劉林

（浙江浙能技術(shù)研究院，杭州310003）

西門子SGT5-4000F機(jī)組燃燒不穩(wěn)定的調(diào)整及處理

劉林

（浙江浙能技術(shù)研究院，杭州310003）

介紹西門子SGT5-4000F機(jī)組燃燒器的原理，分析在該燃燒器中經(jīng)常遇到的燃燒不穩(wěn)定問題，詳細(xì)介紹實(shí)際燃燒不穩(wěn)定的調(diào)整方法及解決方案，可供同類型機(jī)組參考借鑒。

西門子；燃機(jī)；燃燒不穩(wěn)定；燃燒調(diào)整

0 引言

隨著環(huán)保政策的日漸嚴(yán)苛，燃機(jī)電廠目前普遍采用DLN低氮燃燒技術(shù)。干式低NOX燃燒技術(shù)是根據(jù)熱力型NOX的Zeldovich生成機(jī)理，將燃燒室主燃區(qū)溫度約束在1 396.85~1 626.85℃，以降低NOX，因此必須采用預(yù)混燃燒方式，通過調(diào)整主燃區(qū)的燃空比來控制火焰溫度。在預(yù)混燃燒中，當(dāng)燃料/空氣的當(dāng)量比小于1時(shí)，稱為貧燃預(yù)混燃燒，此時(shí)能通過降低燃空比來降低火焰溫度，但隨著燃空比的降低，火焰將變得不再穩(wěn)定，逐漸接近LBO（貧燃熄火極限）。通過監(jiān)測燃燒室的壓力波動可判斷燃燒的穩(wěn)定性，在西門子燃機(jī)中，這種壓力波動監(jiān)測采用了嗡鳴保護(hù)和加速度保護(hù)，過大的壓力波動將會損害燃燒室硬件。

西門子SGT5-4000F機(jī)組采用的低氮燃燒器使用了擴(kuò)散燃燒（值班噴嘴）與預(yù)混燃燒（主噴嘴），預(yù)混通道產(chǎn)生主火焰，值班燃料采用擴(kuò)散燃燒方式，用以提高預(yù)混燃燒的穩(wěn)定性。

1 燃燒穩(wěn)定性

貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)能有效降低燃燒溫度水平，從而實(shí)現(xiàn)非常低的污染排放，但是貧燃預(yù)混非常容易導(dǎo)致熱聲不穩(wěn)定問題。熱聲不穩(wěn)定是指燃燒過程中火焰的熱釋放脈動與燃燒室固有聲學(xué)脈動之間耦合造成的一種燃燒共振現(xiàn)象，會造成燃燒室內(nèi)燃燒不穩(wěn)定。在貧燃預(yù)混燃燒中，當(dāng)預(yù)混燃燒接近LBO時(shí)將會導(dǎo)致火焰的不穩(wěn)定，形成不穩(wěn)定的熱釋放，如果這種熱釋放引起的壓力波動在燃燒室產(chǎn)生回聲，稱之為嗡鳴，引起燃燒不穩(wěn)定，嗡鳴反應(yīng)的是燃燒室壓力脈動。這個(gè)過程將會持續(xù)發(fā)生，稱之為自激振蕩。如果嗡鳴的頻率接近燃燒室自振頻率，會引起加速度保護(hù)動作并破壞硬件設(shè)備，加速度信號反應(yīng)的是燃燒室缸體的振動。

2 燃燒不穩(wěn)定問題

某電廠在2008年商業(yè)運(yùn)行后，11號、12號機(jī)均受到了燃燒不穩(wěn)定問題的困擾。11號機(jī)的問題出現(xiàn)在以下2種工況：加負(fù)荷時(shí)IGV（進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉）角度在10%~15%和減負(fù)荷時(shí)IGV角度在20%~10%。在這2種工況下，都遇到了嗡鳴和加速度過高的問題，加速度測量值在2.3~3.6 g，如圖1所示。

12號機(jī)的問題出現(xiàn)在以下2種工況：加負(fù)荷時(shí)IGV角度在40%~60%和減負(fù)荷時(shí)IGV角度在30%~25%。在這2種工況下，都遇到了嗡鳴和加速度過高的問題，加速度測量值在2.3~3.8 g，如圖2所示。

為了保護(hù)機(jī)組設(shè)備的安全，在西門子控制邏輯中，ACC（加速度保護(hù)）的相關(guān)邏輯如表1、表2所示。

表1 機(jī)組ACC保護(hù)減負(fù)荷條件

表2 機(jī)組ACC保護(hù)跳閘條件

由于機(jī)組長期受困于燃燒不穩(wěn)定問題，為提高設(shè)備的可靠性，電廠求助于西門子燃機(jī)廠家進(jìn)行燃燒調(diào)整。

3 SGT5 -4000 F機(jī)組燃燒調(diào)整理念

SGT5-4000F機(jī)組的燃燒調(diào)整主要是通過調(diào)整值班噴嘴流量，合適的值班噴嘴流量可以保證在燃機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)嗡鳴和加速度數(shù)值均在安全值以內(nèi)。值班噴嘴流量受3個(gè)參數(shù)影響：TVI（壓氣機(jī)進(jìn)口溫度）；OTC（燃機(jī)排氣溫度修正值）；HVL（IGV角度）。

通過任一參數(shù)的調(diào)整，都可以引起值班噴嘴流量的變化。每一個(gè)參數(shù)對應(yīng)各自的函數(shù)發(fā)生器，在加減負(fù)荷過程中，由于其參數(shù)對應(yīng)的函數(shù)發(fā)生器不同，因此燃燒調(diào)整必須在加減負(fù)荷過程中分別完成。

當(dāng)OTC超過540℃且機(jī)組負(fù)荷在40%以上（大約為100 MW）時(shí)，對值班噴嘴流量影響最大的是HVL。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的控制邏輯，對燃燒穩(wěn)定起重要作用的值班氣體燃料控制閥閥位根據(jù)值班氣體設(shè)定值、天然氣密度和值班氣體閥門的流量特性曲線來計(jì)算。流量特性曲線一般在設(shè)備生產(chǎn)廠已完成校驗(yàn)；天然氣密度是根據(jù)調(diào)試初期實(shí)際天然氣密度進(jìn)行設(shè)定。實(shí)際運(yùn)行中如果天然氣的氣源不穩(wěn)定，必將導(dǎo)致天然氣密度的波動。當(dāng)天然氣密度偏離設(shè)計(jì)值較大時(shí)，值班氣體實(shí)際質(zhì)量也將大大偏離設(shè)定值。

圖111 號機(jī)加、減負(fù)荷時(shí)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象

圖212 號機(jī)加、減負(fù)荷時(shí)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象

在燃燒調(diào)整過程中，必須記錄值班噴嘴流量對嗡鳴信號及加速度信號的影響，包括各自的頻率及幅值。

為了對燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，西門子公司采用了ARGUS系統(tǒng)。ARGUS系統(tǒng)通過對反映燃燒室壓力脈動的嗡鳴信號和反映燃燒室缸體振動的加速度信號進(jìn)行快速傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)對燃燒可視化檢測，并將這些信號在頻譜圖中進(jìn)行顯示，它是燃燒優(yōu)化調(diào)整的重要工具。

對值班噴嘴流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的是找到合適的流量設(shè)定值，使燃機(jī)在整個(gè)運(yùn)行工況下嗡鳴信號、加速度信號及NOX排放指標(biāo)都在安全范圍內(nèi)。按照國家相關(guān)環(huán)保法規(guī)規(guī)定，NOX排放必須在50 mg/m3以下。

4 燃燒調(diào)整

4.1 第一次燃燒調(diào)整

2009年3月，為了解決燃燒振動問題，對值班噴嘴流量進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整參數(shù)曲線如圖3、圖4所示，調(diào)整的結(jié)果不是非常理想，具體數(shù)值見表3。

圖311 號機(jī)值班噴嘴流量調(diào)整曲線

圖412 號機(jī)值班噴嘴流量調(diào)整曲線

從表3可以看出，通過燃燒調(diào)整，11號機(jī)在加負(fù)荷過程中嗡鳴信號及加速度信號均得到了較好控制，但在減負(fù)荷過程中這些現(xiàn)象仍然沒有得到改善，12號機(jī)情況基本沒有改善。

表311 號、12號機(jī)組燃燒調(diào)整前后ACC動作值

通常為了設(shè)備安全，在燃機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)間，都要將加速度信號控制在1 g以下。

值班噴嘴的主要作用是保證燃燒的穩(wěn)定性，因此通過增加值班噴嘴的流量可以減少嗡鳴及ACC信號的數(shù)值。圖3、圖4顯示了調(diào)整前后值班噴嘴流量的設(shè)定值，但從實(shí)際結(jié)果來看，僅提高值班噴嘴流量不能解決機(jī)組燃燒不穩(wěn)定的問題。

4.2 第二次燃燒調(diào)整

由于第一次燃燒調(diào)整失敗，2009年8月又一次進(jìn)行了燃燒調(diào)整。在第二次燃燒調(diào)整前，更換了全部燃燒器。具體調(diào)控如下：

（1）對外旋流器靜葉片角度進(jìn)行了調(diào)整，從112°調(diào)整為108°。

圖511 號第二次值班噴嘴流量調(diào)整曲線

圖612 號機(jī)第二次值班噴嘴流量調(diào)整曲線

（2）對于噴口處焊接有1個(gè)圓筒型擴(kuò)張段（稱為CBO，圓筒型噴嘴出口）的噴嘴，改變CBO長度，1—20號燃燒器CBO長度從87 mm延長到97 mm；對于沒有CBO的21—24號燃燒器，保持其原有長度。

（3）改變外旋流器的孔洞數(shù)目，將10孔改為8孔，并將孔洞的直徑由2.2 mm減小為1.8 mm。

調(diào)整結(jié)果如表4所示，可以看出，在經(jīng)過燃燒器設(shè)備更換及燃燒調(diào)整后，嗡鳴信號及加速度信號得到了很好的控制，在燃機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)間，這些數(shù)值均被降低到安全范圍內(nèi)。

表411 號、12號機(jī)燃燒調(diào)整前后ACC動作值

最新的值班噴嘴流量設(shè)定值如圖5、圖6所示。從圖中可以看到，由于嗡鳴信號及加速度信號均較小，新的值班噴嘴流量設(shè)定曲線變得相對平直，因此不必再增加值班噴嘴流量。

5 結(jié)語

該燃機(jī)電廠的DLN燃燒器非常容易產(chǎn)生嗡鳴報(bào)警，由于預(yù)混燃燒火焰穩(wěn)定性差，因此通過值班擴(kuò)散火焰來提高整個(gè)燃燒器的燃燒穩(wěn)定性。通常通過適當(dāng)提高值班噴嘴流量可以降低嗡鳴信號和燃燒室加速度信號，但在本例中，單獨(dú)調(diào)整值班噴嘴流量并不能解決嗡鳴及燃燒室加速度值較高問題，最后通過對燃燒器硬件的更換并配合燃燒調(diào)整，使機(jī)組得以安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]宇震林，全宏許，高恩.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]楊勇，艾松，賈文.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒穩(wěn)定性分析[J].東方電氣評論，2012，26（101）∶25-29.

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（本文編輯：徐晗）

Adjustment and Treatment of Combustion Instability of Siemens SGT5-4000F Units

LIU Lin
（Zhejiang Energy Group R&D Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China）

The paper expounds principle of SIEMENS SGT5-4000F units burner and analyzes its frequently happened combustion instability；it elaborates on adjustment method and solution to combustion instability, providing reference for units of the same type.

Siemens；combustion engine;combustion instability;combustion adjustment

TK227.1

B

1007-1881（2015）06-0044-04

2015-04-07

劉林（1979），男，工程師，主要從事發(fā)電廠遠(yuǎn)程故障預(yù)警及燃機(jī)運(yùn)行管理等工作。