PG9351FA燃气轮机燃烧技术的探讨

【摘要】本文结合PG9351FA燃气轮机组对燃烧方式的控制，对9FA燃气轮机天然气温度的严格控制进行了详细的介绍，使燃气轮机的运行更加安全，有效。

关键词 加热器 扩散燃烧次先导预混 先导预混预混燃烧 校正韦伯指数

中图分类号：TK26 文献标识码：A

0 前言

为了解决燃烧过程中NOX排放超过环保要求的问题，PG9351FA燃气轮机组配备了DLN-2.0+型燃烧器，采用了干式低NOX排放的燃烧技术。通过对燃料与空气实时掺混比的数值的控制，使火焰面的温度永远低于1650℃，从而控制“热NOx”的生成。但是，随着燃烧火焰温度下降，NOx排放量下降的同时，CO排放量却增加，因而必需合理地选择均相预混可燃混合物的实时掺混比和火焰温度。实验表明，对天然气来说，按火焰温度为1430℃～1530℃这个标准来选择燃料/空气的混合比是比较合适的，这样才有可能使燃烧室的NOx和CO的排放量都比较低。

1 预混燃烧如何实现火焰面温度控制

稳定的预混燃烧受三个因素的限制，即可燃极限、可燃温度（燃点）和燃烧速度。为了能解释清楚预混燃烧方式能以湍流火焰传播方式通过火焰面进行燃烧，并能在燃烧过程中控制火焰面温度，抑制“热NOx”生成。以天然气、空气预混火焰的构造来说明（如图2），火焰可分为四个区，图中的D区称为预热区，混合气体离开燃烧器喷嘴后即进入这个区，并被加热到点燃温度，此区温度的高低直接影响到燃料的燃烧速度，最终影响到火焰的温度及燃烧的充分程度，这个C区呈蓝色，故称“蓝锥”，此区的一个很重要作用就是提供一部分热量来提高燃料的温度（即D预热区的温度），这个区域的大小由比值中的燃料量决定。蓝锥外层的区域（图中的B）称为中间区，它的区域范围决定于燃烧的充分程度，火焰的最高温度一般在紧靠蓝锥顶部的上方，也即是我们所要控制的火焰面。火焰的最外层（图中的A）称为外区，它的形状呈锥型，在纯火焰时外锥呈淡蓝色，几乎透明。由于C区上方燃烧最激烈，温度最高，混合气的氧大部分通过分子扩散或扰动扩散的形式进入此区参与燃烧，同时，部分的氧把中间区界面上的未完全燃烧的如CO、H2等氧化为二氧化碳和水，实现了从火焰内部供氧，这与扩散燃烧的供氧方式是有明显区别的。受空气掺混的影响，A、B区温度明显降低。

图3 火焰温度Tf、CNOx与燃料/空气混合当量比的关系

为了加快B区上方的化学反应速度，缩短燃烧时间，这就要求提高D预热区的温度，保证在预热区内把混合气温度提高到接近天然气的点燃温度（约5300C左右），这个区温度的提高有以下三种方法（1）可以通过改变天然气/空气比提高整个火焰的温度来达到，但考虑到由于低NOX排放限制了火焰的温度，这是不可取的。（2）通过提高整个燃烧筒腔室温度来改善，DLN-2.0+型燃烧器在进入预混燃烧方式前就采用了保持D5扩散燃烧火焰及回流一部分高温燃气的方法来达到这个效果。（3）可采取在外界提高燃料和空气温度的方法，这个方法最直接，也最有效，不但改善了火焰的传播速度，同时也改善了贫燃料熄火极限。而且，最主要的是可因此减少燃料加入量，改善燃气轮机的效率。

根据上述分析，结合“热NOX ”的生成受三个条件的限制：燃烧温度、在火焰区滞留时间、O2浓度，DLN-2.0+型燃烧器最有可能按燃料气/空气的比值以近贫燃火焰要求来设计它的旋流器。

2MWI参与燃料/空气比的控制

由于在一定负荷下，机组的IGV开度一定，空气流量是确定的，此时控制燃料/空气比只要控制燃料量就可以了。对特定的燃烧系统来说，热值的变化范围是受限制的。对选定的燃烧器，它的燃烧器喷嘴只能适应于固定范围内的压比，由燃料热值引起的变化只能通过改变燃烧器喷嘴大小或者调整燃料温度的方法来适应，在机组运行中更换燃烧器喷嘴是不切实际的。因此，只有采用调整燃料温度的方法了，但是为了避免燃料密度因素的影响，引入了校正韦伯指数（简称MWI）的概念，用来衡量进入燃烧器的相对能量。在允许的MWI数值范围内可以保证燃机在不同负荷运行时燃烧器喷嘴的压比。PG9351FA燃气轮机组配备的DLN-2.0+型燃烧器通过提高天然气温度来控制MWI数值在设计值：42.08，并严格控制由于天然气温度的变化引起MWI数值在+-5%的变化幅度。

在燃气轮机的MKVI控制系统中，上述天然气的低位热值（LHV）、相对比重(SGgax)由位于天燃气调压模块的气相色谱仪检测和计算,并转换成4—20mA DC信号送至MKVI控制系统，再由MKVI控制系统计算出VFGW（校正韦伯指数）值， 如图4

图4、韦伯指数计算模块

把得出的VFGW值赋予下列算法（见图5），进行韦伯指数的补偿计算，：

图5、韦伯指数计算补偿模块

在上述逻辑控制中，根据本机组韦伯指数的设计值（KMWI-DES=42.08）,除以VFGW，算出一个从设计值来的气体燃料校正韦伯指数量值VMWI-RAT，再把VMWI-RAT赋予下一功能块进行气体燃料校正韦伯指数修正限制（上限：1.05，下限：0.78），并把气体燃料校正韦伯指数修正变化率在限制范围内定于0.002%/sec，从而得出气体燃料校正韦伯指数的偏置值VFQ-MWI,再用VFQ-MWI乘以司服阀控制调节的比例增益常数FQKCG(76.61),最终得到根据MWI来的司服阀控制调节的比例增益值FQKCG-MWI。然后把FQKCG-MWI值赋予下一个逻辑控制，从而实现对燃机不同燃料控制的流量分配。

3预混燃烧对天然气温度的要求

机组采用余热锅炉的中压省煤器出水来加热天然气至1850C，以控制当量韦伯指数在设计值。并网前主要靠电启动加热器发挥作用。并网后，随着性能加热器的投入运行，天然气温度逐渐上升，在TTRF大于1900F时，为了保证韦伯指数在合格范围内，需要天然气温度在145℃以上。

在机组从点火到进入BASELOAD负荷的不同运行工况中，随着天然气温度和压气机排气温度CTD的不断升高，和D5扩散燃烧天然气流量的减少，各燃烧方式对天然气温度要求是不同的,但是必须保证天然气在结露点之上,这对于燃机的安全运行是至关重要的。从点火和暖机直至加速至95%额定转速，燃烧室处于扩散燃烧，一般不需加热燃料气就可以；从95%额定转速，经全速空载至约10%额定负荷，燃烧室处于从扩散燃烧向先导预混燃烧过渡，可以采用不加热也可以采用加热的天然气，如果燃气投入加热,根据燃烧室动态特性的要求,在燃烧基准温度

图6 、DLN-2.0+（PG9351）燃料气体加热运行的要求

是必须满足当量韦伯指数热温度限值。从25%到50%额定负荷区段，仍然是先导预混燃烧，，但是，此时热加热温度必须成功的控制当量韦伯指数在限值上。50%到100%额定负荷区间，是预混燃烧阶段，此时要求调节热加热温度，控制好当量韦伯指数，直至燃机进入基本负荷温度控制。以燃气轮机组MKVI控制系统对当量韦伯指数的要求（39.9819＜MWI＜44.1905,且上下限各有0.4208的死区范围在允许范围内（见图7），L3FGW-PERM置1才能进入预混燃烧模式，见如下的逻辑控制：

图7、韦伯指数计算模块

总结

从气体燃烧的角度来看，为降低NOX排放并确保燃料的燃烧效率，必须控制好燃料/空气比以控制预混燃烧火焰温度，使机组在设计的范围内运行，因此对燃料温度、流量及空气的流量必须有严格的限制，在实际运行中，对天然气的性能加热器、气相色谱仪、燃料调节系统等设备应加强监视。

参考文献：GE随机资料