西門子PCS燃燒器不同燃料下的燃燒保護(hù)差異

王勇哲

(青島華豐偉業(yè)電力科技工程有限公司， 山東青島 266100)

國產(chǎn)化雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)的成功自主研制和工程化應(yīng)用，打破了國外生產(chǎn)廠家對(duì)我國核心設(shè)備領(lǐng)域的長(zhǎng)期技術(shù)壟斷。燃?xì)廨啓C(jī)大部分以天然氣和油為燃料；雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)是指利用雙燃料燃燒技術(shù)，即同時(shí)使用液體/氣體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)中實(shí)施雙燃料燃燒技術(shù)可以提高燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃料的適應(yīng)性，拓寬燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。筆者對(duì)西門子平臺(tái)燃燒系統(tǒng)(PCS)燃燒器在燃?xì)廨啓C(jī)不同燃料下燃燒保護(hù)差異進(jìn)行分析與總結(jié)，以期對(duì)同類型機(jī)組提供參考。

1 西門子PCS燃燒器簡(jiǎn)介

某項(xiàng)目采用西門子公司SGT6-5000F(5)型燃?xì)廨啓C(jī)，額定頻率為 60 Hz，額定輸出功率為 200 MW，配置了超低氮氧化物(NOx)燃燒器。西門子公司基于西屋W501F環(huán)管型燃燒器開發(fā)了PCS，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)用于SGT6-6000G和SGT5-8000H等相關(guān)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型中。安裝在SGT6-5000F(5)型燃?xì)廨啓C(jī)上的PCS擁有16個(gè)可以使用天然氣和油的雙燃料燃燒器。燃燒器上各階段的燃料接口分配見圖1。

圖1 燃燒器上各階段的燃料接口分配

每個(gè)燃燒器的燃?xì)庀到y(tǒng)有A、B、C、D、P 5個(gè)階段燃料。正常運(yùn)行時(shí)使用天然氣作為主燃料，油作為備用燃料。每個(gè)燃燒器的燃油系統(tǒng)有A、B、P 3個(gè)階段燃料。

燃燒器組成見圖2。

圖2 燃燒器的組成

燃燒器主要包括燃燒器外襯套、燃燒器和過渡段部件。燃燒器中心采用兩級(jí)值班火焰模式的噴嘴(簡(jiǎn)稱值班噴嘴)，其噴出的火焰稱為值班火焰，包括擴(kuò)散級(jí)P階段和先導(dǎo)預(yù)混級(jí) D 階段，采用了旋流器燃料噴射技術(shù)。燃燒器外圍布置了8個(gè)預(yù)混主噴嘴，這8個(gè)預(yù)混主噴嘴被分成A 階段和B 階段2個(gè)燃料級(jí)，每個(gè)燃料級(jí)均有4個(gè)噴嘴。值班噴嘴采用強(qiáng)旋流的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，出口處形成穩(wěn)定的回流區(qū)使火焰穩(wěn)定，主噴嘴出口處不會(huì)形成回流區(qū)，C 階段是經(jīng)燃料小環(huán)管套在燃燒室外襯套外部，壓氣機(jī)排氣逆流進(jìn)入燃燒器前與C 階段的燃料進(jìn)行充分的混合[1-2]。

2 不同模式下的啟動(dòng)差異

SGT6-5000F(5)型燃?xì)廨啓C(jī)由靜止變頻轉(zhuǎn)換器(SFC)把發(fā)電機(jī)當(dāng)作電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，轉(zhuǎn)速升到清吹轉(zhuǎn)速(848 r/min)進(jìn)行清吹，待清吹結(jié)束后SFC脫扣，在燃?xì)饽Ｊ较聫那宕缔D(zhuǎn)速降速至495 r/min后，再由SFC拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速(530 r/min)激活點(diǎn)火器，點(diǎn)火轉(zhuǎn)速根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)排氣溫度得出。燃?xì)廨啓C(jī)分散控制系統(tǒng)(DCS)控制邏輯根據(jù)預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)火流量打開P階段和A 階段燃料控制閥，燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火成功并升速到2 655 r/min后，燃料D階段燃料控制閥投入運(yùn)行；在15%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷(修正后燃?xì)廨啓C(jī)的最大負(fù)荷)以下A 階段、 P階段和D 階段燃料控制閥投入運(yùn)行，保證燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和控制低CO排放量。燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷逐漸增大到15%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷以后，B 階段燃料控制閥與C 階段燃料控制閥開始投入，并與A 階段燃料控制閥一起逐漸增加開度以增加燃料量，擴(kuò)散燃燒P階段燃料控制閥開始逐漸減小開度以減少NOx排放量；燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷超過80%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷后，燃燒主要由A 階段和B 階段兩級(jí)主燃料閥供應(yīng)，P階段和D階段僅僅在火焰中心提供值班火焰穩(wěn)燃，并且流量被限制在最小范圍內(nèi)。這樣既保證了穩(wěn)定的火焰強(qiáng)度，又保證了最低的NOx排放量；當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)或者燃燒出現(xiàn)脈動(dòng)時(shí)，增加P階段燃料控制閥開度以保證整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)火焰燃燒穩(wěn)定。燃?xì)饽Ｊ较氯細(xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)曲線見圖3。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)饽Ｊ絾?dòng)曲線

燃油模式下轉(zhuǎn)速從清吹轉(zhuǎn)速降至690 r/min，再由SFC拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速(750 r/min)，高壓燃油泵啟動(dòng)，燃油P階段燃料控制閥打開至預(yù)設(shè)定位置、延時(shí)5 s，點(diǎn)火器通電45 s。最后通過葉片通道熱電偶溫升情況向DCS提供反饋信號(hào)，指示點(diǎn)火順序已完成。點(diǎn)火成功后，根據(jù)轉(zhuǎn)速減小回油閥(PDPCV)開度，以增加高壓燃油泵出口壓力。轉(zhuǎn)速在1 650 r/min時(shí)實(shí)現(xiàn)初始加速，同時(shí)打開燃油A 階段燃料控制閥及1組控制燃油供應(yīng)和排放的多功能閥，由燃油P階段和燃油A階段將燃?xì)廨啓C(jī)升至并網(wǎng)轉(zhuǎn)速(3 600 r/min)，燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)后由負(fù)荷控制器接管控制，在約10%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷時(shí)，燃油B 階段投入。燃油模式下燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)曲線見圖4。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)燃油模式啟動(dòng)曲線

3 燃燒保護(hù)差異

SGT6-5000F(5)型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒保護(hù)主要分為5個(gè)部分，具體為：回火預(yù)回火熱電偶保護(hù)、動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)視保護(hù)、過燃料保護(hù)、葉片溫度保護(hù)、排氣溫度保護(hù)。關(guān)于回火預(yù)回火熱電偶保護(hù)、動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)視保護(hù)的邏輯內(nèi)判斷條件，燃?xì)饽Ｊ脚c燃油模式相同，因此不進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.1 過燃料保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)過燃料保護(hù)只在轉(zhuǎn)速低于1 200 r/min并且測(cè)點(diǎn)無輸出質(zhì)量報(bào)警的前提下動(dòng)作。

燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，各階段過燃料測(cè)量值都由5個(gè)差壓變送器測(cè)量得出。5個(gè)階段的燃?xì)猸h(huán)管通過取樣管分別接入差壓變送器的正端，差壓變送器負(fù)端都為壓氣機(jī)排氣壓力。當(dāng)點(diǎn)火槍通電5 s后，任意階段燃?xì)猸h(huán)管壓力減去壓氣機(jī)排氣壓力超過了設(shè)定值，燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)膺^燃料保護(hù)動(dòng)作。燃?xì)饽Ｊ较碌倪^燃料保護(hù)動(dòng)作設(shè)定值見表1。

表1 燃?xì)饽Ｊ较碌倪^燃料保護(hù)動(dòng)作設(shè)定值

燃油模式時(shí)，各階段過燃料測(cè)量值通過流量分配器轉(zhuǎn)速探頭的頻率換算得出。燃油泵啟動(dòng)，燃油母管排污閥關(guān)閉，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火階段；點(diǎn)火槍通電15 s后，任意階段過燃料測(cè)量值達(dá)到或者超過設(shè)定值，燃?xì)廨啓C(jī)燃油過燃料保護(hù)動(dòng)作。燃油模式下的過燃料保護(hù)動(dòng)作設(shè)定值見表2。

表2 燃油模式下的過燃料保護(hù)動(dòng)作設(shè)定值

從表1和表2可以看出：燃?xì)饽Ｊ较?，需要考慮空氣和天然氣燃燒的比例問題，燃?xì)猸h(huán)管壓力和壓氣機(jī)排氣壓力之間需要有差值以防止爆燃；而在燃油模式下，由于霧化顆粒度等因素的影響，導(dǎo)致過燃料保護(hù)邏輯和壓氣機(jī)排氣壓力沒有直接關(guān)系，但需要考慮燃油量的設(shè)定，防止燃油量過多引起超溫。

3.2 葉片溫度保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)葉片溫度保護(hù)是啟動(dòng)和正常運(yùn)行的全過程保護(hù)，在正常運(yùn)行過程中監(jiān)視各燃燒室的燃燒狀態(tài)，在啟動(dòng)中判斷點(diǎn)火成功并監(jiān)視燃燒場(chǎng)溫度均勻性。SGT6-5000F(5)型燃?xì)廨啓C(jī)共安裝16支葉片通道熱電偶，每支熱電偶輸出2個(gè)溫度信號(hào)到DCS，位于燃?xì)廨啓C(jī)第4級(jí)動(dòng)葉后，可以更快地響應(yīng)溫度的變化。燃?xì)廨啓C(jī)葉片溫度保護(hù)主要分為4個(gè)部分：葉片通道溫度分散度保護(hù)、葉片通道最高溫度保護(hù)、葉片通道溫度設(shè)定值差異保護(hù)、葉片通道溫度變化率保護(hù)。

3.2.1 葉片通道溫度分散度保護(hù)

葉片通道溫度分散度由葉片通道平均溫度減去葉片通道最低溫度計(jì)算得出,葉片通道溫度分散度保護(hù)在轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min時(shí)激活，燃油模式和燃?xì)饽Ｊ较氯~片通道溫度分散度保護(hù)設(shè)定值在轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min時(shí)有所不同，具體表現(xiàn)為：

(1) 在啟動(dòng)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min且小于1 500 r/min時(shí)，燃?xì)饽Ｊ较氯~片通道溫度分散度達(dá)到98 K、燃油模式下葉片通道溫度分散度達(dá)到140 K會(huì)導(dǎo)致跳閘，并且在跳閘首出中顯示燃?xì)廨啓C(jī)在升速過程中葉片通道溫度分散度大。

(2) 在啟動(dòng)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于1 500 r/min且小于3 000 r/min時(shí)，燃?xì)饽Ｊ较氯~片通道溫度分散度達(dá)到98 K會(huì)導(dǎo)致跳閘，燃油模式下葉片通道溫度分散度達(dá)到168 K會(huì)導(dǎo)致跳閘，在跳閘首出中顯示燃?xì)廨啓C(jī)在升速過程中葉片通道溫度分散度大。

(3) 在啟動(dòng)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min時(shí)，燃油模式和燃?xì)饽Ｊ降娜~片通道溫度分散度保護(hù)設(shè)定值一致。葉片通道溫度分散度達(dá)到61.6 K，延時(shí)2 s，觸發(fā)自動(dòng)降負(fù)荷；葉片通道溫度分散度達(dá)到72.8 K，延時(shí)12 s，觸發(fā)甩負(fù)荷跳閘保護(hù)；葉片通道溫度分散度達(dá)到84 K，無延時(shí)，直接觸發(fā)甩負(fù)荷跳閘保護(hù)。

由于燃油模式控制的精確度比燃?xì)饽Ｊ娇刂坡圆?，因此燃油模式點(diǎn)火初期葉片通道溫度分散度保護(hù)設(shè)定值限制比燃?xì)饽Ｊ近c(diǎn)火初期葉片通道溫度分散度保護(hù)設(shè)定值高，并且霧化不佳的小顆粒液體燃料附著在葉片表面燃燒，導(dǎo)致局部過熱。長(zhǎng)期使用燃油模式運(yùn)行或多次燃油模式點(diǎn)火會(huì)明顯影響金屬部件壽命。

3.2.2 葉片通道最高溫度保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)葉片通道最高溫度保護(hù)既用在燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)過程中，又用在燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)行中。保護(hù)主要分為單溫度保護(hù)和平均溫度保護(hù)，若滿足以下任意條件直接觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)跳閘：

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)單溫度高于704 ℃(燃油模式與燃?xì)饽Ｊ揭恢?。

(2) 燃?xì)廨啓C(jī)葉片通道平均溫度保護(hù)設(shè)定值根據(jù)壓氣機(jī)排氣溫度得出，不同燃料下，燃?xì)廨啓C(jī)葉片通道平均溫度保護(hù)設(shè)定值不同，具體設(shè)定值見表3。

表3 燃?xì)廨啓C(jī)葉片通道平均溫度保護(hù)設(shè)定值

3.2.3 葉片通道溫度設(shè)定值差異保護(hù)

燃?xì)饽Ｊ胶腿加湍Ｊ较碌娜~片通道溫度設(shè)定值差異保護(hù)設(shè)定一致：葉片通道溫度校準(zhǔn)值與葉片通道溫度設(shè)定值差值，大于33.6 K時(shí)自動(dòng)降負(fù)荷，大于44.8 K時(shí)觸發(fā)降負(fù)荷跳閘保護(hù)。

3.2.4 葉片通道溫度變化率保護(hù)

燃?xì)饽Ｊ胶腿加湍Ｊ较碌娜~片溫度變化率保護(hù)一致，具體表現(xiàn)為：

(1) 10 s內(nèi)葉片通道溫度最大值減去葉片通道平均值超過5.6 K，觸發(fā)自動(dòng)降負(fù)荷。

(2) 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min后，葉片通道溫度最大值與葉片通道溫度平均值的差值：大于56 K，觸發(fā)自動(dòng)降負(fù)荷；大于61.6 K，延時(shí)2 s，斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器開關(guān)；大于72.8 K，延時(shí)2 s跳閘。

3.3 排氣溫度保護(hù)

在燃?xì)廨啓C(jī)葉片通道熱電偶下游的排氣擴(kuò)散段設(shè)計(jì)一組排氣熱電偶，16支雙輸出排氣熱電偶安裝在4根平均分布在排氣擴(kuò)散段的保護(hù)套管中，排氣熱電偶分布見圖5，每支排氣熱電偶輸出1個(gè)溫度信號(hào)到DCS，具體保護(hù)如下：

圖5 排氣熱電偶分布

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)排氣熱電偶故障超過3支，觸發(fā)自動(dòng)降負(fù)荷(燃油模式和燃?xì)饽Ｊ揭恢?。

(2)燃?xì)廨啓C(jī)采用燃油模式啟動(dòng)，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于800 r/min且小于3 000 r/min時(shí)，若排氣溫度最大值減去葉片通道溫度平均值大于50 K，延時(shí)1 s，觸發(fā)排氣溫度跳閘保護(hù)。該保護(hù)主要為了避免油在排氣段二次燃燒導(dǎo)致4級(jí)葉片損壞，可以作為葉片通道熱電偶的后背和輔助保護(hù)，并且排氣溫度也能反映余熱鍋爐受熱面是否得到均勻加熱，如果出現(xiàn)偏差大需要自動(dòng)降負(fù)荷以保護(hù)余熱鍋爐。

4 結(jié)語

通過以上研究可以看出西門子PCS燃燒器燃?xì)夂腿加湍Ｊ降拿黠@差異：

(1) 燃?xì)怆A段比燃油階段多2級(jí)，其中多出來的2個(gè)燃料階段全部是預(yù)混燃燒階段，在點(diǎn)火升速的初期，燃?xì)饽Ｊ奖热加湍Ｊ揭刂频酶泳珳?zhǔn)。燃油模式運(yùn)行時(shí)為了減少污染物的排放，在高負(fù)荷情況下需要額外注入除鹽水降低熱力型NOx的生成量。因此，從環(huán)保和燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行方面考慮，燃料油只作為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的備用燃料。

(2) 燃油模式運(yùn)行時(shí)的燃燒溫度明顯高于燃?xì)饽Ｊ?，因此在溫度保護(hù)設(shè)定值上燃油模式比燃?xì)饽Ｊ礁撸煌瑫r(shí)，由于燃?xì)廨啓C(jī)使用雙燃料燃燒器，可以確保電廠的供電穩(wěn)定性，防止天然氣供應(yīng)不足情況下的生產(chǎn)中斷。

下一步應(yīng)不斷優(yōu)化保護(hù)邏輯設(shè)定值，以同時(shí)保證燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和確保燃油模式下燃?xì)廨啓C(jī)金屬的最大壽命。