引言

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)中氣體燃料燃燒為擴(kuò)散燃燒時(shí),由于燃燒溫度高,在燃燒過(guò)程中極易產(chǎn)生數(shù)量較多的熱N0X污染物,因此,為實(shí)現(xiàn)低N0X燃燒,DLN1.0燃燒技術(shù)采用均相貧預(yù)混的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵椒?通過(guò)將燃燒器改為兩級(jí)串聯(lián)式,從而將燃料燃燒由最初的擴(kuò)散燃燒通過(guò)模式切換和改變?nèi)剂戏峙涞姆绞街鸩竭^(guò)渡至預(yù)混燃燒,通過(guò)調(diào)節(jié)空燃比,可以保證燃燒溫度始終低于1650℃,故能有效抑制熱N0X的生成。

而如何確保在模式切換過(guò)程中燃料分配變化不對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)正常安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響,如導(dǎo)致回火、脫火、振蕩燃燒、負(fù)荷波動(dòng)或是C0排量高等問(wèn)題,則尤為重要。本文以某廠PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)為研究對(duì)象,深入研究了DLN1.0燃燒技術(shù)。

1 DLNl.o燃燒室

由圖1可知,干式低N0X(DLN1.0）是一種兩級(jí)串聯(lián)式的預(yù)混稀釋?xiě)B(tài)的DLN1.0燃燒室。一區(qū)由6個(gè)彼此隔開(kāi)的燃燒空間組成,每個(gè)燃燒空間都裝設(shè)各自的旋流器和燃料噴嘴,通過(guò)中心體組合件,裝設(shè)一個(gè)二區(qū)燃料噴嘴和旋流器,在文丘里組合件后便是二區(qū)。

由壓氣機(jī)來(lái)的高壓空氣被分流為3個(gè)部分,即一次空氣、冷卻空氣和二次空氣。一次空氣流經(jīng)旋流器、端部配氣蓋板、過(guò)渡錐頂上的魚(yú)鱗孔以及開(kāi)在火焰筒前段的三排一次射流孔,進(jìn)入燃燒區(qū),直接與燃料進(jìn)行混合與燃燒:冷卻空氣穿過(guò)在火焰筒壁上的多排冷卻空氣射流孔分散進(jìn)入火焰筒中,在火焰筒壁面附近形成一個(gè)溫度較低的空氣冷卻膜,保護(hù)管壁避免高溫灼燒:二次空氣由開(kāi)在火焰筒后段的混合射流孔射入由燃燒區(qū)來(lái)的高溫?zé)煔庵?對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行摻冷,從而降低進(jìn)入透平入口的溫度。

2燃料控制算法

為了將燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒方式由擴(kuò)散燃燒過(guò)渡至預(yù)混燃燒,PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)燃料控制算法將實(shí)時(shí)燃燒基準(zhǔn)溫度與預(yù)選設(shè)定的燃燒溫度基準(zhǔn)陣列參數(shù)進(jìn)行比較,并根據(jù)其他輔助邏輯條件,判斷燃?xì)廨啓C(jī)所處燃燒模式,然后根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算出當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)所需燃料量,以實(shí)現(xiàn)燃燒模式的順利切換并調(diào)節(jié)一區(qū)、二區(qū)各燃料閥的燃料量。

由圖2可知,燃料控制算法主要由燃料行程基準(zhǔn)、燃料分配基準(zhǔn)及燃料流量基準(zhǔn)組成。燃料行程基準(zhǔn)計(jì)算控制可分為8種類型:啟動(dòng)升速控制、加速控制、轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制、負(fù)荷限制控制、溫度控制、停機(jī)控制、壓氣機(jī)壓比控制和手動(dòng)控制,這8個(gè)控制模塊的控制輸出,通過(guò)最小值選擇作為當(dāng)前燃料行程基準(zhǔn):燃料分配基準(zhǔn)則根據(jù)燃燒基準(zhǔn)溫度輔以其他邏輯條件判斷燃?xì)廨啓C(jī)所處燃燒模式,并根據(jù)不同的燃燒模式得出一級(jí)燃料閥在燃料行程基準(zhǔn)中所占的比例值,剩余的燃料行程基準(zhǔn)值由二級(jí)燃料閥與切換燃料閥根據(jù)需要再次分配,從而獲得各燃料閥的分配比例:燃料流量基準(zhǔn)是由燃料行程基準(zhǔn)及燃料分配比例計(jì)算得到的分配流量以及由壓氣機(jī)排氣壓力和燃料溫度計(jì)算得到的預(yù)充流量相加得到。

另外,由于二級(jí)燃料閥及切換燃料閥后環(huán)管結(jié)構(gòu)復(fù)雜,環(huán)管體積大,管路行程長(zhǎng),為了快速排出二級(jí)燃料閥及切換燃料閥管路中的空氣,對(duì)于二級(jí)燃料閥和切換燃料閥在其首次開(kāi)啟之時(shí)需要預(yù)充流量對(duì)管路進(jìn)行預(yù)充,而預(yù)充流量是壓氣機(jī)排氣壓力和燃料閥前溫度的函數(shù),并隨著壓氣機(jī)排氣壓力的增大而增大,燃料閥前溫度的增大而減小。雖然壓氣機(jī)出口至燃燒室有一定的壓損,但仍可近似認(rèn)為燃燒室壓力等于壓氣機(jī)排氣壓力,因而為了保證燃料管路與燃燒室之間的壓差,當(dāng)壓氣機(jī)排氣壓力增大時(shí)需要增大預(yù)充流量,以增大燃料閥開(kāi)度來(lái)提高燃料閥后壓力。

3燃燒模式

DLN1.0燃燒技術(shù)共有8種燃燒模式,即初級(jí)燃燒模式、貧貧增燃燒模式、貧貧減燃燒模式、擴(kuò)展貧貧模式、二次切換模式、預(yù)混切換模式、預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式以及負(fù)荷恢復(fù)模式。在機(jī)組正常啟動(dòng)運(yùn)行期間,按時(shí)間順序共經(jīng)歷5種燃燒模式,即初級(jí)燃燒模式、貧貧增燃燒模式、二次切換模式、預(yù)混切換模式、預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式。在機(jī)組正常停機(jī)期間,按時(shí)間順序共經(jīng)歷4種燃燒模式,即預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式、貧貧減燃燒模式、貧貧增燃燒模式、初級(jí)燃燒模式。在燃燒異常工況下,則會(huì)觸發(fā)擴(kuò)展貧貧模式或負(fù)荷恢復(fù)模式。本文以某燃?xì)怆姀SPG9171E燃?xì)廨啓C(jī)為研究對(duì)象,對(duì)其模式切換過(guò)程中的燃料控制算法進(jìn)行了研究分析。

3.1初級(jí)燃燒模式

燃機(jī)從點(diǎn)火開(kāi)始,經(jīng)過(guò)暖機(jī)、加速、全速空載到低負(fù)荷運(yùn)行（燃燒基準(zhǔn)溫度低于16509F),都工作在初級(jí)燃燒模式（圖3)下。在該燃燒模式下,只有一級(jí)燃料閥開(kāi)啟,所有燃料進(jìn)入一區(qū),進(jìn)行擴(kuò)散燃燒。

圖3初級(jí)燃燒模式

3.2貧貧增燃燒模式

隨著負(fù)荷的不斷升高,當(dāng)燃燒基準(zhǔn)溫度高于16509F時(shí),二級(jí)燃料閥開(kāi)啟,此時(shí)進(jìn)入貧貧增燃燒模式（圖4),二級(jí)燃料管路開(kāi)始預(yù)充,一區(qū)的燃料分配比例由100%按4.5%/s的速率降至95%,二區(qū)的燃料分配比例由0%按4.5%/s的速率增至5%,此外二區(qū)預(yù)充流量按0.05%/s的速率增加至目標(biāo)值:當(dāng)二級(jí)燃料管路預(yù)充完成后（二級(jí)燃料管路預(yù)充時(shí)間由預(yù)充流量計(jì)算得到),一區(qū)的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%,二區(qū)的燃料分配比例則由5%按4.5%/s的速率增至30%,由于二區(qū)燃料量的增大,在預(yù)充完成大約6s后,二區(qū)著火,最終一區(qū)、二區(qū)燃料分配比例為7:3。另外,預(yù)充完成后延時(shí)3s,預(yù)充流量按0.02%/s的速率減小至0。

圖4貧貧增燃燒模式

3.3二次切換模式

當(dāng)燃燒基準(zhǔn)溫度高于1970oF時(shí),燃料吹掃閥組關(guān)閉,切換燃料閥開(kāi)始預(yù)充,預(yù)充流量按0.05%/s的速率增加至目標(biāo)值,當(dāng)切換燃料閥預(yù)充完成后,進(jìn)入二次切換模式（圖5),一區(qū)燃料分配比例由70%按4.5%/s的速率減小至0%,一區(qū)熄火,所有燃料通過(guò)二級(jí)燃料閥和切換燃料閥進(jìn)入二區(qū)進(jìn)行燃燒,其中切換燃料閥的燃料分配比例由0%按5.2%/s的速率增加至65%,剩下的燃料分配給二級(jí)燃料閥。

圖5二次切換模式

3.4預(yù)混切換模式

一區(qū)熄火、二區(qū)有火后延時(shí)5s,進(jìn)入預(yù)混切換模式（圖6)。預(yù)混切換模式可以分為兩段,分界點(diǎn)為二級(jí)燃料閥處于關(guān)閉位置。第一段,進(jìn)入預(yù)混切換模式后,一級(jí)燃料閥開(kāi)啟,一區(qū)燃料分配比例為81%,并按6.4%/s的速率逐步增加,切換燃料閥的燃料分配比例由二區(qū)燃料量的65%按5.2%/s的速率增加,二區(qū)二級(jí)燃料閥的燃料分配比例由二區(qū)燃料量的35%逐漸減小至0%,即將二區(qū)燃料量全部送入切換燃料閥直至二級(jí)燃料閥全關(guān):第二段,在二級(jí)燃料閥全關(guān)的同時(shí),切換燃料閥的預(yù)充流量也減至0,此時(shí)一區(qū)燃料量增加至總?cè)剂狭康?0%,切換燃料閥燃料量分配比例按5.2%/s的速率減小,二級(jí)燃料閥開(kāi)度逐漸增大。二級(jí)燃料閥在預(yù)混切換模式下經(jīng)歷開(kāi)大、關(guān)閉、開(kāi)大的動(dòng)作,保證在一級(jí)燃料閥開(kāi)啟過(guò)程中二區(qū)火焰強(qiáng)度降低,以控制燃燒溫度,防止一區(qū)重點(diǎn)火。

圖6預(yù)混切換模式

3.5預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式

當(dāng)一區(qū)分配燃料量增加至與預(yù)混穩(wěn)定分配流量基準(zhǔn)值偏差在5%以內(nèi)時(shí),延時(shí)0.5s,進(jìn)入預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式（圖7),由于此時(shí)一區(qū)和二區(qū)的分配燃料基準(zhǔn)變化較小,切換燃料閥的分配流量仍按5.2%/s的速率減小,二級(jí)燃料閥的分配流量則按同等的速率增加,直至切換燃料閥全關(guān),至此一區(qū)只進(jìn)行燃料與空氣的混合,二區(qū)進(jìn)行燃料的燃燒反應(yīng)。

圖7預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式

4模式切換過(guò)程案例分析

4.1初級(jí)模式切換至貧貧增模式

由圖8可知,在從初級(jí)模式切換至貧貧增模式的起始階段,負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)小幅度下跌,下降幅度大致為2Mw,這是因?yàn)橐粎^(qū)燃料分配比例從100%降至95%的過(guò)程中,雖然二級(jí)燃料閥開(kāi)啟,但二區(qū)還未著火,從而導(dǎo)致負(fù)荷出現(xiàn)小幅下跌,但負(fù)荷降低后轉(zhuǎn)速偏差增大,燃料行程基準(zhǔn)會(huì)迅速增大以增加燃料量。當(dāng)二級(jí)燃料管路預(yù)充完成后,一區(qū)的燃料分配比例由95%按4.5%/s的速率降至70%,二區(qū)的燃料分配比例則由5%按4.5%/s的速率增至30%,由于二區(qū)燃料量的增大,在預(yù)充完成大約6s后,二區(qū)著火。

圖8初級(jí)模式切換至貧貧增模式各主要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖

另外,由于預(yù)充完成后延時(shí)3s,預(yù)充流量按0.02%/s的速率減小至0,因而二級(jí)燃料閥開(kāi)度逐漸減小并穩(wěn)定在一個(gè)由燃料行程基準(zhǔn)和燃料分配比例計(jì)算得到的閥位。由此可以看出,為了燃燒模式的平穩(wěn)過(guò)渡,防止負(fù)荷、透平初溫等出現(xiàn)較大波動(dòng),燃料量的調(diào)節(jié)分為兩段進(jìn)行:第一段,對(duì)二級(jí)燃料管路進(jìn)行小流量預(yù)充以排出管路內(nèi)的空氣:第二段,快速增加二級(jí)燃料閥流量,使二區(qū)盡快穩(wěn)定著火。

4.2貧貧增模式過(guò)渡至預(yù)混穩(wěn)定模式

從貧貧增模式過(guò)渡至預(yù)混穩(wěn)定模式過(guò)程尤為重要,一方面應(yīng)盡可能保證燃燒火焰的穩(wěn)定性,避免由于燃燒不穩(wěn)定或燃燒振蕩造成燃燒器及熱通道部件損壞,另一方面應(yīng)保證燃燒基準(zhǔn)溫度能達(dá)到切換至預(yù)混穩(wěn)定模式所要求的閾值,且波動(dòng)幅度應(yīng)控制在預(yù)設(shè)死區(qū)以內(nèi)。同時(shí),從貧貧增模式過(guò)渡至預(yù)混穩(wěn)定模式的時(shí)間應(yīng)盡可能短,當(dāng)燃燒完全發(fā)生在二區(qū)時(shí),火焰溫度極高,火焰輻射強(qiáng),對(duì)燃燒室壽命有較大影響[5]。此外,由于燃燒方式的改變,燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布有較大變化,應(yīng)保證排煙分散度在允許范圍以內(nèi)。

由圖9可以看出,由于切換燃料閥預(yù)充流量的作用,在進(jìn)入二次切換模式前,負(fù)荷已偏離原先增長(zhǎng)速率而加速增大,透平初溫、排煙分散度有明顯增大,此時(shí)透平初溫所能達(dá)到的峰值為整個(gè)貧貧增至預(yù)混過(guò)程中的最高值,該峰值必須超過(guò)1995oF,才能滿足切換至預(yù)混模式的溫度基準(zhǔn):隨著燃料行程基準(zhǔn)減少,負(fù)荷逐漸降低,透平初溫也逐步下降,當(dāng)進(jìn)入預(yù)混切換模式后,一區(qū)燃料增大,一區(qū)只進(jìn)行燃料和空氣的混合,二區(qū)保持?jǐn)U散燃燒的燃料量減少,因而燃燒強(qiáng)度減弱,火焰溫度降低,此時(shí)透平初溫會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低點(diǎn),該低點(diǎn)溫度不能低于1970oF,否則會(huì)導(dǎo)致預(yù)混切換模式時(shí)間延長(zhǎng),甚至導(dǎo)致模式切換失敗。燃燒溫度基準(zhǔn)的第二個(gè)谷值出現(xiàn)在預(yù)混切換模式至預(yù)混穩(wěn)定模式的初期,該谷值同樣不能低于1970oF,若該谷值低于1970oF,且3s內(nèi)燃燒溫度基準(zhǔn)沒(méi)有增加至1995oF,則會(huì)導(dǎo)致一區(qū)主動(dòng)重點(diǎn)火,模式切換失敗。從貧貧增模式過(guò)渡至預(yù)混穩(wěn)定模式過(guò)程時(shí)間較短,大約26s。

圖9貧貧增模式過(guò)渡至預(yù)混穩(wěn)定模式各主要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖

4.3模式切換異常案例分析

圖10為一模式切換異常典型案例,該次模式切換過(guò)程中第一個(gè)谷值為1967.79F,從而導(dǎo)致在預(yù)混切換模式下燃燒度基準(zhǔn)必須再次高于19959F才能進(jìn)入預(yù)混穩(wěn)定模式,其進(jìn)入預(yù)混穩(wěn)定模式的時(shí)間比正常情況遲了大約4s,同時(shí)也有可能在燃燒溫度基準(zhǔn)增大的過(guò)程中導(dǎo)致排煙溫度分散度高,進(jìn)而誘發(fā)一區(qū)被動(dòng)重點(diǎn)火。

圖10模式切換異常各主要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖

圖11為一模式切換失敗典型案例,該次模切過(guò)程中第二個(gè)谷值為1968.49F,因3s內(nèi)燃燒溫度基準(zhǔn)未增加至19959F,從而誘發(fā)一區(qū)主動(dòng)重點(diǎn)火,進(jìn)入貧貧減負(fù)荷模式,當(dāng)燃燒基準(zhǔn)溫度大于20059F,延時(shí)1s,切換至擴(kuò)展貧貧模式,模式切換失敗。

圖11模式切換失敗各主要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖

5結(jié)語(yǔ)

本文以某廠PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)為研究對(duì)象,介紹了DLN1.0燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、燃燒模式及燃料控制策略,并結(jié)合實(shí)際案例,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒模式切換過(guò)程中的燃料分配算法進(jìn)行了深入的研究分析,DLN1.0燃燒技術(shù)的解析對(duì)于燃燒調(diào)整以及燃機(jī)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化具有一定的實(shí)際參考價(jià)值及指導(dǎo)意義。

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