燃气轮机燃烧调整和自动燃烧调整技术的探究

燃气轮机燃烧调整和自动燃烧调整技术的探究

张兆军

浙江大唐国际江山新城热电有限责任公司324100

摘要：燃烧调整作为燃气轮机调试过程中的重要步骤，属于燃气轮机关键技术，是研究燃气轮机的重点。本文研究燃气轮机燃烧调整和西门子、GE和三菱公司各自开发的燃气轮机在线自动燃烧调整技术及其应用。从电厂机组实际运行情况可看出，在线自动燃烧调整技术能实现自动实时连续地对燃烧系统进行调整，确保机组的平稳可靠。

关键词：燃气轮机；燃烧调整；自动燃烧调整技术

引言

本文介绍了燃气轮机燃烧调整的目标，以西门子Ｆ级燃气轮机为例，说明燃烧调整的基本过程，针对环境条件和燃料组分等燃烧边界条件的变化，探讨燃气轮机在线自动燃烧调整技术及其应用。电厂机组实际运行情况表明，目前采取的燃烧优化措施是有效的，自动燃烧调整技术能满足机组安全、平稳和可靠运行的要求，减小跳机次数。

一、燃气轮机燃烧调整

燃气轮机的燃烧过程是在燃烧室中进行的。按燃料与空气在到达火焰区之前的混合程度不同，分为扩散燃烧和预混燃烧。扩散燃烧火焰稳定，但NOx排放大；预混燃烧火焰不太稳定，但NOx排放较小。目前燃气轮机普遍采用干式低NOx燃烧技术，以预混燃烧为主，少量扩散燃烧作为值班火焰，能达到低于50mg／Nm3NOx的排放目标。但由于预混火焰对流场参数和化学当量比变化等非常敏感，容易在封闭的燃烧室内诱发热声耦合振荡，导致火焰发生燃烧动力学失稳，产生过大的燃烧脉动和燃烧室外壁振动，严重时会造成燃烧室部件损坏，机组跳机停运。因此，燃烧稳定性是燃气轮机能否安全、平稳和可靠运行的关键因素。

燃烧调整的首要目标是保障燃气轮机燃烧稳定，在保证机组安全稳定运行的情况下，燃烧调整还要提高燃烧效率，减少NOx和CO等污染物的排放。燃烧调整属于热态调试部分，调整进入燃烧室的燃料量和空气量配比，贯穿于机组从点火启动到满负荷运行的各负荷阶段。燃烧调整需要寻找机组安全燃烧的稳定边界，将燃烧设定到安全燃烧稳定边界的中心区域，获得良好的稳定燃烧的裕度范围。因此燃烧调整的效果直接关系到机组安全运行、燃烧效率及其污染物排放是否达标。

以西门子F级燃气轮机为例，在点火启动期间，燃烧调整需要手动设定点火转速、值班气流量、IGV角度和总燃料量的升速率等。通过多次冷态和热态点火启动试验，寻找到能成功点火的点火转速范围和点火值班气流量范围，取中间值为最佳点火转速和点火值班气流量，提高机组点火成功率，通过预设的斜坡函数实现升速过程。在部分负荷和基本负荷燃烧调整期间，通过手动分别优化设置值班气流量和排气温度（OTC）设定值，反复以不同速率进行升负荷和降负荷试验，找到燃烧稳定且NOx和CO排放不超标的稳定运行边界，把值班气流量和OTC值设定在稳定运行的边界中心，获得良好的稳定燃烧的裕度范围。

西门子F级燃气轮机使用轰鸣探头测量燃烧室内的燃烧压力脉动值，使用加速度探头测量由燃烧压力脉动引发的燃烧室外壁振动幅值，把这两个数值作为判断燃烧稳定性的重要指标。轰鸣信号目前主要用于机组燃烧状况监测，加速度信号用于保护燃气轮机，加速度过大会引发减负荷或者跳机动作。在燃烧调整的过程中，通过ARGUS系统对获取的轰鸣和加速度信号进行傅立叶变换，得到不同频率下的轰鸣和加速度值，判断燃烧状况是否稳定，并根据观察到的数值大小进行相应手动调整，以保证机组高效安全和低排放运行。

二、燃气轮机在线自动燃烧调整技术

2.1GE公司的OpFlexAutoTune系统

GE公司开发的在线自动燃烧调整系统———OpFlexAutoTune，可自动实时连续地对燃烧系统进行调整，使燃气轮机适应不同的环境条件和燃料成分，提高燃气轮机的性能、灵活性和可靠性。OpFlexAutoTune系统采用先进的模型化控制技术（简称MBC）。该技术也被称为直接边界控制，基于燃气轮机热力模型可实时确定边界运行参数，并能建立每个待调节参数的特定控制回路，提高控制准确性、响应能力和可靠性，属于一种新的控制理念，无需硬件上的改变，在国外已有很多研究成果和应用实例。

模型化控制技术的核心是使用全负荷周期控制（ALCC）技术。ALCC技术通过综合优化入口导叶角度（控制空气流量）和燃料阀位置（控制燃料流量）在满足额定的燃烧温度、压气机喘振预量和燃烧室运行限能情况下来保证机组出力，通过分析实时运行数据，并与实时热力学模型不断对比，使机组在适应边界限制条件的情况下达到最佳运行状态。燃气轮机运行的边界限制条件包括燃烧动态、排放和熄火等。模型化控制技术相应建立物理边界模型，以评估机组当前的运行状态，包括燃烧动态模型、燃烧排放模型等。这种模型是一种自适应边界模型，可不断实时估计当前的运行边界限制条件。为提高机组性能，在任何环境条件、燃料组分或机组老化的情况下，OpFlexAutoTune系统能使机组尽量靠近边界限制条件运行，并实现实时调整以降低机组排放和减少燃烧脉动，使燃烧系统实现在线自动燃烧调整的目的。

运用虚拟传感器技术，当控制系统诊断到某传感器因为本身故障出现测量值不准确或损坏时，会通过热力学模型计算出合理值传输给虚拟传感器来取代实际值，减少不必要的跳机，保持机组继续可靠运行。GE公司的OpFlexAutoTune系统在不需要直接测量燃料组分的情况下适应不同燃料变化，消除季节性燃烧调整，通过自动调节燃烧系统，可避免低贫预混熄火、降低排放量和燃烧动态，保障机组高效安全运行。

2.2三菱公司的A-CPFM系统

以三菱M701F燃气轮机为例，A-CPFM系统依据传感器高速采集的机组运行数据进行燃烧压力脉动频段分析，以此评估燃烧稳定性，然后根据机组稳定性情况，通过自动调整燃气轮机值班燃料控制输出信号（PLCSO）和旁路阀开度（BYCSO），使燃气轮机安全稳定运行。若稳定燃烧区域变化，运行点临近不稳定，就需要重新调整运行点。根据预测的运行稳定领域图，A-CPFM系统通过燃烧修正函数算出修正量并进行修正调整，调节PLCSO和BYCSO，使运行点回避燃烧振动领域回到稳定运行领域。M701F燃气轮机燃烧自动调整后的数据依然会重新进入一个新的自动调整流程。如果燃烧波动值和NOx排放量仍超出设定值，燃烧调整将继续修正。这个流程反复运行，以确保运行点始终保持在稳定范围内。

结束语：本文介绍燃气轮机燃烧调整的目标和任务，并以西门子Ｆ级燃气轮机为例，说明燃烧调整的基本过程；针对燃烧边界条件的变化，分析目前燃烧优化的思路和采取的措施，包括加装天然气成分在线分析仪及引入稳定裕度控制器（A-SMC），然后探讨GE和三菱公司各自开发的在线自动燃烧调整系统。

参考文献

［1］戴云飞，瞿虹剑．西门子V94．3A型燃气轮机运行优化浅析［J］．燃气轮机技术，2011，24（1）：65-68．

［2］第六届西门子F级燃气轮机中国用户协会年会论文集［M］．上海：上海申能临港燃气轮机发电有限公司，2013．