DLN2.6+燃烧技术在9FA燃机上的应用分析Analysis of application of the DLN2.6+ combustion technology in 9FA gas turbines

DLN2.6+燃烧技术在 9FA燃机上的应用分析 Analysis of application of the DLN2.6+ combustion technology in 9FA gas turbines

胡东 Hu dong

广州发展电力科技有限公司 广东 广州 511400

(Guangzhou development electric power technology Co. Ltd, Guangzhou Guangdong 511400)

摘要 某燃气轮机联合循环电厂采用的是GE公司的9FA燃机，主要运行模式为日启停。该燃机的初始设计配置为DLN2.0+低氮燃烧系统，后升级为DLN2.6+低氮燃烧系统。本文介绍了两种低氮燃烧技术的关键区别，并重点分析DLN2.6+燃烧技术优点及应用后带来的效益。

Abstract GE 9FA gas turbines have been integrated into a gas turbine combined cycle power plant and been mainly running with an operating mode of daily start-stop. These 9FA gas tubines were originally equiped with the DLN2.0+ low nitrogen combustion system, and subsequently upgraded to the DLN2.6+ low nitrogen combustion system. This article introduces the critical differences of these two low nitrogen combustion technologies and then focuses on the technological improvement of the DLN2.6+ low nitrogen combustion system and the economic benefits as a result of the upgrade of combution system from DLN2.0+ to DLN2.6+.

关键词 燃气轮机 DLN2.0+ DLN2.6+ 燃烧系统 CI（燃烧器检查） HGPI（热通道检查）

某燃气轮机联合循环电厂采用的是GE公司的9FA燃机，主要运行模式为日启停。该燃机的初始设计配置为DLN2.0+低氮燃烧系统，经过十多年的运行经验发现9FA燃机DLN2.0+燃烧系统主要存在以下问题：（1）在机组启动的过程中由于需稳定燃烧火焰，扩散燃烧模式会一直投入工作，燃烧火焰面上的反应温度会相应升高，导致氮氧化物的排放浓度超标，产生可见黄烟；只有进入预混燃烧模式后，氮氧化物的排放浓度才能保证符合标准要求。虽然该燃机运行期间氮氧化物总量不超标，但在启动过程冒黄烟存在被周边不知情民众投诉的风险。（2）环境变化、燃料成份变化、硬件变化及性能衰减导致燃烧脉动升高的现象，容易造成燃烧室的损坏，影响机组并网运行的安全可靠；由于存在未到使用寿命而意外损坏的风险，在升级燃烧系统前电厂为该燃机还需专门购买3种规格的燃烧火焰筒作为应急备品。（3）GE公司对DLN2.0+燃烧部件的寿命评估表面其燃烧部件只能满足8000折算运行小时或450次折算启停次数；实际运行状况是在每次CI拆除后对燃烧器部件的评估意见均为不能继续使用，与GE公司的寿命评估吻合。由此导致燃烧器检修的周期短，燃烧器CI检修产生的资金、工期成本高。

DLN2.6+低氮燃烧系统主要包括了2.6+燃烧器和 OpFlexAuto Tune自动燃烧调整系统。与DLN2.0+燃烧器相比，DLN2.6+燃烧器在结构和工艺上做了改进，在DLN2.0 燃烧器的结构基础上增加了一支中心喷嘴并使用了更先进的涂层技术和冷却技术，从而实现了从点火至基准负荷全过程的预混燃烧方式。同时，DLN2.6+燃烧器使用6个燃烧喷嘴，每一个喷嘴的燃料量经过调整，提早进入预混燃烧模式，从而维持氮氧化物的低排放，并且防止出现燃烧振动和熄火现象。在使用 OpFlex AutoTune 自动燃烧调整系统后，DLN2.6+燃烧系统可实现：（1）提高机组运行的瞬态稳定能力，增强对电网不稳定情况的适应能力。（2）在湿度条件变化时，保持燃烧室预定的火焰温度。（3）减少定期季节性燃烧调整的需求。（4）当韦伯指数（MWI）变化±10%时，能够连续、可靠地运行。（5）降低燃烧室脉动，提供主动的乏气熄火保护。

于此同时，DLN2.6+低氮燃烧系统在可靠性方面做出如下升级：（1）为更高燃烧温度设计Super B涂层，延寿密封，增强冷却；（2）增加中心火焰以稳定燃烧室结构;（3）完整智能燃烧调整;（4）宽广热值波动适应性MWI ±10%；（5）完全的季节和环境适应性，无需进行季节燃烧调整。从而可达到：（a）消除原CI，延长维修间隔至HGPI，降低库存和检修费用；（b）燃机对燃料热值允许波动的要求更低，燃料MWI在20%内波动也不会导致意外停机；（c）NOx在25ppm以内，消除启动可见黄烟，满足排放标准。

DLN2.6+燃烧器超低NOx排放的的原理是：摒弃常规燃烧中的扩散燃烧方式，而改用均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法。简单来说，燃烧器中 NOx 的形成是火焰温度和时间的函数，此过程叫做热NOx生成过程，如图1所示。在此过程中，高温引起燃烧室中的氮气（N2）分解成单原子氮，随后单原子氮与氧反应形成氧化氮形式。氮气（N2）的分解大约在低于 1565 ℃时是较少的，因此相应NOx的形成也是少量的。但当温度超过1565℃（看图一曲线，感觉稳定1750之后NOx的浓度才迅速增加呀）时，NOx 产物迅速增加。DLN2.6+燃烧器通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度永远低于1650℃，从而抑制“热NOx”生成。

在DLN2.6+燃烧器的工作温度下，燃机的CO排放也能满足环保要求。一氧化碳是由于不完全燃烧产生的。在理想的燃烧室中，CO的形成是短寿命的中间副产品，在燃烧完成时可以完全氧化为 CO2。但是在燃机中燃烧不是理想的。因此，不完全燃烧和生成 CO在燃机中是不可避免的客观存在。温度升高会促使CO与氧气化合成CO2，从而降低CO的浓度，因此燃机的CO和NOx的排放浓度随火焰温度的变化趋势是正好相反的，如图1所示。为了使 NOx和CO的排放在规定范围内，必须使燃气温度在限制范围内。如果NOx 排放限值为5×10^-6, 则燃气温度应小于1470 ℃ ；如果NOx 排放限值为10×10^-6, 则燃气温度应小于1560 ℃。如果NOx排放限值为 15×10^-6, 则燃气温度应小于1620 ℃。当 燃气温度小于1367℃时，CO 产物迅速增加, 如果CO排放限值要求为 10×10^-6, 则燃气温度应大于 1 490 ℃。因此，满足NOx = 5×10^-6 的温度已经高于 CO = 10×10^-6 的温度，所以只需考虑NOx排放的要求，CO的排放是都能满足要求的。

DLN2.6+上增加的OpFlex AutoTune 自动燃烧调整系统是基于采集燃机热力循环模型现场特征数据和燃烧室动态信息反馈的控制系统，能自动实时地对燃烧系统进行燃料分配进行调整，保证燃烧室火焰温度的稳定性。同时，用户还可通过该系统调整氮氧化物排放浓度的目标值，以灵活应对日益提高的环保要求。

通过前期充分的技术分析和交流，该电厂于2017年和2018年分别对两台9FA燃机进行了燃烧系统升级替换，至今已达到一个检修周期。从现场解体情况来看，燃烧器部件除少量涂层脱落和燃料喷嘴冷却板有轻微裂纹等正常缺陷外，原存在的火焰筒鼓包、破损、裂纹等重大缺陷均已彻底消除。同时整个检修周期内确实如预期一样，启动中不再冒黄烟，运行操作人员不用在人为干预燃烧控制，实际机组运行中Nox排放在20ppm左右。通过在一个HGPI检修周期内（约4年）对改造前预计需花费的检修成本和改造后实际发生的检修成本与改造成本之和进行比较，DLN2.6+燃烧系统能为电厂节省检修成本近6千万元，因此本次改造应属相当成功。

结束语 本文通过介绍DLN2.6+对比DLN2.0+在低氮燃烧技术上的改进和在实际应用当中解决的问题，可以得出如下结论：DLN2.6+低氮燃烧技术对比DLN2.0+低氮燃烧技术有了一个质的改进，此技术在GE公司9FA燃机上应用相当成功，据了解国内9FA燃机大多数都已进行改造替换，效果均不错，对9FA燃机特别是在日启停运行模式下效果尤为显著。