樓華棟， 陳小波，毛志偉

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

GE公司從20世紀(jì)80年代開始，不斷開發(fā)和改進(jìn)干式低NOX（簡(jiǎn)稱DLN）燃燒技術(shù)。DLN-2.6是針對(duì)F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)的燃燒系統(tǒng)，并在1996年首次投入運(yùn)行。應(yīng)用DLN-2.6燃燒系統(tǒng)的燃機(jī)型號(hào)有PG6111FA，PG7371FA和PG9231EC等。DLN-2.6燃燒系統(tǒng)包括燃燒室、控制系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)通過控制空氣/燃?xì)獗群腿紵Ｊ竭_(dá)到了NOX和CO的較低排放。本文針對(duì)應(yīng)用在GE MS6001FA（PG6111FA+E）機(jī)組上的DLN-2.6燃燒系統(tǒng)進(jìn)行介紹分析。

1 PG6111FA+E及DLN-2.6燃燒室簡(jiǎn)介

GE PG6111FA+E機(jī)組為18級(jí)軸流式壓氣機(jī)，壓比為14.7∶1，設(shè)計(jì)出力77.06 MW，排氣溫度598.3℃。在第9級(jí)和第13級(jí)開有抽氣口。設(shè)6個(gè)逆流環(huán)形燃燒室，每個(gè)燃燒室有6只燃料噴嘴，可燒天然氣、輕柴油，可進(jìn)行油氣燃料互切。3級(jí)軸流式?jīng)_動(dòng)式透平，采用壓氣機(jī)的排氣和抽氣冷卻。排氣經(jīng)過導(dǎo)流擴(kuò)壓段送至余熱鍋爐。

DLN-2.6燃燒室由火焰筒、端蓋、導(dǎo)流襯套、燃燒室外殼、過度段、噴嘴等構(gòu)成。2只高能點(diǎn)火器分別安裝在2個(gè)燃燒室內(nèi)，點(diǎn)火后通過燃燒室之間的聯(lián)焰管將各個(gè)燃燒室點(diǎn)燃。4只火焰探頭分別安裝在3個(gè)燃燒室，用于火焰檢測(cè)。壓氣機(jī)排氣首先對(duì)過濾段形成沖擊冷卻，再逆流向前，經(jīng)過火焰筒與導(dǎo)流襯套之間的環(huán)形空間流向燃燒室頭部。其中有少量空氣用于冷卻帽罩，其余空氣經(jīng)噴嘴上的旋流器進(jìn)入頭部的預(yù)混區(qū)，與燃料噴管噴出的燃料氣進(jìn)行混合。空氣與燃料混合物由預(yù)混區(qū)經(jīng)噴嘴流入火焰筒，被置于上部燃燒室上的2只高能點(diǎn)火器點(diǎn)燃。燃燒產(chǎn)物經(jīng)過渡段進(jìn)入透平第一級(jí)噴嘴環(huán)。具體結(jié)構(gòu)見圖1。每個(gè)燃燒室有1只PM1噴嘴、2只PM2噴嘴、3只PM3噴嘴和15只QUAT噴口。PM1噴嘴布置在中央，PM2和PM3噴嘴均勻布置在PM1四周，15只QUAT噴口布置在燃燒室邊緣。各噴嘴布置情況見圖2。

圖1 DLN-2.6燃燒室結(jié)構(gòu)

圖2 DLN-2.6燃燒室的噴嘴布置

2 DLN-2.6燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與燃燒模式

在PG6111FA+E機(jī)組上，DLN-2.6燃燒系統(tǒng)的燃?xì)饪刂颇K安裝在潤(rùn)滑油模塊的基板上。該系統(tǒng)主要組成部分有：速比閥（SRV），用于根據(jù)燃機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整燃?xì)鈮毫σ约罢跀嗳紮C(jī)氣體燃料供應(yīng)；1組調(diào)節(jié)閥（GCV），用于調(diào)整不同燃?xì)饽腹芎腿紵龂娮斓奶烊粴饬髁浚?組吹掃閥（VA13），當(dāng)機(jī)組在啟動(dòng)、停運(yùn)階段，對(duì)各噴嘴調(diào)節(jié)閥后的天然氣燃料管道進(jìn)行吹掃。

系統(tǒng)介質(zhì)流程如圖3所示，天然氣經(jīng)過濾器至SRV后分成PM1，PM2，PM3和QUAT 4個(gè)母管，通過4個(gè)GCV后分別接至燃燒室附近的4個(gè)環(huán)管，從各環(huán)管上分別引出6路支管和6個(gè)燃燒室噴嘴上相應(yīng)的通道相連，與壓氣機(jī)排氣預(yù)混后進(jìn)入燃燒室燃燒。和DLN-2.0+系統(tǒng)相比，DLN-2.6的燃料控制系統(tǒng)取消了二、三次燃?xì)獾姆峙溟y，采用全預(yù)混的燃燒模式。

圖3 DLN-2.6系統(tǒng)的燃料控制系統(tǒng)

在PG6111FA+E機(jī)組上，DLN-2.6燃燒系統(tǒng)具有5種燃燒模式：預(yù)混模式1，PM1燃燒；預(yù)混模式2，PM2燃燒；預(yù)混模式3，PM1+PM2燃燒；預(yù)混模式6B，PM1+PM2+PM3燃燒；預(yù)混模式6Q，PM1+PM2+PM3+QUAT燃燒。PM2噴嘴又可稱為點(diǎn)火噴嘴，在機(jī)組點(diǎn)火階段PM2和PM1噴嘴都投入，系統(tǒng)通過高能火花塞點(diǎn)燃PM2噴嘴，在此階段PM1起到穩(wěn)定燃燒的作用。當(dāng)機(jī)組達(dá)到一定的燃料消耗量后，PM1噴嘴撤出，機(jī)組切換到模式2運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組沖轉(zhuǎn)至95%額定轉(zhuǎn)速后，GCV1打開，PM1噴嘴開始投入，同時(shí)GCV2緩慢下關(guān)，至燃機(jī)全速（FSNL）后PM2噴嘴完全撤出。機(jī)組在模式1運(yùn)行時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)操作，隨后由MARK VI系統(tǒng)通過計(jì)算得出的燃燒基準(zhǔn)溫度（TTRF）來決定是否進(jìn)行模式切換。以PG6111FA+E機(jī)組為例，當(dāng)TTRF達(dá)到926.7℃時(shí)，由模式1切換至模式3運(yùn)行；當(dāng)TTRF達(dá)到1 093.3℃時(shí)，由模式3切換至模式6B；當(dāng)TTRF達(dá)到1 137.8℃時(shí)，由模式6B切換至模式6Q運(yùn)行直至滿負(fù)荷。MARK VI的系統(tǒng)邏輯為每個(gè)切換點(diǎn)的TTRF設(shè)置1個(gè)偏置量，機(jī)組降負(fù)荷時(shí)，當(dāng)TTRF達(dá)到“切換點(diǎn)溫度-偏置量”，燃燒模式進(jìn)行回切；在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，直接切至模式1運(yùn)行。機(jī)組在同一燃燒模式運(yùn)行時(shí)，MARK VI系統(tǒng)通過控制各燃料通道的GCV開度對(duì)天然氣流量按一定比例進(jìn)行分配，保證機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行過程的燃燒穩(wěn)定。機(jī)組在點(diǎn)火啟動(dòng)至滿負(fù)荷、正常停運(yùn)和甩負(fù)荷過程中，各模式之間的切換方式如圖4所示。

圖4 機(jī)組啟動(dòng)、停運(yùn)時(shí)的模式切換

3 與DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)的比較

3.1 燃燒室噴嘴布置

DLN-2.0+燃燒室把PM1噴嘴布置在燃燒室的周邊位置，在機(jī)組低負(fù)荷階段（小于50%額定負(fù)荷）PM1噴嘴始終投入，在0%～10%額定負(fù)荷時(shí)，PM4噴嘴不投運(yùn)，因此導(dǎo)致燃燒室溫度場(chǎng)不均勻，產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，影響火焰筒的壽命。如PG9351-FA機(jī)組就曾在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了火焰筒在臨近PM1噴嘴的區(qū)域產(chǎn)生鼓包的現(xiàn)象。而DLN-2.6燃燒室把PM1噴嘴移至中央位置，解決了火焰筒受熱不均勻的問題，延長(zhǎng)了火焰筒的壽命。

3.2 燃燒控制模式

DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)在機(jī)組達(dá)到50%額定負(fù)荷時(shí)進(jìn)入預(yù)混燃燒模式，DLN-2.6燃燒系統(tǒng)除了改進(jìn)燃燒室噴嘴布置之外，在燃燒模式上也進(jìn)行了優(yōu)化，采用了全預(yù)混燃燒模式。DLN-2.0+燃燒室的每只噴嘴都設(shè)置了擴(kuò)散通道和預(yù)混通道，DLN-2.6燃燒系統(tǒng)在采用全預(yù)混燃燒后，僅保留預(yù)混通道，簡(jiǎn)化了燃燒室結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)控制上看，DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)每個(gè)噴嘴的燃料量由2個(gè)控制閥共同調(diào)節(jié)，而DLN-2.6系統(tǒng)則由單一的控制閥調(diào)節(jié)，因此噴嘴控制方式得到了簡(jiǎn)化。

3.3 污染物排放

DLN-2.6燃燒室在中間位置增加了1個(gè)PM1噴嘴，且PM1噴嘴在整個(gè)燃燒過程中始終投入運(yùn)行。在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)PM2和PM3噴嘴的空氣/燃料比低于其貧著火極限時(shí)，可以使PM1噴嘴的空氣/燃料比高于周圍的貧著火極限，且能維持燃燒的穩(wěn)定性，因此其總空氣/燃料比高于均勻供燃料的DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)，使總的預(yù)混空氣量增加，從而降低了燃燒區(qū)域的火焰溫度，減少NOX的產(chǎn)生。在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，PM1噴嘴保證了機(jī)組燃燒的穩(wěn)定性，也促使燃?xì)庠谌紵夷芡Ａ糇銐虻臅r(shí)間讓CO完全燃燒，降低CO的產(chǎn)生量。DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)在低負(fù)荷階段采用擴(kuò)散燃燒模式，此時(shí)燃燒室在燃燒區(qū)域產(chǎn)生局部高溫區(qū)，由于燃燒氣體在高溫下更容易生成NOX，因此NOX的產(chǎn)生量比較高。而DLN-2.6燃燒系統(tǒng)采用全預(yù)混燃燒模式，從模式切換要求可以看出，機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃燒室的溫度較低，所以NOX產(chǎn)生量也相當(dāng)?shù)?。改造后的PM1噴嘴解決了由于燃燒室溫度降低使CO產(chǎn)生量增加的情況。值得指出的是，DLN-2.0燃燒系統(tǒng)從先導(dǎo)預(yù)混燃燒模式向預(yù)混燃燒模式切換前，可以看到煙囪有明顯的棕黃色煙氣排出，說明在這個(gè)階段燃機(jī)NOX排放量較高，而DLN-2.6燃燒系統(tǒng)在各個(gè)模式切換過程中均未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。

表1是2臺(tái)PG6111FA+E燃機(jī)機(jī)組和應(yīng)用DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)的PG9351FA燃機(jī)機(jī)組在燃燒天然氣運(yùn)行時(shí)的實(shí)際污染物排放數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)是3臺(tái)機(jī)組在各負(fù)荷階段連續(xù)測(cè)量得到的平均值。從表1數(shù)據(jù)可以看出，在額定或部分負(fù)荷時(shí)，PG6111FA+E機(jī)組的NOX排放量小于15 mg/L，CO排放量小于6 mg/L。對(duì)比PG9351FA燃機(jī)機(jī)組的NOX和CO排放數(shù)據(jù)，在O2排放量相近的情況下，PG6111FA+E燃機(jī)機(jī)組污染物排放的各項(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于采用DLN-2.0+燃燒系統(tǒng)的PG9351FA燃機(jī)機(jī)組。

表1 3臺(tái)機(jī)組的煙氣測(cè)量數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

GE燃機(jī)采用中央PM1噴嘴穩(wěn)燃、全預(yù)混燃燒技術(shù)的DLN-2.6燃燒系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較前一代燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)化，燃燒模式更簡(jiǎn)單，且提高了機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的燃燒穩(wěn)定性，同時(shí)，大氣污染物的排放也得到了更好的控制。

[1]毛志偉，趙琦，馬圓珍.GE公司干式低NOX燃燒系統(tǒng)的發(fā)展[J].浙江電力，2005，24（1）:16-19.

[2]焦樹建.燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.