GE燃机DLN-2.6燃烧系统浅析

楼华栋， 陈小波，毛志伟

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

GE公司从20世纪80年代开始，不断开发和改进干式低NOX（简称DLN）燃烧技术。DLN-2.6是针对F级燃气轮机开发的燃烧系统，并在1996年首次投入运行。应用DLN-2.6燃烧系统的燃机型号有PG6111FA，PG7371FA和PG9231EC等。DLN-2.6燃烧系统包括燃烧室、控制系统、燃料系统及辅助系统，系统通过控制空气/燃气比和燃烧模式达到了NOX和CO的较低排放。本文针对应用在GE MS6001FA（PG6111FA+E）机组上的DLN-2.6燃烧系统进行介绍分析。

1 PG6111FA+E及DLN-2.6燃烧室简介

GE PG6111FA+E机组为18级轴流式压气机，压比为14.7∶1，设计出力77.06 MW，排气温度598.3℃。在第9级和第13级开有抽气口。设6个逆流环形燃烧室，每个燃烧室有6只燃料喷嘴，可烧天然气、轻柴油，可进行油气燃料互切。3级轴流式冲动式透平，采用压气机的排气和抽气冷却。排气经过导流扩压段送至余热锅炉。

DLN-2.6燃烧室由火焰筒、端盖、导流衬套、燃烧室外壳、过度段、喷嘴等构成。2只高能点火器分别安装在2个燃烧室内，点火后通过燃烧室之间的联焰管将各个燃烧室点燃。4只火焰探头分别安装在3个燃烧室，用于火焰检测。压气机排气首先对过滤段形成冲击冷却，再逆流向前，经过火焰筒与导流衬套之间的环形空间流向燃烧室头部。其中有少量空气用于冷却帽罩，其余空气经喷嘴上的旋流器进入头部的预混区，与燃料喷管喷出的燃料气进行混合。空气与燃料混合物由预混区经喷嘴流入火焰筒，被置于上部燃烧室上的2只高能点火器点燃。燃烧产物经过渡段进入透平第一级喷嘴环。具体结构见图1。每个燃烧室有1只PM1喷嘴、2只PM2喷嘴、3只PM3喷嘴和15只QUAT喷口。PM1喷嘴布置在中央，PM2和PM3喷嘴均匀布置在PM1四周，15只QUAT喷口布置在燃烧室边缘。各喷嘴布置情况见图2。

图1 DLN-2.6燃烧室结构

图2 DLN-2.6燃烧室的喷嘴布置

2 DLN-2.6燃烧系统的结构与燃烧模式

在PG6111FA+E机组上，DLN-2.6燃烧系统的燃气控制模块安装在润滑油模块的基板上。该系统主要组成部分有：速比阀（SRV），用于根据燃机转速调整燃气压力以及遮断燃机气体燃料供应；1组调节阀（GCV），用于调整不同燃气母管和燃烧喷嘴的天然气流量；1组吹扫阀（VA13），当机组在启动、停运阶段，对各喷嘴调节阀后的天然气燃料管道进行吹扫。

系统介质流程如图3所示，天然气经过滤器至SRV后分成PM1，PM2，PM3和QUAT 4个母管，通过4个GCV后分别接至燃烧室附近的4个环管，从各环管上分别引出6路支管和6个燃烧室喷嘴上相应的通道相连，与压气机排气预混后进入燃烧室燃烧。和DLN-2.0+系统相比，DLN-2.6的燃料控制系统取消了二、三次燃气的分配阀，采用全预混的燃烧模式。

图3 DLN-2.6系统的燃料控制系统

在PG6111FA+E机组上，DLN-2.6燃烧系统具有5种燃烧模式：预混模式1，PM1燃烧；预混模式2，PM2燃烧；预混模式3，PM1+PM2燃烧；预混模式6B，PM1+PM2+PM3燃烧；预混模式6Q，PM1+PM2+PM3+QUAT燃烧。PM2喷嘴又可称为点火喷嘴，在机组点火阶段PM2和PM1喷嘴都投入，系统通过高能火花塞点燃PM2喷嘴，在此阶段PM1起到稳定燃烧的作用。当机组达到一定的燃料消耗量后，PM1喷嘴撤出，机组切换到模式2运行。当机组冲转至95%额定转速后，GCV1打开，PM1喷嘴开始投入，同时GCV2缓慢下关，至燃机全速（FSNL）后PM2喷嘴完全撤出。机组在模式1运行时进行并网操作，随后由MARK VI系统通过计算得出的燃烧基准温度（TTRF）来决定是否进行模式切换。以PG6111FA+E机组为例，当TTRF达到926.7℃时，由模式1切换至模式3运行；当TTRF达到1 093.3℃时，由模式3切换至模式6B；当TTRF达到1 137.8℃时，由模式6B切换至模式6Q运行直至满负荷。MARK VI的系统逻辑为每个切换点的TTRF设置1个偏置量，机组降负荷时，当TTRF达到“切换点温度-偏置量”，燃烧模式进行回切；在机组甩负荷时，直接切至模式1运行。机组在同一燃烧模式运行时，MARK VI系统通过控制各燃料通道的GCV开度对天然气流量按一定比例进行分配，保证机组启动运行过程的燃烧稳定。机组在点火启动至满负荷、正常停运和甩负荷过程中，各模式之间的切换方式如图4所示。

图4 机组启动、停运时的模式切换

3 与DLN-2.0+燃烧系统的比较

3.1 燃烧室喷嘴布置

DLN-2.0+燃烧室把PM1喷嘴布置在燃烧室的周边位置，在机组低负荷阶段（小于50%额定负荷）PM1喷嘴始终投入，在0%～10%额定负荷时，PM4喷嘴不投运，因此导致燃烧室温度场不均匀，产生局部热应力，影响火焰筒的寿命。如PG9351-FA机组就曾在实际运行中出现了火焰筒在临近PM1喷嘴的区域产生鼓包的现象。而DLN-2.6燃烧室把PM1喷嘴移至中央位置，解决了火焰筒受热不均匀的问题，延长了火焰筒的寿命。

3.2 燃烧控制模式

DLN-2.0+燃烧系统在机组达到50%额定负荷时进入预混燃烧模式，DLN-2.6燃烧系统除了改进燃烧室喷嘴布置之外，在燃烧模式上也进行了优化，采用了全预混燃烧模式。DLN-2.0+燃烧室的每只喷嘴都设置了扩散通道和预混通道，DLN-2.6燃烧系统在采用全预混燃烧后，仅保留预混通道，简化了燃烧室结构。从系统控制上看，DLN-2.0+燃烧系统每个喷嘴的燃料量由2个控制阀共同调节，而DLN-2.6系统则由单一的控制阀调节，因此喷嘴控制方式得到了简化。

3.3 污染物排放

DLN-2.6燃烧室在中间位置增加了1个PM1喷嘴，且PM1喷嘴在整个燃烧过程中始终投入运行。在机组高负荷运行时，当PM2和PM3喷嘴的空气/燃料比低于其贫着火极限时，可以使PM1喷嘴的空气/燃料比高于周围的贫着火极限，且能维持燃烧的稳定性，因此其总空气/燃料比高于均匀供燃料的DLN-2.0+燃烧系统，使总的预混空气量增加，从而降低了燃烧区域的火焰温度，减少NOX的产生。在机组低负荷运行时，PM1喷嘴保证了机组燃烧的稳定性，也促使燃气在燃烧室能停留足够的时间让CO完全燃烧，降低CO的产生量。DLN-2.0+燃烧系统在低负荷阶段采用扩散燃烧模式，此时燃烧室在燃烧区域产生局部高温区，由于燃烧气体在高温下更容易生成NOX，因此NOX的产生量比较高。而DLN-2.6燃烧系统采用全预混燃烧模式，从模式切换要求可以看出，机组在低负荷运行时燃烧室的温度较低，所以NOX产生量也相当低。改造后的PM1喷嘴解决了由于燃烧室温度降低使CO产生量增加的情况。值得指出的是，DLN-2.0燃烧系统从先导预混燃烧模式向预混燃烧模式切换前，可以看到烟囱有明显的棕黄色烟气排出，说明在这个阶段燃机NOX排放量较高，而DLN-2.6燃烧系统在各个模式切换过程中均未发现此现象。

表1是2台PG6111FA+E燃机机组和应用DLN-2.0+燃烧系统的PG9351FA燃机机组在燃烧天然气运行时的实际污染物排放数据，表中数据是3台机组在各负荷阶段连续测量得到的平均值。从表1数据可以看出，在额定或部分负荷时，PG6111FA+E机组的NOX排放量小于15 mg/L，CO排放量小于6 mg/L。对比PG9351FA燃机机组的NOX和CO排放数据，在O2排放量相近的情况下，PG6111FA+E燃机机组污染物排放的各项指标明显优于采用DLN-2.0+燃烧系统的PG9351FA燃机机组。

表1 3台机组的烟气测量数据

4 结语

GE燃机采用中央PM1喷嘴稳燃、全预混燃烧技术的DLN-2.6燃烧系统，结构较前一代燃烧系统简化，燃烧模式更简单，且提高了机组在部分负荷运行状态下的燃烧稳定性，同时，大气污染物的排放也得到了更好的控制。

[1]毛志伟，赵琦，马圆珍.GE公司干式低NOX燃烧系统的发展[J].浙江电力，2005，24（1）:16-19.

[2]焦树建.燃气轮机系统[M].北京：清华大学出版社，2004.