燃气轮机燃烧调整和自动燃烧调整技术探讨

燃气轮机燃烧调整和自动燃烧调整技术探讨

刘飞

（晋能电力集团有限公司嘉节燃气热电分公司山西省太原市030006）

摘要：燃气轮机燃烧调整是重型燃气轮机的关键技术和重要难题之一。文章首先简要介绍了三菱M701F型燃气轮机的燃料系统结构及基本的控制原理，之后重点讨论燃气轮机燃烧调整的目标，燃烧调整及自动燃烧调整主要的监测手段及调整方法，最后阐述了燃气轮机燃烧调整技术的发展。

一、三菱M701F燃气轮机结构及基本控制原理

三菱M701F燃气轮机采用干式低NOx燃烧技术，燃料按照功能的不同，分为值班燃料、主燃料、顶环燃料。天然气经压力控制阀后将被分配到四条燃料管线：值班管线、主A管线、主B管线、顶环管线，各个管线的燃料流量分别由安装在燃料单元中的控制阀控制，最后进入燃烧器燃烧。大部分的燃料通过主燃料喷嘴，与空气充分混合后进入燃烧室燃烧，并产生预混火焰。值班燃料喷嘴产生扩散火焰。从燃烧火焰的位置来说，扩散火焰在燃烧筒中部，由于具有高温区，火焰较稳定，预混火焰在扩散火焰四周，布满燃烧室的空间，在整个燃烧区域中温度相对均衡，从而能够实现较少的NOx排放。三菱燃气轮机的IGV开度和燃气温度控制阀开度则基本上是由机组负荷和当时的燃气轮机进气温度决定，按照一定的曲线开启，在燃烧调整过程中一般只在满负荷时进行改变以找寻机组最适合的控制方式。因此在早期时候三菱机组在不同负荷过程中燃烧调整的最主要内容是PLCSO和BVCSO的调整来控制燃气轮机燃烧状态的。三菱M701F燃气轮机的燃烧调整主要调整的项目包括CSO、值班燃料占总燃料比例（PLCSO）以及燃烧室旁路调节阀的开度（BVCSO）、IGV开度（IGVCSO）等。由于此种燃烧控制有诸多不足，基于此，三菱经过不断探索，开发了基于燃烧负荷指令来控制燃烧的燃烧策略。

新的燃烧控制方案将值班燃料控制信号输出、顶环燃料控制信号输出和主燃料控制信号输出都根据燃气轮机入口燃气温度进行控制，但燃气轮机入口燃气温度非常高（可达1500℃），现阶段还不能直接长时间测量这么高的温度。因此，不能直接根据燃气轮机入口燃气温度的实测值来控制值班燃料控制信号输出、顶环燃料控制信号输出和主燃料控制信号输出转变成燃气轮机入口燃气温度（TIT）的函数，就要把燃气轮机入口燃气温度设定成无量纲化MFCLCSO的控制参数。MFCLCSO的控制燃烧方案具备自动校正功能，其依据燃气轮机的排气温度和压气机的压比判断出燃气轮机入口燃烧气体温度是否达到了最高燃气温度，当燃气轮机入口燃气温度达到了最高燃气温度后就开始校正。因此，即使燃气轮机性能恶化了，也能保持燃烧符合控制信号输出与各燃料控制信号输出的关系和燃烧负荷控制信号输出与燃烧器旁路控制信号输出的关系。

二、燃气轮机燃烧调整的目标、监测手段与调整方法

1、燃烧调整的目标

燃气轮机燃烧调整的首要目标是保证燃烧的稳定和保障机组的安全运行。其中包括了保证燃烧不熄火、不回火、燃烧室不超温、燃烧波动不至于导致燃烧室破坏等几个方面。在保证机组安全稳定运行的基础上，燃烧调整的目的还要提高燃料燃烧效率，减少污染物排放。目前三菱F级燃气轮机普遍采用干式低氮氧化物（DLN）燃烧室，利用预混火焰降低燃烧温度来减少NOx排放，对于M701F级燃气轮机，一般要求其NOx的排放量在25ppm以内。由于NOx排放量一般随着燃烧温度的升高而升高，因此一般在机组高负荷运行时的调整需要特别注意对NOx排放量控制。另外，通过燃烧调整还可以发现机组是否存在缺陷等，也是对机组运行状态的一个检验。

2、主要的监测手段

实现燃烧调整的所有目标，需要有足够的监视手段，对于燃气轮机而言，主要需要监测的参数包括点火转速和时间、燃机各负荷下各控制回路的输出、机组振动、燃料调阀开度、IGV、Bypass阀开度、燃料温度、燃料压力、燃料流量、燃气轮机入口温度、入口压力、入口湿度、压气机排气压力、BPT温度、EXT温度以及燃烧压力波动CPFM波形、烟气中NOx含量、CO2含量、未燃尽物含量等。其中，对于燃烧稳定性，最主要的指标包括燃烧室压力波动和燃气轮机BPT排气温度分散度。

2.1燃烧室压力波动

三菱M701F4燃气轮机包含20个燃烧室，在每个燃烧室上各安装一个燃烧压力波动探头，同时，在其中的3号、8号、13号、18号四个燃烧室中各安装了1个燃烧室压力波动的加速度探头。在机组正常运行时，每个燃烧波动探头均可以探测到所测量燃烧室内的压力波动的情况，由于在燃烧室的高温的狭小空间内，极小的压力波动就可能对燃烧室造成损害，因此对于压力波动的测量精度要求很高，同时要求对其测量的数值进行FFT变换后转化成各个频率段的压力波动值进行监视。其中分为12个不同的波段进行分析，对于各个波段，根据其波动的幅值对于燃烧器安全以及燃烧稳定的影响分别制定了提醒值、预报警值、报警值和跳闸值。由于燃烧室压力波动探头属于精密仪器，在燃烧室附近的高工作温度下容易损坏，为了防止由于探头损坏发出的误报警信号，需要结合实际测量到的燃烧波动的频谱图、相邻燃烧室的波动情况以及燃烧波动的突变情况等对燃气轮机燃烧报警及跳闸设置进行滤波，防止燃气轮机运行正常时由于燃烧波动探头的误动作而跳闸。

2.2BPT和EXT排气温度

众所周知，燃气轮机内采用的是布雷顿循环，根据其原理，可以利用燃气轮机排气温度T4以及压气机压比等参数计算得到燃烧室的温度T3。为了精确测量燃气轮机的排气温度，三菱M701F设置了BPT和EXT两组温度测点，其中在透平末级叶片下游有20支BPT的热电偶，对应燃气轮机的20个环管型燃烧室，在扩压段后有6支EXT温度测点。由于BPT温度测点距离透平较近，此处的烟气混合还不均匀，具有较大的分散度，能够较为直观的反映各个燃烧室的温度情况。在机组运行过程中，如果各个燃烧筒中的燃烧情况不同，可能引起燃烧温度和燃气温度的变化，经过透平叶片后以一定的滞后角的形式反映到置于透平末级动叶后的BPT温度变化上，当各BPT温度的不均匀度达到一定值，或者某个BPT温度偏差较大时，可以认定相应的燃烧室存在这燃烧不良或者燃烧室损坏的情况。这个BPT温度和燃烧室燃烧情况的滞后角由机组的转速及透平中的气流速度确定。需要指出的是，BPT温度的监测不仅可以了解各个燃烧室内燃烧情况是否良好，还可以对燃烧室的安全状况进行监测。通过对BPT排气温度分散度的监测能够很容易的发现这个问题，尤其是当其分散度出现突变时需要特别注意。

3、燃烧调整的方法

三菱M701F机组在各个负荷段的燃烧调整，主要通过控制各燃料喷嘴的燃料量和燃烧室旁路阀的开度来控制燃烧状态。

3.1燃料分配控制：全燃料信号控制输出（CSO）又分为值班燃料控制信号输出（PLCSO）、顶环燃料控制信号输出（THCSO）和主燃料控制信号输出（MCSO）三部分。燃气轮机在实际运行中会遇到许多不确定的运行工况，比如为了配合燃烧自动调整，进行压气机在线水洗时需要对PLCSO和THCSO的比例进行调整，在实际控制中分别将燃烧自动调整（A-CPFMADJUST）、压气机在线水洗（ONLINEWASHING）和燃料偏置函数对值班燃料基准值PLCSOo和顶环燃料基准值THCSOo进行修正后得出最终的PLCSO和THCSO。

3.2燃烧室旁路阀控制分并网前和并网后两部分。

并网前燃烧室旁路阀的控制信号输出（BYCSO）是燃气轮机转速与燃烧室壳体压力函数只比的函数，并根据压气机进气温度进行校正。

并网后燃烧室旁路阀被设定成MFCLCSO的函数，可以根据透平入口气体温度来控制燃烧室旁路阀的开度，并根据燃烧情况来预测生成最佳燃烧区域，对旁路阀的开度进行修正控制。为防止修正量过大，对燃烧状态造成较大的影响，防止燃烧室旁路阀过度开大或关小，对燃烧稳定和污染物排放指标的影响，修正量被限制在一个很小的范围内。

三、燃气轮机燃烧调整技术的发展

燃烧室旁路阀是三菱燃气轮机的一个创新点，相当于增加了一个调整手段。利用旁路阀，可以将燃气轮机燃空比和燃烧室内的燃空比分开进行调节，从而更有利于形成更稳定的火焰，保障燃烧室的安全稳定和高效率燃烧。M701F燃气轮机的燃烧调整工作从基本原理和实施方法来看较为简单。但是由于燃烧调整工作自身的具有一定的危险性，因此，一方面要求试验人员对于机组的运行特性及其主要参数的相关性非常熟悉；另一方面，需要有大量的试验数据支持。

参考文献

[1]焦树建燃气—蒸汽联合循环.北京：机械工业出版社2000

[2]严传俊，范玮燃烧学.西安：西北工业大学出版社2005.8

[3]门金成大型燃气-蒸汽联合循环发电技术.三菱F级，2017（11）：147-152