三菱M701F燃机A-CPFM系统自动燃烧调整分析

石 玄

(广东省深圳市广前电力有限公司前湾燃机电厂，广东深圳518054)

随着社会的发展，电网对调峰机组的要求越来越高。而三菱M701F燃气轮机具有技术先进，热效率高，启停速度快的特点，在全国的燃机发电厂中占有了重要地位［1］。由于M701F型燃机的燃烧室及其热通道处于高温高压的工况中，容易产生燃烧不稳定和燃烧压力波动，可能导致火焰筒或过渡段等部件出现裂纹等故障。如何对燃烧进行持续的监控和自动的燃烧调整是一个成熟的机组必须解决的问题。

1 燃烧波动原理及A-CPFM的目的和作用

燃烧压力波动原理如图，燃气在燃烧过程中，燃烧所产生的热能以声光模式释放出来并使燃烧室产生一定压力，而当燃烧因素产生变化，剧烈的声光释放又会产生大量的热能，反过来这些热能又加剧了声光的释放，如此就激发了燃烧中的压力波动。燃烧压力波动会引起燃烧不稳定，且严重的燃烧压力波动会使热部件损坏甚至破裂［2］。所以三菱M701F燃气轮机通过安装CPFM(燃烧室压力波动监视系统)的监视和闭锁保护，系统会在压力波动初期监测到变化，提前Run Back(快速降负荷)或跳机来阻止热部件的损坏。

但是在燃机的运行过程中，由于环境、燃气条件的变化，设备异常、老化等因素的影响，机组的燃烧状况偏离了初始的最佳工况出现燃烧压力波动、燃烧不稳定，仅仅靠CPFM系统触发保护，提前Run Back或跳机是不够的，因为这样意味着机组所带负荷无法提升，发电效率严重下降且安全系能也无法保障。怎样使燃机在运行工况改变甚至恶化的情况下自动进行燃烧调整，获取燃机的最佳运行方式和运行工况点，避开燃烧不稳定的区域，防止高温热部件的烧损，保证机组的稳定运行，提高燃机的运行可靠性。这就是三菱M701F燃气轮机A-CPFM(燃烧室压力波动自动调整系统)所要达到的目的。

图1 燃烧压力波动产生原理

2 三菱M701F燃机燃烧控制

影响燃烧稳定性和Nox排放量的主要因素是进入燃烧器的燃料量和空气量［3］。三菱M701F燃机对燃料和空气量采用分开调整的模式。

三菱M701F燃机的燃烧室包括20个燃烧器，采用环管型布置。每个燃烧器由燃烧喷嘴、火焰筒、过渡段和旁路阀等其它附件组成。每个燃烧喷嘴由围成一圈的8个DLN预混主燃料喷嘴和位于圆心的1个值班燃料喷嘴组成。值班燃料喷嘴产生的是扩散火焰，其主要作用是维持火焰不灭。而其它大部分燃料通过DLN预混主燃料喷嘴，与空气预先混合后进入火焰筒燃烧，其产生的为预混火焰。这种喷嘴布置和燃烧方式可以使燃烧室的燃烧区域比较稳定，且实现较少的Nox排放［4］。其中值班燃料喷嘴与主燃料喷嘴的燃料比呈分段函数关系。对燃料的调整，三菱M701F燃机通过对PLCSO(值班燃料控制输出信号)的调整来实现。

三菱M701F燃机的空气是通过压气机压缩后到达燃烧室，与燃料充分混合后燃烧。对空气量的调整，三菱M701F燃机采用独有的旁路阀控制。在每个燃烧室均配有一个燃烧室旁路阀，通过旁路阀开度(BYCSO)的大小，来调节参与燃烧的空气流量大小。

燃烧器燃料量、旁路阀开度与燃机负荷关系如图:

图2 燃料量、旁路阀开度与燃机负荷关系图

3 M701F燃机A-CPFM燃烧自动调整流程

M701F燃机A-CPFM自动调整系统是依据高速采集的数据、并对燃烧稳定区域进行分析，通过对燃机PLCSO和旁路阀开度(BYCSO)大小的自动调整，使燃机稳定运行。其流程如图:

3.1 数据收集

主要包括:燃烧室压力波动、NOx排放量、BPT偏差、燃气压力温度，燃气的成分等参数。其中燃烧室压力波动数据非常重要和精确。三菱M701F燃机在每个燃烧室中都安装一个压力波动传感器，而且还在其中第3号、8号、13号和18号共4个燃烧室各安装了一个燃烧压力波动加速度传感器。机组正常运行时，每个传感器的测量数值进行FFT变换后转化为9个不同的频段进行分析，对于各个频段，其波动的幅值大小是A-CPFM自动燃烧调整地重要依据。

3.2 稳定领域预测

图3 A-CPFM燃烧自动调整流程

三菱M701F燃机在大修后或大的工况改变后，都必须进行人工燃烧调整。其目的是使燃机能在PLCSO偏置±1%，BYCSO偏置±10%的安全区域运行。机组正常运行时，A-CPFM系统利用和过去稳定运行数据的对比，加上现时的燃烧室压力波动、Nox排放量、BPT偏差、燃气压力温度，燃气的成分等参数，通过回归分析的方法，同时按各燃烧器及各频率带计算出燃烧室的预测最稳定区域，并决定燃烧调整的修正方向。

3.3 修正量计算

A-CPFM从预测的运行稳定领域图通过燃烧修正函数算出修正量进行修正调整。

3.4 自动调整

根据燃烧修正函数算出的修正量调节PLCSO和BYCSO，使运行点回避燃烧振动领域回到稳定运行领域。

图4 PLCSO自动修正示意图

3.5 调整效果评价

三菱M701F燃机燃烧自动调整后的数据依然会重新进入一个新的自动调整流程。如果燃烧波动值和NOx排放量依然超出设定值，燃烧调整继续修正。这个流程反复运行，确保运行点始终保持在稳定范围内。

3.6 A-CPFM自动调整示意图

图5 A-CPFM自动调整示意图

4 A-CPFM燃烧修正条件

触发三菱M701F燃机A-CPFM燃烧修正条件有两个:(1)燃烧室压力波动达到Caution值或Pre Alam值;(2)监测到压力波动加速度达到设定值［5］。

表1 压力波动频段和定值

5 某燃机电厂#2机组燃烧调整试验

在某燃机电厂#2机组上进行了实际动作检测，以下为实际动作过程。

在下述实验中，故意降低PLCSO，造成燃烧稳定性下降的状态。投入A-CPFM，自动增加PLCSO，使运行点回到稳定区域。

图6 某燃机电厂#2机组燃烧自动调整试验效果图

6 结 语

通过多年的实际运行，三菱M701F燃机A-CPFM系统能在燃机工况变化的情况下能够提前抑制燃烧压力波动，并使燃机在稳定状态下连续运行，提高了燃机运行可靠性。

［1］杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［2］俞立凡，杨燕岚.9F燃气轮机燃烧故障分析［J］.发电设备，2008(3):219-223.

［3］黄建伟.三菱M701F型燃气轮机温度控制［C］.2005年大型燃气轮机发电技术发展学术研讨会，2005.

［4］席亚宾.三菱燃机低Nox燃烧室特点与燃烧控制［C］.2007年中国电机工程学会年会论文集，2007.

［5］吴海滨.M701F燃气轮机主控制系统分析［J］.燃气轮机技术，2006，19(3):14-19.