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，是實現(xiàn)整個行業(yè)減碳目標(biāo)的重要支撐。燃燒系統(tǒng)的研發(fā)一直強調(diào)火焰的穩(wěn)定性和對氮氧化物的控制，其最終目標(biāo)是實現(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)運行過程中，當(dāng)熱釋放率劇烈變化和燃燒壓力振蕩時表征著燃燒狀態(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：在聲音振動介質(zhì)最稠密時向其提供能量或者在最稀疏的時刻從中吸取熱量，聲振會加強；反之，聲振會衰減[1]。研究表明，該現(xiàn)象主要與火焰變化、燃料放熱率、聲波傳遞以及流動脈動等有關(guān)。對于燃機(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，會引起燃燒室內(nèi)聲波變動，并且在整個燃燒室內(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，這樣就能夠為燃燒過程和流體變化之間提供能量反饋。目前9F 燃機(jī)大多基于此原理對燃燒狀態(tài)進(jìn)行檢測。通過檢測燃燒動態(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其相應(yīng)部件進(jìn)行冷卻保護(hù)?；旌闲腿紵饔晌鏖T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。燃燒室的外殼上設(shè)有兩個火焰檢測口，火焰信號通過光電轉(zhuǎn)換器輸出到評估模塊，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個燃燒動態(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)。動態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，如圖4所示，包含傳感器探頭、信號前置器、電氣隔離器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等。

圖4 動態(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，動態(tài)壓力傳感器和信號前置器安裝在機(jī)械指定的設(shè)計位置，以實現(xiàn)有效的保護(hù)。某些指定部件的設(shè)計壽命達(dá)到30年。配套的燃燒數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示、分析和存儲，并且產(chǎn)生報警和控制信號。燃燒動態(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)運行時，動態(tài)壓力值低于100Pa 時，系統(tǒng)判斷傳感器故障?；趬弘娫膭訅簜鞲衅魅菀资艿届o電干擾，特別在燃機(jī)運行中溫度變化時，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別。

不穩(wěn)定的燃燒動態(tài)同樣會誘發(fā)燃燒室加速度增大，這會直接損壞燃機(jī)結(jié)構(gòu)，尤其是陶瓷隔熱瓦，因此，必須對高加速度事件迅速識別和抑制。西門子為此設(shè)計并裝配的三只壓電式傳感器，能夠快速測量和識別加速度信號。燃燒數(shù)據(jù)采集和動態(tài)分析系統(tǒng)讀取并且通過帶通濾波處理該信號，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 讀取一次并對測量值進(jìn)行邏輯運算。

信號的處理時間最大不超過200ms，保護(hù)信號亦在控制器中形成，動作時間不超過50ms。如果輸入信號低于測量下限（例如3.2mA）或者高于上限（例如23mA），則會判斷該檢測回路故障同時發(fā)出對應(yīng)通道的報警信息。若一個測量回路故障，該故障通道會繼續(xù)使用，并且仍用于加速度信號中值選擇邏輯；若檢測到兩個故障信號時，會發(fā)出“加速度檢測雙回路故障”報警信息，同時燃機(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 燃燒動態(tài)分析系統(tǒng)，如圖5所示，對燃燒動態(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，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 燃燒動態(tài)分析系統(tǒng)

現(xiàn)場經(jīng)驗表明，在某些頻帶上燃燒室加速度可能在極短的時間內(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，對測量數(shù)據(jù)在多個頻帶進(jìn)行評估，并計算特定頻帶之間的最大譜線關(guān)系[3]。計算出的阻尼值用于燃燒監(jiān)視和控制。模擬量一介阻尼計算如下:

式中：T 為一階慣性時間常數(shù)。

在燃機(jī)運行中，分析檢測系統(tǒng)持續(xù)檢測燃燒動態(tài)。將計算結(jié)果傳送至燃機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過自動控制邏輯調(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)定性由燃燒動態(tài)頻帶鄰近振幅和穩(wěn)定振幅的關(guān)系來表征，從而計算出特定邊界內(nèi)設(shè)定點的偏移量。燃燒動態(tài)邊界和相關(guān)措施針對不同的負(fù)荷范圍進(jìn)行定義，每個負(fù)荷范圍內(nèi)，特定頻帶設(shè)定了三個限制值。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)組會降低負(fù)荷；較高的值表征危險的燃燒動態(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燃燒動態(tài)表征著燃燒穩(wěn)定。過高或者過低的會導(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，220Hz/270Hz 燃燒室加速度增加，相應(yīng)控制邏輯將通過計算先導(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)由振動設(shè)備直接讀取并送入控制系統(tǒng)，來滿足響應(yīng)時間的要求。燃機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)定了四個限制值，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高于47.5Hz 時，激活限制值1和限制值2，當(dāng)加速度超過限制值1時，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。控制系統(tǒng)累計超過限制值2的持續(xù)時間，如果超過30s，則必須在下一個適當(dāng)?shù)耐C(jī)時間檢查燃燒室；超過40s，則需要立即停機(jī)檢查燃燒室。

燃燒室檢查成功后，計數(shù)器可以復(fù)位。當(dāng)燃燒室加速度超過限制值3時，必然將會大概率對燃燒室隔熱瓦造成損傷，經(jīng)驗表明，其損傷程度與燃?xì)廨啓C(jī)運行時間和最大負(fù)荷有關(guān)，因此，將立即觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)跳閘，對潛在風(fēng)險進(jìn)行評估和加權(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)生前通常能夠識別出其峰值。峰值超過限制值4燃?xì)廨啓C(jī)自動降低6MW 負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另一個工作點，從而預(yù)防加速度事件惡化，避免燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。

為了實現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運行，在燃?xì)廨啓C(jī)帶負(fù)荷過程中必須實施燃燒狀態(tài)測試和調(diào)整，以此確定其燃燒運行區(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)確地診斷和分析運行過程中的燃燒問題，提高燃?xì)廨啓C(jī)的可靠度，對燃?xì)廨啓C(jī)安全運行具有指導(dǎo)意義。