6F.01燃机启动参数优化研究

6F.01燃机启动参数优化研究

代鑫，

京能国际控股有限公司北方分公司 内蒙古呼和浩特市010000

摘要：为顺应分布式能源的发展潮流，亟需解决微小燃机启动过程燃烧不稳定的难题，并提升效率。以6F.01燃机为研究对象，燃烧模式分为扩散燃烧、次先导预混燃烧、预混燃烧，6种燃料流量基准选取最小值后作为最终燃料输出指令，使用透平排气分散度间接判断燃烧状况。通过调整主要启动参数，分析对比数次启动过程的运行指标。试验表明：空燃比系数越小，燃烧效率稳定性降低，但加快了启动速度；增大点火初始能量，确保降速点火时具备充足的燃料量；适当提高点火转速，能缩短启动时间。启动期间IGV保持最小位以减小启动阻力矩，随着负荷升高逐步开启IGV，亦可提升压气机效率。

关键词：分布式能源；6F.01 燃机；启动参数；排气分散度；燃机效率

引言

当前全球能源格局正发生历史性变革，能源低碳化利用、可再生能源为主体及多能互补的综合梯级利用体系成为重点攻关方向[1,2]。分布式能源系统布置于负荷需求附近，现阶段以微小型燃气发电机组为主，独立输出冷、热、电能互补利用[3]。然而，我国的微小燃气轮机严重依赖外国引进，设计、制造、调试运行等关键技术没有掌握，已投产的分布式能源项目在多能互补品位匹配、能量梯级利用、变工况自动控制水平等潜力尚未充分发挥[4]。

本文以GE 6F.01微小型燃机为研究对象，燃烧模式分为扩散燃烧、次先导预混燃烧、预混燃烧，分析燃料控制模型和燃烧监测原理，得到燃机效率的计算方法。在启动调试过程中，通过不断优化相关启动参数，解决燃烧状态不稳定的问题，并提升运行效率。

1系统介绍

GE 6F.01燃机的燃烧模式分为扩散燃烧、次先导预混燃烧、预混燃烧，见图1所示。

图1 GE 6F.01燃机的燃烧模式

2模型计算

2.1燃料模型

燃机主控制系统包括燃料控制和进口导叶控制（IGV），实现燃料供给、转速控制及排气温度等功能。为避免压气机喘振，IGV在启动过程中不进行调节，关至最小位。

燃料控制的基准指令FSR是由启动流量FSRSU 、加速度控制FSRACC 、转速控制FSRN、温度控制FSRT、停机控制FSRSD、手动控制FSRMAN取最小值后，输出最终流量指令。燃机的启动过程是由盘车、静止变频器（SFC）、FSR共同作用完成的。

同时，压气机压比、透平排气温度共同限制FSR输出上限；FSR输出下限受零功率影响。

2.2燃烧监测

天然气分布式能源遵循“以热定电”原则，负荷变动范围较广，经常采用非预混燃烧，导致燃机内部高温部件异常，燃烧室内温度场不均衡。由于高温部件难以直接监测，通过测量透平排气温度，用排气分散度的实时值与允许值比较，间接判断燃烧状态。6F.01燃机配置23支透平排气温度热电偶，排序运算得4个排气分散度（TTXSP1、TTXSP2、TTXSP3、TTXSP4）。排气分散度允许值的计算公式为

3试验分析

本文具体分析GE 6F.01燃机调试阶段的现场数据，根据机理设计及实际工况调整主要启动参数，研究其对启动过程的影响。

3.1问题描述

燃机处于点火升速、定速并网、燃烧模式切换、负荷变动等工况时，启动参数设置不合理，燃烧室内局部温度场分布不均，不利于NOx 排放控制，容易引起燃机内高温部件故障。若空燃比过大、点火初始能量低、暖机不充足，燃机点火升速阶段加速度明显过慢，透平排气分散度大而触发燃机跳闸。此次启动参数设置：空燃比系数为1.15；点火初始能量为22%FSR0；暖机时间为1min；点火转速为21%TNH0。

3.2调试过程

暖机目的是让燃机的受热部件、气缸与转子有均匀受热膨胀的时间，减少它们的热应力以保证机组安全，暖机时间始终保持1min。维持燃料入口温度压力、压气机入口温度等外界条件稳定的基础上，实际调整燃机的空燃比系数、点火初始能量、点火转速等启动参数。

针对首次点火失败实例，采取如下措施。首先提高空燃比系数，使燃烧室内富氧稳定燃烧。其次，降速点火阶段的燃机动能是由点火初始能量提供，为确保转子能正常升速，增加点火初始能量。最后，在安全稳定的前提下，调整点火转速尽可能实现燃机快速启动。其中四次启动过程的启动参数设置如表1所示。

表1 燃机启动参数的设置

3.3结果分析

通过分析上述调试过程可知，选择合适的启动参数，可确保燃机可以安全高效启动。若点火初始能量设定为30%FSR0，空燃比系数和点火转速对于启动时间的影响如图2所示。

图2 不同空燃比系数与点火转速对应的启动时间

当点火转速很高且空燃比系数过小时，燃烧室处于缺氧燃烧，燃机快速启动将使排气分散度超限；当点火转速很低且空燃比系数过大时，燃机启动能量无法满足升速需要。在正常启动情况下，空燃比系数越小，点火转速越高，燃机启动速度越快。另外，当燃机负荷低于37%额定负荷时，IGV开度保持最小位，启动阻力距变小，压气机的功耗低，压气机效率在81.5%。随着燃机负荷增加，IGV开度逐渐打开，压气机效率由81.5%提升至88.6%。若压气机效率提高，燃机透平将输出更多做功。

4结 论

本文以6F.01微小型燃机作为研究对象，分析对比不同启动参数对于排气扩散度、燃机效率等运行指标的影响，得到最优启动参数。首先，空燃比系数越小，燃烧状态不稳定性增强，反应速率加快进而加快启动时间。其次，点火初始能量增大，可确保转子获得充足能量来正常升速。接着，适当提高点火转速，能缩短启动时间。最后，IGV在启动过程保持最小位，以减小启动阻力矩，提升效率。

参考文献：

[1]Qiaohui Chen, Weilong Wang, Jianfeng Lu, et al. An overview of the political, technical and economical aspects of gas-fired distributed energy system in China[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 52: 531-537.

[2]何雅玲，严俊杰，杨卫卫等. 分布式能源系统中能量的高效存储[J]. 中国科学基金,2020，34(3):272-280.

[3]C. Mateo, P. Frías, K. Tapia-Ahumada. A comprehensive techno-economic assessment of the impact of natural gas-fueled distributed generation in European electricity distribution networks[J]. Energy, 2020, 192: 1-10.

[4]Lieuwent C, Yang V. Combustion Instabilities in GasTurbine Engines: Operational Experience, FundamentalMechanismsand Modeling[M]. Reston: American Instituteof Aeronautics and Astronautics, Inc, 2010.