王子晉

（北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?100041）

西門子SGT5-4000F機(jī)組燃燒不穩(wěn)定的調(diào)整與應(yīng)對分析

王子晉

（北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?100041）

燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定燃燒是確保燃?xì)廨啓C(jī)可靠運(yùn)行的重要保障，燃燒過程中的火焰脈動(dòng)、回火或者熄火都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的重新啟動(dòng)甚至相關(guān)設(shè)備損壞。西門子SGT5-4000F是一種常見的技術(shù)比較先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)，本文主要對該型號(hào)燃機(jī)的燃燒器原理進(jìn)行介紹，對其在運(yùn)行過程中發(fā)生的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了研究和分析，并針對燃燒不穩(wěn)定問題提出了相應(yīng)的調(diào)整方法，具有一定的借鑒意義。

燃機(jī)；燃燒不穩(wěn)定；調(diào)整方法

燃?xì)廨啓C(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率高、功率大、外形尺寸小且性能穩(wěn)定可靠，在發(fā)電廠中得到廣泛應(yīng)用。近年來隨著國家對環(huán)保工作重視程度不斷提高，低氮燃燒技術(shù)在燃機(jī)電廠得到廣泛應(yīng)用。貧燃預(yù)混燃燒通過調(diào)節(jié)燃料和空氣的混合比例使的火焰溫度降低，從而實(shí)現(xiàn)低氮燃燒的目的。但是當(dāng)燃空比過低時(shí)，燃機(jī)的燃燒也會(huì)變得不穩(wěn)定。西門子燃機(jī)通過對燃燒室的壓力變化進(jìn)行監(jiān)控從而對燃燒情況進(jìn)行分析，并利用蜂鳴器和加速度兩種手段對燃機(jī)進(jìn)行保護(hù)。西門子SGT5-4000F機(jī)組的低氮燃燒其采用擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒，且主火焰由預(yù)混通道產(chǎn)生。為提高燃燒的穩(wěn)定性，擴(kuò)散燃燒成為值班燃料采用的燃燒方式。

1　燃機(jī)燃燒的不穩(wěn)定現(xiàn)象

貧燃預(yù)混燃燒可以使燃燒溫度有效降低，從而使機(jī)組的環(huán)保性能得到提高，但是很容易造成熱聲不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。即火焰燃燒中釋放熱量的脈動(dòng)頻率與燃燒室的固有頻率發(fā)生耦合，從而形成燃燒共振，導(dǎo)致燃燒的不穩(wěn)定。在貧燃預(yù)混燃燒的情況下，當(dāng)然空比接近貧燃熄火極限時(shí)，則會(huì)引起火焰不穩(wěn)定以及熱能的不穩(wěn)定釋放，一但燃燒室熱釋放產(chǎn)生的壓力形成回聲，即產(chǎn)生嗡鳴現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致燃燒的不穩(wěn)定。嗡鳴造成的燃燒室內(nèi)持續(xù)的自激震蕩頻率若和燃燒室的自振頻率接近時(shí)，則會(huì)引起共振，從而觸發(fā)加速度保護(hù)并造成設(shè)備的損壞［1］。

某熱電廠投入運(yùn)行后，兩臺(tái)熱機(jī)有燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生，其中燃機(jī)A在當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的角度在10%～15%變化過程中，以及在負(fù)荷減小時(shí)，進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的角度在20%～10%變化過程中，出現(xiàn)了嗡鳴和加速度過高的現(xiàn)象，加速度實(shí)際值大約在2.3～3.6g之間。燃機(jī)B在當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的角度在40%～60%變化過程中，以及在負(fù)荷減小時(shí)，進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的角度在30%～25%變化過程中，出現(xiàn)了嗡鳴和加速度過高的現(xiàn)象，加速度實(shí)際值大約在2.3～3.8g之間。為了對機(jī)組設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，西門子熱機(jī)控制器的加速度保護(hù)有表1和表2所示的控制邏輯。

表1　熱機(jī)加速度保護(hù)的減負(fù)荷條件

表2　熱機(jī)加速度保護(hù)的跳閘條件

2　SGT5-4000F機(jī)組燃燒調(diào)整機(jī)理

調(diào)整值班噴嘴流量是SGT5-4000F機(jī)組燃燒調(diào)整的主要手段，適當(dāng)?shù)闹蛋鄧娮炝髁靠梢源_保燃機(jī)在運(yùn)行過程中的嗡鳴情況和加速度保持在允許范圍以內(nèi)。值班噴嘴流量主要受壓氣機(jī)的入口溫度值、燃機(jī)排氣溫度修正值以及進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的角度三個(gè)參數(shù)的影響。調(diào)整這三個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)都可以導(dǎo)致值班噴嘴流量產(chǎn)生變化，且每個(gè)參數(shù)對值班噴嘴流量的影響對應(yīng)不同的數(shù)學(xué)函數(shù)，由于函數(shù)關(guān)系不同，必須在負(fù)荷的調(diào)整過程中完成燃燒的調(diào)整。

可以通過分析值班氣體設(shè)定值、天然氣密度以及值班氣體閥門流量特征曲線，來計(jì)算值班氣體燃料控制閥的閥位。通常流量特征曲線在在設(shè)備出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了檢驗(yàn)；天然氣密度通常取天然氣在調(diào)試之初的密度值。若天然氣的自身情況在運(yùn)行過程中氣源有波動(dòng)，則很容易造成天然氣密度的變化。一旦天然氣的密度和設(shè)計(jì)值有比較大的偏差時(shí)，值班氣體的實(shí)際質(zhì)量也會(huì)和設(shè)定值之間產(chǎn)生較大偏差［2］。

在進(jìn)行燃燒調(diào)整時(shí)，必須將嗡鳴和加速度信號(hào)受值班噴嘴流量的影響情況進(jìn)行記錄，其中主要數(shù)據(jù)有幅值和頻率的大小。西門子公司應(yīng)用ARGUS系統(tǒng)對燃燒的穩(wěn)定情況進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)對脈動(dòng)嗡鳴信號(hào)和燃燒室振動(dòng)的加速度值進(jìn)行傅里葉變換，從而將這些信號(hào)顯示在頻譜圖中［3］。

為確定適宜的流量設(shè)定值需要適當(dāng)調(diào)整值班噴嘴流量，從而使燃機(jī)在全部運(yùn)行狀態(tài)下的嗡鳴和加速度值以及污染物排放指標(biāo)都在允許范圍以內(nèi)，國家有關(guān)環(huán)保法律法規(guī)規(guī)定氮的排放營銷與10mg/m3。

3　SGT5-4000F機(jī)組燃燒調(diào)整方法

3.1機(jī)組首次進(jìn)行燃燒調(diào)整

為了將燃燒振動(dòng)問題進(jìn)行消除，該熱電廠適當(dāng)調(diào)整了值班噴嘴流量，表3是調(diào)整前后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

表3　燃機(jī)A、B機(jī)組燃燒調(diào)整前后加速度保護(hù)動(dòng)作值

在表3中可以發(fā)現(xiàn)，燃機(jī)A在經(jīng)過燃燒調(diào)整后，加速度信號(hào)和嗡鳴信號(hào)在加負(fù)荷過程中得到有效的控制，但這些參數(shù)在減負(fù)荷過程中沒有太大改觀，而燃機(jī)B的情況基本沒有什么變化。

3.2機(jī)組再次進(jìn)行燃燒調(diào)整

鑒于初次進(jìn)行燃燒調(diào)整沒有獲得較為理想的結(jié)果，該熱電廠再次進(jìn)行燃機(jī)的燃燒調(diào)整，在此次調(diào)整前，對燃燒器進(jìn)行了全面更換。調(diào)整的具體步驟為：

1）調(diào)整了外旋流器的靜葉片的角度，由112°調(diào)整到108°。

2）對部分圓筒型擴(kuò)張段的長度進(jìn)行了改變，燃燒器1#—20#的長度延長為97cm，21—24#燃燒器的長度保持原樣。

3）將外旋流器的孔洞數(shù)由10個(gè)減少為8個(gè)，并把孔洞的直徑改為1.8mm。表4是二次燃燒調(diào)整后的數(shù)據(jù)，從表中可以發(fā)現(xiàn)，更換然殺氣設(shè)備并進(jìn)行燃燒調(diào)整后的加速度和嗡鳴信號(hào)都有了很大改善，在燃機(jī)的全部運(yùn)行區(qū)間中，這些參數(shù)都在規(guī)定范圍內(nèi)。

表4　燃機(jī)A、B機(jī)組燃燒調(diào)整前后加速度保護(hù)動(dòng)作值

再次調(diào)整后的燃機(jī)值班噴嘴流量設(shè)定值如圖1至圖4所示，可以明顯看出，加速度信號(hào)和嗡鳴信號(hào)都很小，因此值班噴嘴流量設(shè)定曲線的整體走向是平直的，從而不必在將值班噴嘴流量加大。

在通常情況下，將值班噴嘴流量適當(dāng)增大就可以有效的降低加速度信號(hào)和嗡鳴信號(hào)，然而在上文的熱電廠中，僅僅對值班噴嘴流量進(jìn)行調(diào)節(jié)并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，最終通過采用更換燃燒器的相關(guān)配件同時(shí)采用燃燒調(diào)整的方法才將問題解決。

圖1　燃機(jī)A值班噴嘴流量調(diào)整曲線1

圖2　燃機(jī)A值班噴嘴流量調(diào)整曲線2

圖3　燃機(jī)B值班噴嘴流量調(diào)整曲線1

圖4　燃機(jī)B值班噴嘴流量調(diào)整曲線2

4　結(jié)論

鑒于混合燃燒穩(wěn)定性比較差，熱電廠燃機(jī)的燃燒器比較容易有嗡鳴報(bào)警產(chǎn)生，所以可以利用值班擴(kuò)散火焰對燃燒器的燃燒穩(wěn)定進(jìn)行調(diào)整。往往對值班噴嘴的流量進(jìn)行適當(dāng)增加可以促使燃燒室加速度信號(hào)和嗡鳴信號(hào)降低，但是在有些情況下，僅僅對值班噴嘴流量進(jìn)行調(diào)整，并不能使問題得到解決，此時(shí)，往往需要從硬件上入手，對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，同時(shí)對燃燒進(jìn)行調(diào)整，往往就可以使燃燒變得穩(wěn)定。機(jī)組燃燒穩(wěn)定關(guān)系重大，應(yīng)加大這方面相關(guān)問題的深入研究，以進(jìn)一步提高燃機(jī)運(yùn)行的可靠性。

［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.

［3］ 瞿虹劍， 劉新平. 西門子V94.3A型燃機(jī)燃燒穩(wěn)定性的判別［J］. 華東電力， 2012（12）： 2282-2288.

Adjustment and Response Analysis of Combustion Instability of SIEMENS SGT5-4000F Unit

Wang Zijin
（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd， Beijing 100041）

The stability of the gas turbine combustion is to ensure that an important guarantee for the reliable operation of the gas turbine， combustion process of flame pulsation， tempering or extinction will lead to unstable operation of equipment， and even lead to gas turbine restart or damage to equipment. Siemens SGT5-4000F is a common technology more advanced gas turbine， this paper mainly for the type of burning machine principle of burner are introduced， occurring in the operation process of combustion instability is studied and analyzed in the paper and in view of the problem of combustion instability proposed corresponding adjustment methods， have certain reference significance.

combustion engine； combustion instability； adjustment method

王子晉（1984-），男，工程師，主要從事發(fā)電廠運(yùn)行工作。