值班火焰，包括扩散级P阶段和先导预混级 D 阶段，采用了旋流器燃料喷射技术。燃烧器外围布置了8个预混主喷嘴，这8个预混主喷嘴被分成A 阶段和B 阶段2个燃料级，每个燃料级均有4个喷嘴。值班喷嘴采用强旋流的气动设计，出口处形成稳定的回流区使火焰稳定，主喷嘴出口处不会形成回流区，C 阶段是经燃料小环管套在燃烧室外衬套外部，压气机排气逆流进入燃烧器前与C 阶段的燃料进行充分的混合[1-2]。

2 不同模式下的启动差异

SGT6-5000F(5)型燃气轮机由静止变频转换器(SFC)把发电机当作电动机拖动燃气轮机，转速升到清吹转速(848 r/min)进行清吹，待清吹结束后SFC脱扣，在燃气模式下从清吹转速降速至495 r/min后，再由SFC拖动燃气轮机至点火转速(530 r/min)激活点火器，点火转速根据燃气轮机压气机排气温度得出。燃气轮机分散控制系统(DCS)控制逻辑根据预先设定的点火流量打开P阶段和A 阶段燃料控制阀，燃气轮机点火成功并升速到2 655 r/min后，燃料D阶段燃料控制阀投入运行；在15%标准负荷(修正后燃气轮机的最大负荷)以下A 阶段、 P阶段和D 阶段燃料控制阀投入运行，保证燃气轮机低负荷运行时的稳定性和控制低CO排放量。燃气轮机负荷逐渐增大到15%标准负荷以后，B 阶段燃料控制阀与C 阶段燃料控制阀开始投入，并与A 阶段燃料控制阀一起逐渐增加开度以增加燃料量，扩散燃烧P阶段燃料控制阀开始逐渐减小开度以减少NOx排放量；燃气轮机负荷超过80%标准负荷后，燃烧主要由A 阶段和B 阶段两级主燃料阀供应，P阶段和D阶段仅仅在火焰中心提供值班火焰稳燃，并且流量被限制在最小范围内。这样既保证了稳定的火焰强度，又保证了最低的NOx排放量；当负荷出现波动或者燃烧出现脉动时，增加P阶段燃料控制阀开度以保证整个燃气轮机火焰燃烧稳定。燃气模式下燃气轮机启动曲线见图3。

图3 燃气轮机燃气模式启动曲线

燃油模式下转速从清吹转速降至690 r/min，再由SFC拖动燃气轮机至点火转速(750 r/min)，高压燃油泵启动，燃油P阶段燃料控制阀打开至预设定位置、延时5 s，点火器通电45 s。最后通过叶片通道热电偶温升情况向DCS提供反馈信号，指示点火顺序已完成。点火成功后，根据转速减小回油阀(PDPCV)开度，以增加高压燃油泵出口压力。转速在1 650 r/min时实现初始加速，同时打开燃油A 阶段燃料控制阀及1组控制燃油供应和排放的多功能阀，由燃油P阶段和燃油A阶段将燃气轮机升至并网转速(3 600 r/min)，燃气轮机并网后由负荷控制器接管控制，在约10%标准负荷时，燃油B 阶段投入。燃油模式下燃气轮机启动曲线见图4。

图4 燃气轮机燃油模式启动曲线

3 燃烧保护差异

SGT6-5000F(5)型燃气轮机燃烧保护主要分为5个部分，具体为：回火预回火热电偶保护、动态压力监视保护、过燃料保护、叶片温度保护、排气温度保护。关于回火预回火热电偶保护、动态压力监视保护的逻辑内判断条件，燃气模式与燃油模式相同，因此不进行详细描述。

3.1 过燃料保护

燃气轮机过燃料保护只在转速低于1 200 r/min并且测点无输出质量报警的前提下动作。

燃气模式时，各阶段过燃料测量值都由5个差压变送器测量得出。5个阶段的燃气环管通过取样管分别接入差压变送器的正端，差压变送器负端都为压气机排气压力。当点火枪通电5 s后，任意阶段燃气环管压力减去压气机排气压力超过了设定值，燃气轮机燃气过燃料保护动作。燃气模式下的过燃料保护动作设定值见表1。

表1 燃气模式下的过燃料保护动作设定值

燃油模式时，各阶段过燃料测量值通过流量分配器转速探头的频率换算得出。燃油泵启动，燃油母管排污阀关闭，进入燃气轮机点火阶段；点火枪通电15 s后，任意阶段过燃料测量值达到或者超过设定值，燃气轮机燃油过燃料保护动作。燃油模式下的过燃料保护动作设定值见表2。

表2 燃油模式下的过燃料保护动作设定值

从表1和表2可以看出：燃气模式下，需要考虑空气和天然气燃烧的比例问题，燃气环管压力和压气机排气压力之间需要有差值以防止爆燃；而在燃油模式下，由于雾化颗粒度等因素的影响，导致过燃料保护逻辑和压气机排气压力没有直接关系，但需要考虑燃油量的设定，防止燃油量过多引起超温。

3.2 叶片温度保护

燃气轮机叶片温度保护是启动和正常运行的全过程保护，在正常运行过程中监视各燃烧室的燃烧状态，在启动中判断点火成功并监视燃烧场温度均匀性。SGT6-5000F(5)型燃气轮机共安装16支叶片通道热电偶，每支热电偶输出2个温度信号到DCS，位于燃气轮机第4级动叶后，可以更快地响应温度的变化。燃气轮机叶片温度保护主要分为4个部分：叶片通道温度分散度保护、叶片通道最高温度保护、叶片通道温度设定值差异保护、叶片通道温度变化率保护。

3.2.1 叶片通道温度分散度保护

叶片通道温度分散度由叶片通道平均温度减去叶片通道最低温度计算得出,叶片通道温度分散度保护在转速高于1 000 r/min时激活，燃油模式和燃气模式下叶片通道温度分散度保护设定值在转速低于3 000 r/min时有所不同，具体表现为：

(1) 在启动过程中，燃气轮机转速大于1 000 r/min且小于1 500 r/min时，燃气模式下叶片通道温度分散度达到98 K、燃油模式下叶片通道温度分散度达到140 K会导致跳闸，并且在跳闸首出中显示燃气轮机在升速过程中叶片通道温度分散度大。

(2) 在启动过程中，燃气轮机转速大于1 500 r/min且小于3 000 r/min时，燃气模式下叶片通道温度分散度达到98 K会导致跳闸，燃油模式下叶片通道温度分散度达到168 K会导致跳闸，在跳闸首出中显示燃气轮机在升速过程中叶片通道温度分散度大。

(3) 在启动过程中，燃气轮机转速大于3 000 r/min时，燃油模式和燃气模式的叶片通道温度分散度保护设定值一致。叶片通道温度分散度达到61.6 K，延时2 s，触发自动降负荷；叶片通道温度分散度达到72.8 K，延时12 s，触发甩负荷跳闸保护；叶片通道温度分散度达到84 K，无延时，直接触发甩负荷跳闸保护。

由于燃油模式控制的精确度比燃气模式控制略差，因此燃油模式点火初期叶片通道温度分散度保护设定值限制比燃气模式点火初期叶片通道温度分散度保护设定值高，并且雾化不佳的小颗粒液体燃料附着在叶片表面燃烧，导致局部过热。长期使用燃油模式运行或多次燃油模式点火会明显影响金属部件寿命。

3.2.2 叶片通道最高温度保护

燃气轮机叶片通道最高温度保护既用在燃气轮机的启动过程中，又用在燃气轮机的正常运行中。保护主要分为单温度保护和平均温度保护，若满足以下任意条件直接触发燃气轮机跳闸：

(1) 燃气轮机单温度高于704 ℃(燃油模式与燃气模式一致)。

(2) 燃气轮机叶片通道平均温度保护设定值根据压气机排气温度得出，不同燃料下，燃气轮机叶片通道平均温度保护设定值不同，具体设定值见表3。

表3 燃气轮机叶片通道平均温度保护设定值

3.2.3 叶片通道温度设定值差异保护

燃气模式和燃油模式下的叶片通道温度设定值差异保护设定一致：叶片通道温度校准值与叶片通道温度设定值差值，大于33.6 K时自动降负荷，大于44.8 K时触发降负荷跳闸保护。

3.2.4 叶片通道温度变化率保护

燃气模式和燃油模式下的叶片温度变化率保护一致，具体表现为：

(1) 10 s内叶片通道温度最大值减去叶片通道平均值超过5.6 K，触发自动降负荷。

(2) 燃气轮机转速大于3 000 r/min后，叶片通道温度最大值与叶片通道温度平均值的差值：大于56 K，触发自动降负荷；大于61.6 K，延时2 s，断开发电机出口断路器开关；大于72.8 K，延时2 s跳闸。

3.3 排气温度保护

在燃气轮机叶片通道热电偶下游的排气扩散段设计一组排气热电偶，16支双输出排气热电偶安装在4根平均分布在排气扩散段的保护套管中，排气热电偶分布见图5，每支排气热电偶输出1个温度信号到DCS，具体保护如下：

图5 排气热电偶分布

(1) 燃气轮机排气热电偶故障超过3支，触发自动降负荷(燃油模式和燃气模式一致)。

(2)燃气轮机采用燃油模式启动，燃气轮机转速大于800 r/min且小于3 000 r/min时，若排气温度最大值减去叶片通道温度平均值大于50 K，延时1 s，触发排气温度跳闸保护。该保护主要为了避免油在排气段二次燃烧导致4级叶片损坏，可以作为叶片通道热电偶的后背和辅助保护，并且排气温度也能反映余热锅炉受热面是否得到均匀加热，如果出现偏差大需要自动降负荷以保护余热锅炉。

4 结语

通过以上研究可以看出西门子PCS燃烧器燃气和燃油模式的明显差异：

(1) 燃气阶段比燃油阶段多2级，其中多出来的2个燃料阶段全部是预混燃烧阶段，在点火升速的初期，燃气模式比燃油模式要控制得更加精准。燃油模式运行时为了减少污染物的排放，在高负荷情况下需要额外注入除盐水降低热力型NOx的生成量。因此，从环保和燃气轮机稳定运行方面考虑，燃料油只作为燃气轮机发电的备用燃料。

(2) 燃油模式运行时的燃烧温度明显高于燃气模式，因此在温度保护设定值上燃油模式比燃气模式高；同时，由于燃气轮机使用双燃料燃烧器，可以确保电厂的供电稳定性，防止天然气供应不足情况下的生产中断。

下一步应不断优化保护逻辑设定值，以同时保证燃气轮机稳定运行和确保燃油模式下燃气轮机金属的最大寿命。