9FA燃机启动过程烟囱可见黄烟问题探析

周杨军，潘勇进

（1.中国华电集团公司浙江分公司，浙江杭州310017；2.杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州310015）

9FA燃机启动过程烟囱可见黄烟问题探析

周杨军1，潘勇进2

（1.中国华电集团公司浙江分公司，浙江杭州310017；2.杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州310015）

介绍了干式低氮燃烧器，分析了燃机启动过程中烟囱可见黄烟产生的机理，并以GE9FA燃机为例，介绍了通过LVE优化及XD5改造消除启动过程可见黄烟的方案。针对改造后出现的问题，提出了建议，为其他燃机电厂解决同类问题提供了借鉴和参考。

LVE；XD5；DLN2.6+燃烧器；燃烧模式；模型控制；可见黄烟

0　引言

天然气发电作为一种高效、清洁、灵活的能源利用方式，近年来在我国得以快速发展，国内燃机装机总量已从2009年的2403万kW一跃至2014年的5567万kW，五年装机规模增长1.3倍，占全国电力总装机的4.1%。随着燃机总装规模的快速增长，以及环保要求的日益严格，其启动过程中烟囱可见黄烟的问题开始受到公众的关注，也成为各燃机电厂加强环保管理的重要方向。

1　DLN燃烧器介绍

DLN（Dry Low NOx）燃烧器意为干式低氮燃烧器，是相较于注水、注蒸汽方式而言的，即通过将传统的扩散燃烧方式改为均相预混、贫燃方式来控制燃烧温度进而降低NOx的排放。但天然气预混贫燃方式的可燃范围比较狭窄，因此各燃气轮机制造厂在燃烧器设计中普遍采用了扩散燃烧和预混燃烧相结合的组合燃烧模式，满足机组不同工况下的燃烧稳定和排放控制需要。

2005年我国第一批打捆招标引进的GE公司9FA燃气轮机采用了DLN2.0+燃烧器，每只燃烧器有五个燃料喷嘴，分别由D5、PM1、PM4三条燃料管路供气，其中D5供应5个喷嘴的扩散燃料通道，PM1供应预混通道的1个喷嘴，PM4供应预混通道的其余4个喷嘴（如图1所示）。2007年后GE公司对9FA燃气轮机配置了新一代DLN2.6+燃烧器，每只燃烧器采用5+1布局共六个燃料喷嘴，分别由D5、PM1、PM2、PM3四条燃料管路供气，D5供应外围5个喷嘴预混区的四周短喷管，可控制燃烧脉动；PM2供应外围的2个喷嘴，PM3供应外围其余的3个喷嘴；PM1供应中央喷嘴（如图2所示）。

图1　DLN2.0+燃料喷嘴的示意图

图2　标准DLN2.6+燃料喷嘴的示意图

由表1可知，9FA燃机启动过程从点火到满负荷过程的燃烧模式切换是由软件计算的TTRF1进气基准温度来控制。2.0+燃烧器全程经历扩散燃烧模式（D5）、亚先导预混燃烧模式（SPPM）、先导预混模式（PPM）、预混模式（PM）四种燃烧模式切换，在PM（对应负荷200MW）模式前，D5扩散燃烧通道均投用；2.6+燃烧器则在2.0+基础上增加了亚预混模式（SPM），在SPM（对应负荷120～130MW）模式前，D5扩散燃烧通道均投用。由于扩散燃烧的存在，机组NOX排放大幅升高。

表1　2.0+、2.6+燃烧器燃烧模式切换

2　可见黄烟生成机理

天然气属清洁燃料，主要成分为甲烷、乙烷、丙烷等饱和烃气体，以及少量的高碳分子气体混合组成，具体成分因产地而异。其燃烧主要产物是CO2和H2O，SO2和烟尘排放量极少，排放的主要污染物为NOX。天然气等碳氢类气体燃料火焰中生成的的NOX主要是热力型NOX和快速型NOX为主，在燃烧温度高于1650℃以上时NOX生成急剧增加。

燃机启动过程中NO2生成反应如下：

由于燃机启动过程中需投用D5扩散燃烧通道，而扩散燃烧时燃烧区的温度通常高达2000～2200℃以上，造成NO大量生成；同时启动阶段烟气中氧量较高，以及燃烧不完全而生成的CO、未燃尽碳氢等，均促成NO转NO2的转化率大幅升高，使烟气中NO2浓度显著升高。而NO2是一种红棕色气体，稀释后呈黄棕色，燃机启动过程中的可见黄烟就来自于NO2的高浓度排放。根据手工监测，9FA燃机启动过程中NO2的峰值可高达150～200mg/m3，而一般烟气中NO2浓度高于20mg/m3时肉眼即可见黄烟。

3　改造实施与效果

3.1标准型2.6+燃烧器的改造

由于扩散燃烧的存在，标准设计的DLN2.6+燃烧器在120～130MW前烟囱均可见黄烟。要消除黄烟，必须考虑尽量减少D5通道运行时间。

3.1.1LVE（Low Visible Emission）优化改造

LVE是GE控制优化产品OpFlex的众多优化功能之一，通过控制软件升级，提高机组运行灵活性。杭州华电半山发电有限公司于2014年11月在8号燃机上率先开展了2.6+燃烧器LVE优化改造，通过应用OpFlex Startup NOx，优化燃烧模式，并同步开展了燃机汽机性能测试、启动调试与燃烧调整等工作。考虑软件优化不改动设备硬件，方案采用了D5短时点火，燃烧稳定后快速切换到预混燃烧模式，以最大限度的接近全预混燃烧模式。

改造后，燃机控制系统采用了基于模型的先进控制技术（MBC），其中最典型的是ARES和BCP模型，前者是一个高仿真燃机模型，能实时调整自己来匹配实际的燃机，主要用于预测并控制燃机的四个关键参数：压气机排气压力、排气温度，燃机排气温度和燃机负荷；后者用于精确计算汽轮机负荷，这对单轴机组是非常重要的。同时机组的启动过程燃烧模式有了较大变化，其中模式切换不再采用燃烧基准温度TTRF1，而是采用由模型生成的CA_CRT信号控制，见表2。

表2　2.6+燃烧器LVE优化后燃烧模式切换

3.1.2改造效果

由表2可以看出，LVE优化后，D5投用时间仅有1～3min（视透平温度变化），较优化前大幅缩短。从CEMS排放数据来看，机组启动过程中污染物排放明显下降，NOX排放均值从原来的60mg/m3下降至30mg/m3，峰值也从90mg/m3降至50mg/m3，启动过程中烟囱未见冒黄烟现象，全程符合国家排放要求。

3.1.3存在问题及建议

半山8号燃机LVE改造后，机组在启动过程升速至50%额定转速时，曾发生排气分散度大和个别火焰筒熄火事件。孔窥检查各燃烧喷嘴供气管路和火焰筒均无烧损和堵塞现象。研究与实践表明，天然气预混燃烧存在乏气熄火和富气熄火两个边界，当机组转速接近50%额定转速时，边界最窄，容易出现熄火现象（如图3所示），因此结合火焰稳定性、燃烧脉动和天然气热值、天气等因素综合判断，该事件是由LVE改造后燃料配比不合理引起。由于机组启动过程中燃料量较少，燃烧稳定性处于很窄的边界范围内，一旦出现天然气热值偏低及天气变化等因素影响就容易出现熄火现象。

通过上述分析，我们建议根据运行情况合理调整启动过程中的FSR（燃料行程基准）底限值，同时在暖机完成后燃烧模式切换到PM（MODE3）后，适当调整PM1与PM2燃料的比例以提高火焰稳定性，半山公司根据这一方案适当调整后已解决该问题，同时由于增加了启动过程的燃料量，机组升速过程加快，总燃料量减少，提高了机组的经济性。

图3　预混燃料熄火边界示意图

LVE改造只通过优化MARK VIe控制软件，不改变任何燃烧系统的硬件，改造成本低，实施周期短（含性能试验10d左右），对于使用标准DLN2.6+燃烧器的机组是比较合适的。

3.22.0+燃烧器的改造

DLN2.0+燃烧器无法消除启动过程中可见黄烟的问题，为此需要进行硬件升级，新一代DLN2.6+燃烧燃烧器，具有宽韦伯指数的变化（+/-10%），启动黄烟的减少，NOx排放的减少，全生命周期的成本下降，升级改造可在中修期间完成等优点。

3.2.1XD5技术改造

针对标准型DLN2.6+燃烧器仍存在D5扩散燃烧通道，无法从硬件上根本解决可见黄烟的问题，GE公司参照7F机群DLN2.6燃烧器的设计，推出了无扩散火焰设计的DLN2.6+燃烧器—XD5技术，即在标准型DLN2. 6+燃烧器架构基础上，取消了D5扩散燃烧孔，相较标准型DLN2.6+燃烧器系统，其燃料气系统仅有PM1，PM2和PM3三路供气，与2.0+燃烧器的燃料气系统相仿，为其改造提供了便利。

2015年2月，国华余姚电厂完成了2号燃机DLN2. 0+燃烧器升级改造，在国内率先采用无扩散火焰设计的DLN2.6+燃烧器改造方案。改造更新了所有18个燃烧器硬件，并利用了原有燃料气回路（PM4，PM1和D5，包括清吹阀和燃料气调节阀），直接与DLN2.6+燃烧系统的PM2，PM1和PM3对接；通过调整燃气调节阀、改造现有透平间内燃气母管并重新布置现有辅件基座以适应燃料气调节阀、放气阀和管路上的改动，调整第2、第3燃烧室中火花塞位置与PM2外喷嘴对齐，以适应新的燃烧模式运行要求。

表3　XD5 2.6+燃烧器燃烧模式切换

由表3可知，无扩散火焰设计的DLN2.6+燃烧器有三种常规运行模式：3、6.2、6.3，其中运行模式3根据PM1和PM2侧重不同，又可分为3.1，3.2，3.3。改造后其升速控制逻辑为3（3.1，3.3，3.2）→2→3（3.3，3.1）→6.2→6.3，图4为DLN2.6+燃烧系统运行的常规时序、LVE时序和全预混时序。

图4　DLN2.6+燃烧系统运行的常规时序、LVE时序和全预混时序

与LVE优化控制的DLN2.6+燃烧器相似，XD5机组启动过程中也要同时控制天然气总量及流量分配，天然气流量由燃烧器喷嘴（PM1、PM2）出口处的当量比决定，燃烧模式切换的时间点或具体流量分配根据机组的运行情况决定，而由于没有了D5的参与，点火阶段及后续的模式切换的火焰稳定性对燃料的配比要求更高，因此启动阶段参数的调试及数据监测尤为重要。

3.2.2改造效果

改造后，排放符合预期，从CEMS排放数据来看，机组启动过程中NOX排放均值从原来的近100mg/m3下降至25mg/m3，峰值也从150mg/m3以上降至50mg/m3，启动全程未见冒黄烟现象，同时全转速后运行稳定，性能数据和标准DLN2.6+系统一致，并网后燃烧系统无跳机事件。从燃烧系统硬件情况来看，孔窥检查状况未见异常，排气分散度正常，全转速后各项运行数据正常。

3.2.3存在的问题及建议

余姚2号燃机燃烧器升级改造后，升速过程中曾出现少数燃烧室短时（2min）燃烧脉动较高，同时在排气道附属部件上出现1min左右的低频振动现象。分析原因为机组启动过程中燃烧稳定性较差，建议根据运行数据继续优化控制参数，定期进行数据分析验证效果，同时借鉴其他现场经验升级控制逻辑。

XD5 DLN2.6+改造后启动阶段的排放指标略优于LVE机组（正常运行时二者水平一致），涉及硬件的改动较大，除了燃料喷嘴的改变，燃料气模块中对应的燃料阀和清吹管路也有较大的变化，没有了D5及其清吹管路，启动阶段的故障率大大降低，但相应的改造成本较高、实施周期较长，适合于使用了两个大修周期的DLN2.0+燃烧器机组的改造。

4　结语

LVE优化目前全球已有18台9FA机组的运行经验，在启动阶段NOX排放得以显著下降，重点在运行初期需要调整启动阶段的燃烧控制参数，建议对标准型2.6+燃烧器采用LVE优化，节约改造成本，降低启动阶段的排放，消除可见黄烟。XD5改造目前全球已有5台9FA机组的运行经验，启动最多的机组也有近百次启动，尤其在采用无扩散火焰设计的DLN2.6燃烧器的7F机群中已有近八百台机组的运行经验，因此从应用技术上来说，建议对2.0+燃烧器的改造采用XD5技术的无扩散火焰设计DLN2.6+燃烧器，其燃烧稳定性会更好，消除黄烟亦更彻底。

[1]栗工，高泰荫，陈中洲，等.甲烷-空气燃烧过程中NOX生成机理和影响因素[J].燃烧科学与技术，2005，（4）：142～148.

[2]杨勇，艾松，贾文.燃气轮机燃烧室燃烧稳定性分析[J].东方电气评论，2012，（3），25～29.

[3]吴革新.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书（控制系统分册）[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4]GE.Inspection and Maintenance Manual燃机检修与维护手册[Z].

Discussion of Yellow Plume Mitigation during 9FA Gas Turbine Starting-up

ZHOU Yang-jun1，PAN Yong-jin2
（1.Huadian Zhejiang Company，Hangzhou 310017，China；2.Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd，Hangzhou 310015，China）

In this article，We intruduced the DLN combustoer，and analyse the reason of Yellow Plume duing 9FA gas turbine starting-up，then analyzed the principle，effect and leftover problems of LVE and XD5，and provide the proposal.

LVE；XD5；DLN2.6+combustor；combustion mode；model based control；yellow plume

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.002

TK477

B

2095-3429（2015）05-0007-04

周杨军（1975-），男，浙江东阳人，工程师，从事电厂生产管理工作；潘勇进（1978-），男，浙江金华人，本科，高级工程师，从事发电厂热控技术管理工作。

2015-09-11

2015-09-24