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)廠家對我國核心設(shè)備領(lǐng)域的長期技術(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)，即同時使用液體/氣體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)中實施雙燃料燃燒技術(shù)可以提高燃?xì)廨啓C(jī)對燃料的適應(yīng)性，拓寬燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。筆者對西門子平臺燃燒系統(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)，以期對同類型機(jī)組提供參考。

1 西門子PCS燃燒器簡介

某項目采用西門子公司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

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

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值班火焰模式的噴嘴(簡稱值班噴嘴)，其噴出的火焰稱為值班火焰，包括擴(kuò)散級P階段和先導(dǎo)預(yù)混級 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個預(yù)混主噴嘴，這8個預(yù)混主噴嘴被分成A 階段和B 階段2個燃料級，每個燃料級均有4個噴嘴。值班噴嘴采用強旋流的氣動設(shè)計，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)作電動機(jī)拖動燃?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拖動燃?xì)廨啓C(jī)至點火轉(zhuǎn)速(530 r/min)激活點火器，點火轉(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)定的點火流量打開P階段和A 階段燃料控制閥，燃?xì)廨啓C(jī)點火成功并升速到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行，保證燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷運行時的穩(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)定的火焰強度，又保證了最低的NOx排放量；當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)波動或者燃燒出現(xiàn)脈動時，增加P階段燃料控制閥開度以保證整個燃?xì)廨啓C(jī)火焰燃燒穩(wěn)定。燃?xì)饽Ｊ较氯細(xì)廨啓C(jī)啟動曲線見圖3。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)饽Ｊ絾忧€

燃油模式下轉(zhuǎn)速從清吹轉(zhuǎn)速降至690 r/min，再由SFC拖動燃?xì)廨啓C(jī)至點火轉(zhuǎn)速(750 r/min)，高壓燃油泵啟動，燃油P階段燃料控制閥打開至預(yù)設(shè)定位置、延時5 s，點火器通電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，指示點火順序已完成。點火成功后，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時實現(xiàn)初始加速，同時打開燃油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，燃油B 階段投入。燃油模式下燃?xì)廨啓C(jī)啟動曲線見圖4。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)燃油模式啟動曲線

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個部分，具體為：回火預(yù)回火熱電偶保護(hù)、動態(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并且測點無輸出質(zhì)量報警的前提下動作。

燃?xì)饽Ｊ綍r，各階段過燃料測量值都由5個差壓變送器測量得出。5個階段的燃?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)動作。燃?xì)饽Ｊ较碌倪^燃料保護(hù)動作設(shè)定值見表1。

表1 燃?xì)饽Ｊ较碌倪^燃料保護(hù)動作設(shè)定值

燃油模式時，各階段過燃料測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，燃油母管排污閥關(guān)閉，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)點火階段；點火槍通電15 s后，任意階段過燃料測量值達(dá)到或者超過設(shè)定值，燃?xì)廨啓C(jī)燃油過燃料保護(hù)動作。燃油模式下的過燃料保護(hù)動作設(shè)定值見表2。

表2 燃油模式下的過燃料保護(hù)動作設(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)是啟動和正常運行的全過程保護(hù)，在正常運行過程中監(jiān)視各燃燒室的燃燒狀態(tài)，在啟動中判斷點火成功并監(jiān)視燃燒場溫度均勻性。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個溫度信號到DCS，位于燃?xì)廨啓C(jī)第4級動葉后，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時有所不同，具體表現(xiàn)為：

(1) 在啟動過程中，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min且小于1 500 r/min時，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，燃?xì)饽Ｊ较氯~片通道溫度分散度達(dá)到98 K會導(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) 在啟動過程中，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min時，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2 s，觸發(fā)自動降負(fù)荷；葉片通道溫度分散度達(dá)到72.8 K，延時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，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。長期使用燃油模式運行或多次燃油模式點火會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)的啟動過程中，又用在燃?xì)廨啓C(jī)的正常運行中。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時自動降負(fù)荷，大于44.8 K時觸發(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)自動降負(fù)荷；大于61.6 K，延時2 s，斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器開關(guān)；大于72.8 K，延時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個溫度信號到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，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速大于800 r/min且小于3 000 r/min時，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，其中多出來的2個燃料階段全部是預(yù)混燃燒階段，在點火升速的初期，燃?xì)饽Ｊ奖热加湍Ｊ揭刂频酶泳珳?zhǔn)。燃油模式運行時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) 燃油模式運行時的燃燒溫度明顯高于燃?xì)饽Ｊ剑虼嗽跍囟缺Ｗo(hù)設(shè)定值上燃油模式比燃?xì)饽Ｊ礁?；同時，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，以同時保證燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運行和確保燃油模式下燃?xì)廨啓C(jī)金屬的最大壽命。