北京京能高安屯燃?xì)鉄犭娪邢挢?zé)任公司 牛興偉 庫國亮 丁 哲

1 引言

隨著“3060”雙碳戰(zhàn)略的推進(jìn)，各個(gè)行業(yè)都已經(jīng)開始尋求降碳路線。電力行業(yè)占據(jù)整個(gè)碳排放40%的份額，充分凸顯了能源低碳轉(zhuǎn)型的重要性。燃?xì)廨啓C(jī)具有高靈活性、寬負(fù)荷以及非常優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性，尤其本身的低碳技術(shù)甚至未來零碳技術(shù)的先進(jìn)性，決定著燃?xì)獍l(fā)電是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)行業(yè)減碳目標(biāo)的重要支撐。燃燒系統(tǒng)的研發(fā)一直強(qiáng)調(diào)火焰的穩(wěn)定性和對(duì)氮氧化物的控制，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、靈活和超低排放。因此，燃燒檢測和分析技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵且不可回避的問題。

2 燃燒狀態(tài)檢測原理以及檢測方式

2.1 燃燒狀態(tài)檢測原理

在燃機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)熱釋放率劇烈變化和燃燒壓力振蕩時(shí)表征著燃燒狀態(tài)的不穩(wěn)定，此現(xiàn)象稱為燃燒熱聲耦合振蕩。19世紀(jì)Rayleigh 已對(duì)該現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理作出解釋即瑞利準(zhǔn)則：在聲音振動(dòng)介質(zhì)最稠密時(shí)向其提供能量或者在最稀疏的時(shí)刻從中吸取熱量，聲振會(huì)加強(qiáng)；反之，聲振會(huì)衰減[1]。研究表明，該現(xiàn)象主要與火焰變化、燃料放熱率、聲波傳遞以及流動(dòng)脈動(dòng)等有關(guān)。對(duì)于燃機(jī)而言，燃燒室中的燃燒狀態(tài)同樣具有一定的聲學(xué)特性。常壓條件下燃料當(dāng)量比的變化對(duì)燃燒特性有顯著影響，假設(shè)其燃燒狀態(tài)取決于當(dāng)量比，就可以形成一個(gè)簡單的反饋回路。熱聲振蕩反饋回路如圖1所示。

圖1 熱聲振蕩反饋回路

當(dāng)燃燒壓力隨著熱釋放率即燃料當(dāng)量比的變化而變化時(shí)，會(huì)引起燃燒室內(nèi)聲波變動(dòng)，并且在整個(gè)燃燒室內(nèi)傳播，進(jìn)而影響燃燒過程。因此，聲波和燃燒放熱率之間相互耦合，這樣就能夠?yàn)槿紵^程和流體變化之間提供能量反饋。目前9F 燃機(jī)大多基于此原理對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行檢測。通過檢測燃燒動(dòng)態(tài)壓力及其頻譜特性來判斷燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性。燃燒壓力和熱釋放關(guān)系如圖2所示。

圖2 燃燒壓力和熱釋放關(guān)系

2.2 燃燒狀態(tài)檢測方式

西門子SGT5-4000F燃機(jī)燃燒系統(tǒng)包含有一個(gè)帶有24只混合型燃燒器的環(huán)形燃燒室。為了確保支撐結(jié)構(gòu)不受熱氣流的影響，燃燒室內(nèi)襯有金屬和陶瓷隔熱罩，并且采用沖擊冷卻和間隙密封的方式對(duì)其相應(yīng)部件進(jìn)行冷卻保護(hù)。混合型燃燒器由西門子1995年研發(fā)，并不斷優(yōu)化，其結(jié)合了擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒的優(yōu)點(diǎn)。燃燒室的外殼上設(shè)有兩個(gè)火焰檢測口，火焰信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換器輸出到評(píng)估模塊，以此判斷燃燒室中的燃料是否燃燒（即是否存在火焰），避免未燃燒的燃料積聚造成爆燃事故[2]。SGT5-4000F 環(huán)形燃燒室如圖3所示。

圖3 SGT5-4000F 環(huán)形燃燒室

在燃燒室特定燃燒器的法蘭盤上安裝有3～5個(gè)燃燒動(dòng)態(tài)壓力傳感器，并且這些傳感器具有冗余性，即使在某一個(gè)傳感器故障的情況下也可以精確地測量出燃燒室周向駐波的振幅，通過檢測分析系統(tǒng)反映燃燒狀態(tài)。動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，如圖4所示，包含傳感器探頭、信號(hào)前置器、電氣隔離器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等。

圖4 動(dòng)態(tài)壓力測量回路

這些測量部件能夠在惡劣的高溫條件下工作，并且滿足防爆和阻燃要求，動(dòng)態(tài)壓力傳感器和信號(hào)前置器安裝在機(jī)械指定的設(shè)計(jì)位置，以實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)。某些指定部件的設(shè)計(jì)壽命達(dá)到30年。配套的燃燒數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示、分析和存儲(chǔ)，并且產(chǎn)生報(bào)警和控制信號(hào)。燃燒動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)檢查故障并將正常狀態(tài)發(fā)送給燃機(jī)控制系統(tǒng)，燃機(jī)運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)壓力值低于100Pa 時(shí)，系統(tǒng)判斷傳感器故障。基于壓電元件的動(dòng)壓傳感器容易受到靜電干擾，特別在燃機(jī)運(yùn)行中溫度變化時(shí)，頻繁的干擾現(xiàn)象，預(yù)示著傳感器可能已經(jīng)故障，因此要通過特征頻譜來識(shí)別。

不穩(wěn)定的燃燒動(dòng)態(tài)同樣會(huì)誘發(fā)燃燒室加速度增大，這會(huì)直接損壞燃機(jī)結(jié)構(gòu)，尤其是陶瓷隔熱瓦，因此，必須對(duì)高加速度事件迅速識(shí)別和抑制。西門子為此設(shè)計(jì)并裝配的三只壓電式傳感器，能夠快速測量和識(shí)別加速度信號(hào)。燃燒數(shù)據(jù)采集和動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)讀取并且通過帶通濾波處理該信號(hào)，由硬連接線將數(shù)據(jù)送至燃機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)每32ms 讀取一次并對(duì)測量值進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

信號(hào)的處理時(shí)間最大不超過200ms，保護(hù)信號(hào)亦在控制器中形成，動(dòng)作時(shí)間不超過50ms。如果輸入信號(hào)低于測量下限（例如3.2mA）或者高于上限（例如23mA），則會(huì)判斷該檢測回路故障同時(shí)發(fā)出對(duì)應(yīng)通道的報(bào)警信息。若一個(gè)測量回路故障，該故障通道會(huì)繼續(xù)使用，并且仍用于加速度信號(hào)中值選擇邏輯；若檢測到兩個(gè)故障信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)出“加速度檢測雙回路故障”報(bào)警信息，同時(shí)燃機(jī)保護(hù)將由第三通道判斷和觸發(fā)；如果所有檢測值均故障，系統(tǒng)發(fā)出“加速度檢測三通道故障”，燃機(jī)延遲2s 后保護(hù)跳閘。

3 燃燒分析和控制簡介

西門子SGT5-4000F 燃燒動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)，如圖5所示，對(duì)燃燒動(dòng)態(tài)壓力和燃燒室加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，在頻域中分析測量信號(hào)，數(shù)據(jù)以2的指數(shù)長度來處理，通常限制在256、512、1024和2048。這也決定了譜線之間的分辨率和可分析的頻帶寬度。

圖5 SGT5-4000F 燃燒動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)

現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，在某些頻帶上燃燒室加速度可能在極短的時(shí)間內(nèi)增加（取決于燃燒器和透平的配置），根據(jù)燃燒特征行為，計(jì)算頻率不大于20Hz，可分析范圍5～1000Hz，譜線分辨率5Hz。為了充分表征燃燒特性，對(duì)測量數(shù)據(jù)在多個(gè)頻帶進(jìn)行評(píng)估，并計(jì)算特定頻帶之間的最大譜線關(guān)系[3]。計(jì)算出的阻尼值用于燃燒監(jiān)視和控制。模擬量一介阻尼計(jì)算如下:

式中：T 為一階慣性時(shí)間常數(shù)。

在燃機(jī)運(yùn)行中，分析檢測系統(tǒng)持續(xù)檢測燃燒動(dòng)態(tài)。將計(jì)算結(jié)果傳送至燃機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過自動(dòng)控制邏輯調(diào)節(jié)先導(dǎo)氣和透平出口溫度以防止高加速度事件的發(fā)生。燃燒穩(wěn)定性由燃燒動(dòng)態(tài)頻帶鄰近振幅和穩(wěn)定振幅的關(guān)系來表征，從而計(jì)算出特定邊界內(nèi)設(shè)定點(diǎn)的偏移量。燃燒動(dòng)態(tài)邊界和相關(guān)措施針對(duì)不同的負(fù)荷范圍進(jìn)行定義，每個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，特定頻帶設(shè)定了三個(gè)限制值。低值表示具有穩(wěn)定的燃燒特性，通過調(diào)整先導(dǎo)氣流量優(yōu)化氮氧化物排放，并且能夠通過增加透平溫度提高功率輸出；偏高的值表征著燃燒趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整先導(dǎo)氣流量或者降低透平溫度以增加燃燒穩(wěn)定性，在臨界燃燒工況下，機(jī)組會(huì)降低負(fù)荷；較高的值表征危險(xiǎn)的燃燒動(dòng)態(tài)，先導(dǎo)氣將快速增加，負(fù)荷降低。

在IGV 控制范圍和基本負(fù)荷下，適中的90Hz燃燒動(dòng)態(tài)表征著燃燒穩(wěn)定。過高或者過低的會(huì)導(dǎo)致燃燒室加速的增加，這種不穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)表現(xiàn)為短暫的低振幅加速度峰值，峰值識(shí)別后，控制系統(tǒng)將根據(jù)各頻帶的分析數(shù)據(jù)通過調(diào)整先導(dǎo)氣流量、燃機(jī)出口溫度、降低輸出功率等策略來促使燃燒恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)?shù)拓?fù)荷范圍燃燒不穩(wěn)定時(shí)，220Hz/270Hz 燃燒室加速度增加，相應(yīng)控制邏輯將通過計(jì)算先導(dǎo)氣體流量偏移量來改變其邊界流量以維持燃燒穩(wěn)定，其定義為壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉位置和燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的函數(shù)。以此提前抑制負(fù)荷脫落和燃?xì)廨啓C(jī)跳閘事件的發(fā)生。

此外，為了快速響應(yīng)和避免高加速度事件，加速度數(shù)據(jù)由振動(dòng)設(shè)備直接讀取并送入控制系統(tǒng)，來滿足響應(yīng)時(shí)間的要求。燃機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)定了四個(gè)限制值，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高于47.5Hz 時(shí)，激活限制值1和限制值2，當(dāng)加速度超過限制值1時(shí)，燃機(jī)將每4s 釋放6MW 負(fù)荷，事件持續(xù)19s 燃機(jī)跳閘。超過限制值2，燃?xì)廨啓C(jī)立即釋放15MW 負(fù)荷，持續(xù)13s 燃機(jī)跳閘?？刂葡到y(tǒng)累計(jì)超過限制值2的持續(xù)時(shí)間，如果超過30s，則必須在下一個(gè)適當(dāng)?shù)耐C(jī)時(shí)間檢查燃燒室；超過40s，則需要立即停機(jī)檢查燃燒室。

燃燒室檢查成功后，計(jì)數(shù)器可以復(fù)位。當(dāng)燃燒室加速度超過限制值3時(shí)，必然將會(huì)大概率對(duì)燃燒室隔熱瓦造成損傷，經(jīng)驗(yàn)表明，其損傷程度與燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)間和最大負(fù)荷有關(guān)，因此，將立即觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)跳閘，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和加權(quán)來確定是否執(zhí)行燃燒室檢查。在基本負(fù)荷附近，嚴(yán)重的加速度事件發(fā)生前通常能夠識(shí)別出其峰值。峰值超過限制值4燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)降低6MW 負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工作點(diǎn)，從而預(yù)防加速度事件惡化，避免燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。

為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在燃?xì)廨啓C(jī)帶負(fù)荷過程中必須實(shí)施燃燒狀態(tài)測試和調(diào)整，以此確定其燃燒運(yùn)行區(qū)間，而燃燒調(diào)整技術(shù)最基礎(chǔ)的要求正是燃燒檢測和分析能力。在保證燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，燃燒分析和調(diào)整還要提高燃燒效率，減少NOx 等污染物的排放。

4 結(jié)語

燃?xì)廨啓C(jī)是非常復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備。目前國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)仍存在很大的技術(shù)壁壘，其中一項(xiàng)便是燃燒分析技術(shù)，該技術(shù)處于國外供應(yīng)商封鎖狀態(tài)。然而燃燒監(jiān)測和分析卻是燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，亦是進(jìn)行燃燒調(diào)整的依據(jù)。研究和分析燃燒室熱聲振蕩，能夠準(zhǔn)確地診斷和分析運(yùn)行過程中的燃燒問題，提高燃?xì)廨啓C(jī)的可靠度，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。