9H级燃机燃烧系统夏季调整分析

2024-04-09索志城马宝华

电力安全技术 2024年2期

索志城，马宝华

(天津军粮城发电有限公司，天津 300300)

0 引言

2017-05-12 ，国家发展和改革委员会、国家能源局印发的《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》要求研究先进重型燃机技术，针对单循环功率400 MW等级、联合循环效率达到60 %以上的G/H级重型燃机，研究高压比大流量压气机、低NOx排放燃烧室及等温燃烧、高效透平及其气动、冷却设计技术等；重点完善低排放燃烧试验、多燃料燃烧试验、燃烧监测和诊断、调整技术研发试验、热表工艺研发试验、整机试验和应用考核试验和示范平台；重点突破部件运行状态监测与评估技术，寿命评估及延长技术，燃烧监测和诊断、燃烧调整、燃烧室优化改造技术[1]。

重型燃机是一种可将化石燃料高效转化的装备，具有综合热效率高、维护简便等优势；同时因其具备较好的调峰性能，是当前能源系统的重要组成部分，为维护电网稳定做出了突出贡献[2]。为满足日益严格的环保要求，同时保障燃机可持续安全稳定运行，各大重型燃机制造商都在开发燃烧调整技术，要求既能深度参与调峰，同时满足燃烧稳定性好及符合相关环保要求[3]。

为减排燃烧过程中产生的污染物，燃机厂商大多采用预混燃烧技术[4]，但该技术存在着燃烧不稳定等问题，为控制燃烧温度、减少NOx的生成，燃烧室的燃空比已接近于贫燃料熄火的极限，导致熄火概率增大，跳机风险增加[5-6]。

1 概况

某企业新建1套600 MW级“一拖一”双轴布置的燃气－蒸汽联合循环发电供热机组(9H级燃机)。2021-01-28，该机组顺利通过168 h满负荷试运行后正式投产。

该燃机采用预混系统点火，DLN 2.6e燃烧系统利用微孔预混技术实现了微孔预混和全预混燃烧，燃料和空气的混合更为均匀，燃烧更为充分，从而达到更高的效率，并能降低NOx的排放。由于燃机采用了先进的微管预混技术，微孔管束替代了之前的旋流喷嘴，使得喷嘴上布置有密集的进气微管，同时在每个进气微管的轴向位置上布置多个燃料孔。当环境温度变化大、天然气热值改变大、燃机老化程度增加以及硬件改动等情况下，运维人员需要及时进行燃烧调整，以优化燃烧性能、保证机组安全和排放达标。因此，燃机的夏季燃烧调整是确保机组适应高温环境运行的重要手段。

2 调整范围及目的

1) 调整范围。燃烧调整主要针对燃机的燃烧气控制系统进行调试，包括天然气流量控制阀门、燃机清吹系统、燃机抽气系统阀门、燃机进口可调静叶(IGV)角度等。

2) 调整目的。在热态燃料(天然气性能加热器投用)下，对燃机相应负荷点进行燃料量优化；通过调整燃料控制阀，燃机清吹阀和抽气系统各阀门的开度，从而使燃烧更加稳定，满足排放要求。

3 调整的前提

预混燃烧在燃机中稳定燃烧的窗口狭窄，在空气温度、天然气组分变化的情况下，燃机的燃烧工况会偏离设计点，此时燃机的排放、燃烧的稳定性将会出现异常，需要开展燃烧调整使燃烧恢复至正常状态。燃烧调整应具备以下前提条件。

1) 中压给水可用，性能加热器可投用。

2) 天然气前置模块来气压力不低于3.5 MPa。

3) 配套的锅炉排放测试设备(SMS)投用。

4) 相关辅助系统运行正常。

5) 相关厂家的技术支持。

4 燃料控制系统介绍

气体燃料控制包括：1个辅助截止阀VS4-1，用于切断气体燃料流，使下游设备与气体供应隔离；1个截止阀VGS-1，用于快速关闭流向燃烧系统的气体燃料；1个启动控制阀VSC-1，用于在启动时调节下游压力；4个燃气控制阀VGC-1～VGC-4，用于根据燃机负载和燃烧模式将燃气分配至每个燃气管道；1套仪用空气吹扫管线，用于离线水洗后吹扫微混合燃气喷嘴VIS-1、VIS-2和VIV-1。

燃烧启动点火系统包括1个截止阀VGST-1、2个放散阀VA13T-1、VAST-10和1个控制阀VGCT-1。

在燃机点火过程中，点火器通过产生电火花对P1x空腔中提取的气体进行点火。P1x空腔在燃机的进气和供气系统中主要负责引入燃料和空气的混合物。在很短时间内，点火器产生的电弧或火花将预混气体点燃，从而启动燃机的燃烧过程。整个过程非常短暂，但足以确保燃机能够稳定地启动并进入正常运行状态。预混点火系统在燃机的其他操作模式下不工作，仅在点火过程中使用，一旦燃机启动并进入正常运行状态，预混点火系统将停止工作，并将控制权交给相关的燃烧管理系统，以确保燃机的稳定运行。

吹扫空气管线用于吹扫气体燃料系统工作过程中的无燃料气体岐管，包括1个吹扫空气冷却器HX-4-2。气体燃料吹扫系统是从压缩机中抽出空气，吹扫气体燃料喷嘴，空气首先由热交换器冷却至所需的温度，然后用来吹扫气体燃料喷嘴。气体燃料吹扫系统可以避免串火，并通过提供流经燃烧回路的空气来防止气体燃料在管道中自动点火。

4个燃机燃气岐管(PM1、PM2、PM3和AFS歧管)将燃气从气体燃料模块供应到燃机的燃料喷嘴和燃烧室中。这些岐管的设计和配置确保了燃气的顺畅流动，同时也在维护期间提供了必要的隔离。燃烧可分成两个阶段，第一阶段，PM1、PM2、PM3歧管喷出的燃料与空气混合并燃烧；第二阶段，AFS歧管里的燃料与第一阶段的产物混合并燃烧，进一步降低NOx排放。PM2歧管上包括2个清吹阀VAS-3、VAS-4，1个放散阀VAV-2和1个燃料控制阀VGC-2；PM3歧管上包括2个清吹阀VAS-5、VAS-6，1个放散阀VAV-3和1个燃料控制阀VGC-3；AFS歧管上包括2个清吹阀VAS-7、VAS-8，1个放散阀VAV-4和1个燃料控制阀VGC-4；PM1歧管没有清吹阀和放散阀，只有1个燃料阀VGC-1。

5 燃烧模式介绍

5.1 开机过程

正常气体燃料加注过程，当燃机转速高于95 %额定转速时，所有未加燃料的气路都需要清吹；当燃机转速低于95 %额定转速时，所有清吹阀关闭，所有放散阀打开。

5.2 3.1模式

燃机加速到58 %额定转速后切换到3.1模式，该模式主要在燃机启动升速或关闭时使用。在此模式下，PM1、PM2歧管加燃料，PM3、AFS歧管不加燃料，清吹阀VAS-3、VAS-4为关闭状态，放散阀VAV-2开启，清吹阀VAS-5、VAS-6、VAS-7和VAS-8开启，放散阀VAV-3、VAV-4关闭，此时PM1歧管同时还应起到保持稳定工作的作用。

5.3 4.1模式

燃机开启后，在负荷条件下使用4.1模式，此模式只有PM1、PM3歧管加燃气：VGC-1、VGC-3用于调节燃气流量，VGC-2、VGC-4关闭。用压气机空气(CPD)吹扫PM2、AFS歧管，VAS-3、VAS-4、VAS-7、VAS-8将被打开，VAV-2、VAV-4关闭。

5.4 6.2模式

负荷进一步增长时选用6.2模式，此时PM1、PM2、PM3歧管加燃料，AFS歧管不加燃料。关闭清吹阀VAS-3、VAS-4、VAS-5、VAS-6，开启放散阀VAV-2、VAV-3，同时开启清吹阀VAS-7、VAS-8，关闭放散阀VAV-4。

5.5 6.2.A模式

并网后，负荷上涨至100 MW后，会切换到6.2.A模式运行，此时PM1、PM2、PM3、AFS歧管均加燃料，所有清吹阀VAS-3、VAS-4、VAS-5、VAS-6、VAS-7、VAS-8关闭，所有放散阀VAV-2、VAV-3、VAV-4开启。燃机在部分负荷或满负荷工况时使用此模式。

5.6 停机过程

燃机停机过程中，当燃机转速低于95 %额定转速时，相关吹扫将停止，此时吹扫阀关闭，放散阀开启。

当燃机跳闸时，清吹系统的阀门进入故障安全位置(清吹阀关闭，放散阀开启)。

6 结果分析

6.1 燃料流量与燃机负荷的关系

燃烧调整一般会设定多个负荷工况，需要在控制系统中调整总燃料流量从而满足不同负荷下的燃烧要求。负荷设定分别为25 MW、30 MW、40 MW、50 MW、75 MW、80 MW、90 MW、100 MW、130 MW、200 MW、300 MW、350 MW、365 MW、402 MW(满负荷)，燃料流量与燃机负荷的关系如图1所示。

图1 燃料流量与燃机负荷的关系

由图1可知：燃料流量(X)与燃机负荷(y)呈现高度的线性相关性，回归分析得y=11.48X-109.7，经回归分析后的相关系数为0.999 453，两个变量之间存在较强的线性关系。

6.2 燃机压气机效率分析

根据MARK Vle系统中燃机的运行数据，将各个负荷工况下，压气机的压比与燃机负荷数据导出并计算分析，得到如图2所示压气机压比与燃机负荷的关系，以及如图3所示压气机效率(%)与燃机负荷的关系。

图2 压气机压比与燃机负荷的关系

图3 压气机效率与燃机负荷的关系

图2、3可得：随着燃机负荷的增长，压气机压比也呈现线性增长；但压气机的效率在300 MW以后不再增长，呈现平稳状态。

6.3 不同燃烧模式下燃料量分配关系

燃机在运行过程中有多种模式供选择，不同燃烧模式下的燃料量分配比例不同，需分别对其分别进行研究，确定燃烧的影响因素。

4.1模式下，只有PM1、PM3歧管加燃气，PM2、AFS歧管进行清吹。PM2、AFS清吹管道上的压力几乎相等，均在0.72 MPa左右，燃料阀开度与负荷的关系如图4所示。

图4 4.1模式下燃料阀开度与负荷的关系

PM2歧管上燃料阀控制阀开度、AFS歧管上燃料阀控制阀开度由于存在密封不严、泄漏导致开度异常，回归分析时将此开度忽略，由此推导出4.1模式下PM1歧管上燃料阀控制阀开度(X1)、PM3歧管上燃料阀控制阀开度(X2)与燃机负荷(y)的关系为：y=-68.281 66+X1×2.203 57+X2×0.991 78，回归统计的相关系数经计算为0.998 19，PM1歧管上燃料阀控制阀开度、PM3歧管上燃料阀控制阀开度与燃机此段负荷高度正相关。

6.2模式下，PM1、PM2、PM3歧管加燃料，AFS歧管不加燃料进行清吹。AFS歧管清吹压力小幅度上升，从0.724 MPa上升到0.793 MPa，燃料阀开度与负荷的关系如图5所示。

图5 6.2模式下燃料阀开度与负荷的关系

AFS歧管上燃料阀控制阀开度的开度值异常是由于密封不严、泄漏所导致，回归分析时将这个开度忽略，6.2模式下PM1歧管上燃料阀控制阀开度(X1)、PM2歧管上燃料阀控制阀开度(X2)、PM3歧管上燃料阀控制阀开度(X3)与燃机负荷(y)的关系为：y=-58.437 08+X1×1.788 50+X2×2.640 81-X3×0.039 45，回归统计的相关系数经计算为0.98274，PM1歧管上燃料阀控制阀、PM2歧管上燃料阀控制阀和PM3歧管上燃料阀控制阀开度与燃机此段负荷高度正相关。

6.2.A模式下，所有管路加燃料，机组满负荷运行，燃料阀开度与负荷的关系如图6所示。

图6 6.2.A模式下燃料阀开度与负荷的关系

回归分析6.2.A模式下PM1歧管上燃料阀控制阀开度(X1)、PM2歧管上燃料阀控制阀开度(X2)、PM3歧管上燃料阀控制阀开度(X3)、AFS歧管上燃料阀控制阀开度(X4)与燃机负荷(y)的关系为：y=-101.612 38+X1×1.816 47+X2×0.540 30+X3×1.752 47+X4×4.786 27，回归统计的相关系数经计算为为0.992 53，PM1歧管上燃料阀控制阀、PM2歧管上燃料阀控制阀、PM3歧管上燃料阀控制阀和AFS歧管上燃料阀控制阀开度与燃机此段负荷高度正相关，并且在此模式下，AFS歧管上燃料阀控制阀起到了最关键的作用。