9FA燃气轮机干式低NOx燃烧系统及燃烧监视.doc

1、南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）1南京工程学院继续教育学院毕 业 论 文9FA 燃气轮机干式低 NOx 燃烧系统及燃烧监视姓 名： 时永兴 学 号： 专 业： 热 动 学 历： 大 学 指导教师： 赵雅菊 函 授 站： 戚 电 中国 南京南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）22008 年 12 月目 录前言 .39FA 燃气轮机干式低 NOx 燃烧系统及燃烧监视 .4摘要 .4一、 燃气轮机燃烧系统概况 .41.1 燃烧室布置 .41.2 气体燃料供给系统 .5二、 燃烧控制系统 .52.1 燃烧模式 .62.1.1 扩散模式(L83FXP) .72.1.2 次先导预混

2、模式(L83FXL) .72.1.3 先导预混(L83FXH) .72.1.4 预混(L83FXM) .72.2 燃烧模式转换 .82.3 实践问题 .9三、 控制功能的实现 .123.1 燃烧基准温度 .123.2 进口导叶控制 .123.3 进气加热 .133.4 气体清吹系统 .13四、 燃烧监视 .14五、 造成排烟分散度大的一般原因 .145.1 测量 .145.2 燃气系统 .155.3 燃气喷嘴 .155.4 承压室总成 .155.5 燃烧系统 .155.6 一级喷嘴 .15六、 排烟分散度大对燃机的影响 .16七、 排烟分散度允许值 TTXSPL 的算法 .17八、 报警与遮断

3、 .18九、 实例分析 .19十、 总结 .21参考文献： .22致 谢 .22南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）3前言燃 气 轮 机 的 燃 烧 调 整 是 一 个 复 杂 的 过 程 ， 需 要 在 不 同 的 负 荷 段 作 出 相 应 的 调整 ， 最 终 得 出 一 个 最 佳 的 燃 料 燃 烧 控 制 曲 线 。 而 且 燃 气 轮 机 燃 烧 室 的 动 态 特 性跟 燃 料 温 度 、 压 气 机 入 口 空 气 温 度 、 燃 料 的 成 分 等 有 很 大 的 关 系 ， 在 实 际 的 运行 中 需 要 不 断 总 结 ， 努 力 得 到 最 好 的 燃 烧

4、 效 果 。燃 烧 监 视 就 是 通 过 检 测 反 映 排 烟 温 度 场 均 匀 程 度 的 排 烟 分 散 度 ， 来 反 映 燃 烧系 统 或 透 平 的 状 况 的 。 当 排 烟 分 散 度 大 或 者 说 排 烟 温 度 场 不 均 匀 时 ， 控 制 系 统及 时 发 出 报 警 ， 提 醒 运 行 人 员 采 取 措 施 ， 或 者 直 接 发 出 遮 断 指 令 ， 这 样 以 防 止事 故 进 一 步 扩 大 ， 危 及 燃 烧 室 、 过 渡 段 或 透 平 的 寿 命 。我 们 对 燃 机 燃 烧 过 程 应 有 充 分 的 认 识 ， 同 时 在 运 行 中 应

5、加 以 足 够 的 重 视 。因 为 ， 当 燃 烧 真 正 发 生 故 障 时 ， 如 果 任 其 发 展 ， 将 直 接 导 致 燃 烧 室 和 透 平 的 严重 损 坏 ， 而 对 排 烟 分 散 度 的 监 视 ， 是 我 们 发 现 问 题 的 一 个 极 其 重 要 的 手 段 。我 们 应 注 意 排 烟 分 散 度 的 变 化 情 况 ， 经 常 把 目 前 的 值 与 以 前 类 似 状 况 下 的 值作 比 较 ， 当 发 现 其 变 化 较 大 时 应 及 时 查 明 原 因 。 因 为 ， 当 排 烟 分 散 度 达 到 或 接近 允 许 值 时 ， 很 可 能 燃 烧

6、 室 或 透 平 已 经 有 所 损 坏 了 ， 因 此 ， 一 旦 发 现 排 烟 分 散度 有 异 常 的 情 况 ， 我 们 就 必 须 积 极 地 采 取 有 效 的 方 法 进 行 检 查 ， 把 故 障 排 除 在萌 芽 状 态 。本 文 在 撰 写 过 程 中 ， 结 合 9FA 燃 机 实 际 运 行 经 验 ， 查 阅 了 燃 机 控 制 规 范 、 MK- 控 制 程 序 图 等 资 料 。 有 不 完 善 之 处 ， 欢 迎 批 评 指 正 。南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）49FA 燃 气 轮 机 干 式 低 NOx 燃 烧 系 统 及 燃 烧 监 视戚

7、墅 堰 发 电 有 限 公 司 时 永 兴摘要: 本 文 详 细 介 绍 了 PG9351FA 燃 气 轮 机 中 DLN2.0+燃 烧 控 制 系 统 。 系 统 的对 燃 烧 室 布 置 ， 气 体 燃 料 供 给 系 统 ， 燃 烧 控 制 系 统 ， 燃 烧 模 式 ， 燃 烧 模 式 转 换 ，燃 烧 基 准 温 度 ， 进 口 导 叶 控 制 ， 进 气 加 热 系 统 ， 气 体 清 吹 系 统 进 行 了 说 明 。该 系 统 可 以 获 得 最 佳 的 燃 烧 效 果 及 低 NOx 生 成 ， 并 完 成 燃 气 轮 机 机 组 运 行 各 阶段 的 控 制 任 务 ， 如

8、 点 火 、 燃 料 流 量 的 控 制 和 分 配 。 给 出 了 各 模 式 下 期 望 的 参 数值 。 并 根 据 PG9351FA 燃 气 轮 机 的 DLN2.0+燃 烧 特 性 ， 详 细 介 绍 了 燃 机 排 烟 分散 度 及 造 成 排 烟 分 散 度 大 的 原 因 。 阐 述 了 分 散 度 大 对 燃 机 的 影 响 ， 同 时 还 对 控制 系 统 中 排 烟 分 散 度 允 许 值 的 计 算 方 法 进 行 了 简 单 的 说 明 。 列 出 了 GE 提 供 的排 烟 分 散 度 大 报 警 与 遮 断 算 法 。 最 后 通 过 我 公 司 1、 2 燃 机

9、 投 产 以 来 ， 发 生的 数 次 排 烟 分 散 度 大 故 障 实 例 进 一 步 说 明 了 燃 烧 监 视 在 燃 机 运 行 中 的 重 要 性 。关 键 字 : 燃 气 轮 机 ； 燃 烧 控 制 ； 运 行 监 视 ； 分 散 度 ； 遮 断一 、 燃 气 轮 机 燃 烧 系 统 概 况1.1 燃烧室布置GE 公 司 PG9351FA 燃 气 轮 机 机 组 共 有 18 个 分 管 、 逆 流 型 燃 烧 室 ， 每 个 燃 烧室 有 5 个 燃 料 喷 嘴 ， 整 台 机 组 共 有 90 个 燃 料 喷 嘴 。 燃 烧 室 型 号 为 DLN2.0+型 。在 18 个

10、燃 烧 室 中 只 有 顶 部 2 个 燃 烧 室 2、 3 设 有 高 能 点 火 装 置 ， 其 余 燃 烧 室通 过 联 焰 管 联 焰 。 在 15 号 、 16 号 、 17 号 和 18 号 燃 烧 室 上 装 有 4 个 火 焰 监 测器 ， 4 个 火 焰 检 测 器 采 用 闭 式 冷 却 水 冷 却 。 该 燃 烧 室 可 烧 天 然 气 、 蒸 馏 油 和 中 热值 的 气 体 燃 料 ， 还 可 以 注 入 蒸 汽 或 水 来 抑 制 NOx 的 形 成 。燃 烧 室 外 壳 的 材 料 为 SA/516-55 钢 ； 火 焰 筒 的 材 料 为 HS-188（ 镍 基

11、 合 金钢 ） ， 内 表 面 加 隔 热 涂 层 ； 过 渡 段 的 材 料 为 Nimonic263（ 镍 铬 钛 合 金 钢 ） 。DLN2.0+燃 烧 室 主 要 由 火 焰 筒 、 过 渡 段 、 导 流 衬 套 、 帽 罩 、 喷 嘴 、 端 盖 、 前外 壳 和 后 外 壳 等 部 件 组 成 。 其 中 ， 端 盖 、 喷 嘴 、 前 外 壳 和 帽 罩 又 形 成 了 一 个 可以 单 独 拆 卸 的 头 部 组 件 。 每 个 燃 烧 室 外 的 头 部 均 布 置 有 5 个 扩 散 预 混 喷 嘴 ，南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）55 个 喷 嘴 沿 圆

12、 周 方 向 均 布 。DLN2.0+燃 烧 室 的 燃 料 是 分 级 供 应 的 ， 设 有 1 个 速 度 比 例 /截 止 阀 （ SRV）和 3 个 控 制 阀 （ GCV1、 GCV2、 GCV3） ， 其 控 制 系 统 比 传 统 的 气 体 燃 料 控 制 系 统更 为 复 杂 。 气 体 燃 料 的 供 应 分 为 3 条 管 路 （ PM1、 PM4 和 D5） ： PM1 管 路 供 应1 个 喷 嘴 、 PM4 管 路 供 应 其 余 4 个 喷 嘴 、 D5 管 路 仅 在 点 火 至 低 负 荷 时 供 应 全 部喷 嘴 。 速 度 比 例 /截 止 阀 （ SR

13、V） 用 来 调 节 控 制 阀 前 的 气 体 燃 料 压 力 p2， 3 个控 制 阀 （ GCV1、 GCV2、 GCV3） 用 来 控 制 通 向 3 条 管 路 （ PM1、 PM4、 和 D5） 的气 体 燃 料 流 量 。1.2 气体燃料供给系统气 体 燃 料 供 给 系 统 见 图 1 1。图 1 1 气 体 燃 料 供 给 系 统气 体 燃 料 系 统 包 括 气 体 燃 料 辅 助 截 止 阀 ， 气 体 燃 料 截 止 /速 比 阀 ， 扩 散D5 气 体 控 制 阀 ， PM4 气 体 控 制 阀 ， PM1 气 体 控 制 阀 。截 止 /速 比 阀 SRV 是 用

14、来 维 持 控 制 阀 与 速 比 阀 之 间 所 期 望 的 压 力P2。 DGCV、 PM1 GCV 和 PM4 GCV 是 根 据 控 制 系 统 所 发 出 的 FSR 命 令 来 调 节 送 到燃 气 轮 机 的 气 体 燃 料 流 量 。二 、 燃 烧 控 制 系 统燃 烧 控 制 系 统 软 件 名 称 为 DLN2.0+， 对 多 喷 嘴 燃 烧 室 的 燃 料 供 给 起 调 节 分南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）6配 作 用 ， 用 以 实 现 运 行 各 阶 段 对 燃 料 量 的 不 同 需 求 。 在 点 火 扩 散 燃 烧 到 高 负 荷完 全 预 混

15、 燃 烧 的 整 个 过 程 中 ， 通 过 燃 料 分 段 供 给 和 燃 烧 模 式 转 换 有 机 结 合 ， 在燃 烧 基 准 温 度 (TTRFl)高 于 1243.3 的 温 度 时 ， NOx 的 排 放 量 明 显 降 低 。研 究 表 明 ， NOx 在 燃 烧 过 程 中 的 生 成 率 不 仅 是 燃 烧 火 焰 温 度 的 函 数 ， 同 时 是可 燃 混 合 物 在 火 焰 温 度 条 件 下 停 留 时 间 的 线 性 函 数 。 燃 料 稳 定 时 ， 燃 烧 温 度 则是 燃 料 /空 气 混 合 化 学 当 量 比 的 函 数 。 随 着 当 今 世 界 各

16、国 对 环 境 保 护 的 要 求 越 来越 高 ， GE 公 司 采 用 了 先 进 的 燃 烧 控 制 技 术 ， 有 效 地 限 制 了 在 燃 烧 温 度 较 高 时NOx 的 大 量 生 成 。 因 此 GE 公 司 给 出 了 预 混 模 式 在 TTRFl=1232.2 和TTRFl=1337 时 所 期 望 的 参 数 值 (见 表 2 1)。表 2 1 预 混 模 式 所 期 望 的 参 数 值但 是 在 实 际 的 调 试 中 ， GE 公 司 推 荐 在 任 何 工 况 下 ， NOx 的 排 放 量 不 允 许 小于 9lO-6。2.1 燃烧模式燃 烧 模 式 与 燃

17、料 控 制 阀 运 行 见 表 2 2。表 2 2 燃 烧 模 式 与 燃 料 控 制 阀 运 行南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）72.1.1 扩散模式(L83FXP)在 这 种 模 式 下 ， 所 有 的 气 体 燃 料 直 接 到 每 个 燃 烧 室 的 五 个 扩 散 喷 嘴 。 此 时 ，GCV3 通 路 使 用 CPD 空 气 清 吹 。 从 燃 烧 温 度 的 严 格 定 义 来 划 分 则 是 从 点 火 到 带 负荷 至 燃 烧 基 准 温 度 1093 ， 或 减 负 荷 至 燃 烧 基 准 温 度 1065.6 直 至 熄 火 ， 扩散 燃 烧 是 一 个 正

18、 常 的 运 行 模 式 。2.1.2 次先导预混模式(L83FXL)在 这 种 模 式 下 ， 燃 料 在 两 个 气 体 控 制 阀 之 间 分 配 。 G1 设 定 为 总 燃 料 量 的某 一 百 分 值 。 G2(PM1)运 行 在 这 种 模 式 的 一 个 较 大 输 出 量 来 优 化 燃 烧 动 力 特 性 ，但 是 必 须 注 意 不 能 超 过 在 此 模 式 下 定 义 的 最 大 输 出 值 。 次 先 导 预 混 是 在Ll4HS 和 FXKTH 加 负 荷 以 及 FXKTH-FXKTHDB 到 Ll4HS 之 间 的 燃 烧 模 式 。 次 先 导预 混 模 式

19、 是 稳 态 的 FSNL 运 行 模 式 。2.1.3 先导预混(L83FXH)在 这 种 模 式 下 ， 燃 料 在 三 个 气 体 控 制 阀 之 间 分 配 。 Gl 为 某 一 百 分 值 ，G2Gl， 而 G3=100% -Gl-G2。 通 常 在 G2 和 G3 之 间 给 出 一 个 偶 数 比 例 预 混 分 配 ，例 如 比 例 是 2:8。 在 保 证 排 放 物 符 合 要 求 的 情 况 下 ， 使 预 混 燃 烧 慢 慢 地 退 出 偶数 分 配 来 优 化 燃 烧 动 力 特 性 是 常 用 的 方 法 。 先 导 预 混 是 在 燃 烧 基 准 温 度FXKTH

20、 到 FXKTM 加 负 荷 以 及 FXKTM-FXKTMDB 到 FXKTH-FXKTHDB 减 负 荷 之 间 的 燃烧 模 式 。 通 常 先 导 预 混 是 燃 烧 基 准 温 度 从 1093.3 加 载 到 1243.3 或 从1243.3 减 负 荷 到 1215.6 之 间 的 一 种 燃 烧 模 式 。2.1.4 预混(L83FXM)在 预 混 模 式 下 ， 所 有 的 燃 料 直 接 输 送 到 G2 和 G3， 分 别 供 给 PMl 和 PM4。通 常 在 G2 和 G3 之 间 给 出 一 个 偶 数 比 例 分 配 ， 例 如 是 2:8。 在 保 证 排 放

21、物 符 合要 求 的 情 况 下 ， 使 预 混 燃 烧 慢 慢 地 退 出 偶 数 分 配 来 优 化 燃 烧 动 力 特 性 是 常 用 的方 法 。南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）82.2 燃烧模式转换DLN2.0+燃 烧 技 术 的 成 功 应 用 就 是 使 燃 气 轮 机 的 燃 烧 模式 在 不 同 的 工 况 下 进 行 合 理 转 换 来 实 现 对 燃 烧 基 准 温 度 的 控 制 ， 保 证 机 组 的 最佳 运 行 工 况 和 满 足 排 放 要 求 。 GE 公 司 推 荐 的 燃 烧 模 式 转 换 点 见 表 2 3。表 2 3 推 荐 的 燃 烧

22、 模 式 转 换 点在 此 基 础 上 ， GE 公 司 给 出 了 加 负 荷 时 典 型 的 燃 烧 和 清 吹 转 换 过 程 (见 表2 4)， 以 及 减 负 荷 时 典 型 的 燃 烧 和 清 吹 转 换 过 程 (见 表 2 5)。表 2 4 典 型 的 加 负 荷 流 程表 2 5 典 型 的 减 负 荷 流 程对 于 9FA 燃 气 机 组 ， 由 于 没 有 PMl 的 清 吹 系 统 ， 所 以 在 实 际 运 行 中 也 就 没有 这 条 燃 料 通 路 的 清 吹 。 同 时 在 现 场 调 试 中 ， 要 根 据 机 组 的 动 态 特 性 和 排 放 量的 要 求

23、 对 具 体 的 控 制 常 数 作 出 适 当 调 整 ， 使 燃 烧 系 统 获 得 最 优 化 。 图 2 1 和南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）9图 2 2 给 出 了 9FA 单 轴 燃 气 机 组 在 启 动 和 停 机 过 程 中 实 际 的 燃 烧 切 换 过 程 。图 2 1 机 组 在 启 动 过 程 中 的 燃 烧 模 式 切 换图 2 2 机 组 在 停 机 过 程 中 的 燃 烧 模 式 切 换2.3 实践问题(1)如 果 机 组 运 行 在 先 导 预 混 并 且 有 一 个 发 电 机 断 路 器 跳 闸 事 故 发 生 ， 所 有的 燃 料 需 要

24、 立 即 输 送 到 Gl 阀 门 ， 因 此 FXSGl 和 FASGlC 会 转 换 到 100%。 另 一情 况 ， 当 从 次 先 导 预 混 过 渡 到 先 导 预 混 ， FXSGl 会 从 FXSGl.LC(Gl 次 先 导 基 准 )转换 到 FXSGl-HC(Gl 先 导 基 准 )。 但 是 FXAGlC 只 是 在 这 些 值 之 间 过 渡 转 换 ， 因 此当 预 混 燃 料 在 G2 和 G3 供 给 时 ， 扩 散 燃 烧 流 量 基 准 以 平 滑 的 线 性 方 式 转 换 为 零 。(2)每 个 燃 料 控 制 阀 在 运 行 中 都 会 产 生 一 定 的

25、 压 力 降 ， 因 此 控 制 阀 后 燃 气 母 管 压力 也 就 有 变 化 。 如 果 保 证 了 基 本 的 压 降 ， 质 量 流 量 则 是 上 游 压 力 p2、 燃 气 温度 和 阀 门 开 度 的 函 数 。 对 于 恒 定 的 燃 气 温 度 和 入 口 压 力 p2， 流 量 仅 仅 是 阀 门南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书（论文）10开 度 的 函 数 。 因 为 压 力 p2 是 3 个 控 制 阀 入 口 的 压 力 ， 如 何 控 制 速 比 阀 保 持 一 个恒 定 的 p2 也 就 十 分 的 重 要 ， 所 以 把 压 力 基 准 设 计 为 是

26、转 速 的 函 数 ， 具 体 的 函 数关 系 是 :FPRG， TNH， FPKGNG+FPKGNO。 在 机 组 启 动 过 程 中 ， 随 着 转 速 的 升 高 ，FPRG 输 出 增 加 ， p2 增 加 。 当 机 组 达 到 全 速 后 ， 机 组 转 速 基 本 恒 定 ， 所 以 P2 也就 相 对 恒 定 了 。 当 速 比 阀 打 开 命 令 失 去 时 ， FPRG 的 输 出 变 化 为 -40%， 使 速 比阀 关 闭 。 为 了 在 不 同 尺 寸 的 燃 料 控 制 阀 之 间 合 理 地 分 配 流 量 ， 需 要 使 用 一 个CG 基 准 来 决 定 适

27、 当 的 阀 门 基 准 。 值 得 注 意 的 是 ， 在 TTRFl 大 于 1037.8 之 后 ，辅 助 截 止 阀 前 的 压 力 即 p1 不 能 低 于 2.94MPa， 如 果 低 于 该 值 ， 燃 气 轮 机 也 要 降负 荷 运 行 。 (3)在 每 个 控 制 阀 给 出 一 个 流 量 基 准 后 ， 流 量 基 准 又 转 化 为 一 个CG 基 准 FQRGnCG。 CG 称 为 燃 气 校 准 系 数 ， 把 经 由 阀 门 的 临 界 流 量 与 入 口 压 力p2 联 系 起 来 。 然 后 CG 基 准 转 化 为 阀 门 标 定 模 块 使 用 的 阀

28、门 行 程 基 准 ， 在 阀 门CG 基 准 和 行 程 之 间 执 行 一 个 简 单 的 线 性 插 值 运 算 ， 产 生 一 个 信 号 FSRGn 去 动作 阀 门 。 当 控 制 阀 允 许 打 开 命 令 L3Gn 失 去 时 ， 伺 服 输 出 块 输 出 一 个 负 向 25%的 电 流 信 号 来 关 闭 阀 门 。 (4)对 于 燃 烧 基 准 温 度 (CRT)高 于 1037.8 的 先 导 预混 和 所 有 的 预 混 模 式 ， 燃 料 温 度 必 须 保 持 在 指 定 的 范 围 ， 至 少 要 高 于 142 。韦 伯 指 数 跟 燃 料 温 度 成 一

29、定 的 函 数 关 系 ， 当 燃 料 温 度 太 低 时 ， 就 会 造 成 韦 伯 指数 低 而 引 起 机 组 降 负 荷 。 (5)如 果 SPPM 失 效 ， 机 组 运 行 在 燃 料 温 度 高 于51.7 ， 及 TTRFl 高 于 815.6 的 扩 散 模 式 超 过 45s 时 ， 会 产 生 以 下 报 警 :燃料 温 度 高 降 低 燃 料 温 度 ， 或 使 机 组 进 入 PPM 防 止 降 负 荷 。 使 用 正 常 的 加 载 速 率 ，从 815.6 到 871.1 CRT 需 要 33s。 如 果 机 组 运 行 在 燃 料 温 度 高 于 51.7 ，同

30、 时 CRT 高 于 815.6 的 扩 散 模 式 超 过 3min 时 ， 调 节 器 会 使 CRT 降 低 到787.8 。 一 旦 机 组 被 卸 载 ， 计 时 器 会 复 位 。 除 了 卸 载 之 外 ， 任 何 自 动 的 加 载 机械 装 置 预 选 的 负 荷 会 被 清 除 ， 防 止 在 降 负 荷 命 令 发 出 后 再 自 动 加 载 返 回 到CRT815.6 。 换 句 话 说 ， 为 了 加 载 机 组 ， 需 要 操 作 人 员 的 参 与 。 同 时 发 出 扩 散燃 烧 燃 料 温 度 高 、 调 节 器 输 出 降 低 的 报 警 信 息 。 (6)任 何 时 候 气 体 燃 料 温 度 超出 193.3 均 会 报 警 。 如 果 燃 料 温 度 超 出 201.6 ， 将 会 报 警 并 发 出 一 个 自 动停 机 命 令 。 (7)预 混 分 配 偏 置 (FXG2.MX.B)在 预 混 过 渡 瞬 间 从 G2(PMl)减 少 燃料 ， 并 增 加 到 G3(PM4)。 偏 置 默 认 的 常 数 是 零 ， 但 是 如 果 过 渡 不 稳 定 ， 可 以 调整 到 4%。对 于 过 渡 到 预 混 ， 随 着 D5 清 吹 的 开 始 ， 引 入 此 偏 置 ， 并 且 在 D5 清 吹 控 制 阀