EGT 9171E型燃机低氮燃烧系统改造

叶 文 上海发电设备成套设计研究院



EGT 9171E型燃机低氮燃烧系统改造

叶 文 上海发电设备成套设计研究院

为满足新版火电厂大气污染排放标准，对某燃气蒸汽联合缩环机组进行了低氮燃烧系统技术改造，提高了机组的环保性和社会效益。对该低氮改造工程进行了介绍。

燃气轮机；低氮系统改造；LEC-III；空气进气加热系统；控制系统

Fund item: Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute Youth Fund （201506047Q）； Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute Fund（201406078J）

武汉汉能电力发展有限公司沌口燃机电厂安装有一套ALSTOM 9171E型燃气轮机组成的联合循环机组，燃料为天然气。2014年7月1日起，国家将全面实施最新的《火电厂大气污染物排放标准》。对于以天然气为燃料的燃气轮机发电机组要求氮氧化物（NOx）低于50 mg/m³。GE公司早期设计的燃烧室属于扩散型燃烧室，氮氧化物排放（NOx）无法达到国家最新的标准。

基于以上原因，武汉汉能电力发展有限公司于2014年5月份委托上海发电设备成套设计研究院对电厂进行燃气轮机低氮技术改造，并于6月中旬调试成功并投入商业运行。实践证明，改造后的系统不仅完全达到了设计指标，而且为燃机电厂低氮改造技术的国产化提供了宝贵经验。文本对该项改造的主要内容进行介绍，以供国内同类燃机电厂参考。

1 干式低氮燃烧技术简介

燃气轮机排放的尾气中NOx的来源主要有两类:（1）空气中的N2在高温燃烧过程中被氧化产生的热力型NOx；（2）燃料中的含氮化合物燃烧产生的燃料型NOx。

燃料在采用标准扩散燃烧室燃烧时，火焰为扩散火焰，火焰表面温度高于1 650℃，高温燃烧产生大量的热力NOx。热力NOx成为燃机排放的NOx主要来源，决定NOx生成量的主要因素是燃烧温度、烟气在高温区的停留时间和高温烟气中氧的质量浓度。

研究表明，在燃烧过程中NOx的生成率与火焰温度成指数函数关系，而且与可燃混合物在火焰温度条件下停留时间近似成线性函数关系。对于一定的燃料，燃烧火焰的温度则是燃料/空气混合化学当量比的函数［1］。对于预混火焰，NOx的最大生成率发生在化学当量比等于1的地方，此时燃烧火焰的温度最高。因而，倘若能使燃料与较多的空气相混合，使其在比较稀释的浓度下进行低温度的燃烧，就能显著减少NOx的生成。

基于如上原理设计干式低NOx燃烧室，把燃料与空气预先混合成为均相的、稀释的可燃混合物，然后以火焰传播的方式进行燃烧，火焰的燃烧温度与燃料/空气实时掺混比的数值相对应，使得火焰温度控制低于 1 650℃以下，有效控制NOx的生成。

2 主要改造内容

本工程将原来的扩散燃烧室改为Alstom公司的LEC-III低氮燃烧室，将原来的天然气小室、天然气环管、轻吹管道、压缩空气抽气管道拆除，在燃料系统中增加了天然气阀站，天然气环管和软管，以及相关外围管道；将DOS系统下GE MarkⅤ控制系统升级为Windows7 系统下Emerson的Ovition控制系统。低氮燃烧改造设备示意图见图1。

图1 天然气阀站、环管、燃烧室示意图

系统主要改造内容包括：

（1）LEC-III燃烧室。

（2）天然气阀站及外围管道；

（3）进气抽气加热（IBH）系统改造改造；

（4）控制系统升级。

新增系统均采用模块化设计，模块内的设备、仪表、管道等均安装在公共底盘上，各个模块之间只需要通过管道连接，避免了大量的工程改造现场工作，占地小，建设周期短，运行维护方便。

2.1 LEC-III燃烧室

2.1.1结构和特点

LEC-III燃烧室由端盖、火焰筒、导流衬套、燃烧室外壳、过渡段、燃料喷嘴、二次燃料喷嘴、连焰管等组成。其结构示意图见图2。

图2 LEC-III的硬件部件（在改造中替换原燃烧室）

燃气轮机燃烧室是一种高温合金材料制作的燃烧设备。在整台燃气轮机中，燃烧时位于压气机和燃机透平之间，肩负着以下3项最基本的功能：

（1）使燃料与压气机送来的一部分压缩空气，在其中进行有效的燃烧；

（2）使由压气机送来的另一部分压缩空气与燃烧后形成的燃烧产物均匀地掺混，将其温度降低到燃气透平进口的初温水平，以便送到燃机透平中做功；

（3）控制NOx的生成，使透平的排气符合环保标准的要求。

与GE的DLN1.0相比，LEC-III在文丘里组合件、火焰筒冷却技术、第二级燃料喷嘴等方面进了技术改进。

2.1.2 LEC-III燃烧原理

LEC-III配套改造适用于现有压气机和透平，压气机和透平外缸不需要做任何改动。现有机组是采用扩散燃烧系统，而LEC-III是以燃气为燃料进行分级燃烧的系统。机组负荷从80%负荷升至满负荷时，处于完全预混燃烧。分级燃烧是指从开机点火到升负荷的整个阶段内燃烧模式的变换。从启机到30%负荷，此时的燃烧方式属于扩散燃烧，即一级燃烧模式，燃烧反应在火焰筒头部端口处，或称之为一级燃烧区。当负荷由30%升至80%时，模式转换至贫-贫模式，即同时存在扩散燃烧和预混燃烧的混合燃烧，在一级反应区发生扩散燃烧，而在火焰筒中部区域（称之为二级燃烧反应区）的是预混燃烧。紧接着是转换模式，仅在二级反应区稳定燃烧，而且一直维持到基本负荷运行工况都是这样。最后的模式是预混模式是100% 的预混燃烧，即多数燃料分配给一级燃料喷嘴燃烧，剩下的燃料分配给二级燃料喷嘴燃烧。燃料在一级燃烧区内进行预混，在二级燃烧区预混燃烧。

预混燃烧是在燃烧过程中减少热力型NOx的关键。燃料和空气在燃烧反应前得到了充分地预混。因此整个燃烧过程中对于燃料与空气比率来说，是贫燃料燃烧。此时最高燃烧温度恰好控制在低于热力型NOx生成的临界温度。

2.2 天然气阀站及外围管道

在改造工程中，原有的天然气小室、环管与软管、吹扫空气管路、液压油管路、压缩空气抽气管路需要拆除。

图3 低氮燃烧改造系统示意图

新增的天然气燃料系统主要包括天然气阀站、环管与软管、天然气连接管路、液压油管路，压缩空气抽气管路等。

2.2.1天然气阀站

如图3所示，天然气阀站与上下游设备之间通过五根管道相连，分别为天然气进口管道、吹扫空气进口管道、一次燃料管道、二次燃料管道、切换燃料管道。天然气进口管道与上游的前置模块相连，从上游前置模块来的天然气进入阀站。天然气进入阀站后，通过3个燃料管道分别进入3个环管。吹扫空气管道与燃机内的压气机抽气管道相连，从压气机内抽出的压缩空气进入阀站。

速比阀（SRV-1）和控制阀（GCV-1， 2， 3）共同作用控制燃气轮机总的流量配送。速比阀主要有两个作用：（1）作为紧急切断阀，在紧急跳机或正常停机时驱动阀门关闭，切断天然气进入燃机。（2）作为压力调节阀，用来维持已设定的控制阀入口压力p2，使该压力成为透平转速的比例函数，满足变工况时对p2的要求。

燃料系统内有3个控制阀，燃气控制阀控制环管到燃烧系统的气流。GCV1控制一次燃料管路。GCV2控制二次燃料管路。GCV3控制切换燃料管路。天然气进入阀站内部，通过速比阀SRV1和三个控制阀GCV1、GCV2、GCV3，分别进入三个环管。

放空阀用于排出管道内天然气。阀站外有2台风机，用于抽出阀站内的危险气体。清吹阀VA13-1、VA13-2控 制压缩空气流量。切换燃料管路只在Lean-Lean到Premix的切换模式下才通燃料。

2.2.2天然气环管和软管及外围管道

本工程拆除原先的1根天然气环管和14根软管，重新安装3根环管和42根软管。在施工过程中，因为原有的气缸上下的压缩空气抽气管道与新装的软管产生碰撞，需要拆除原有的8 in抽气管道，并重新设计新的4 in抽气管道。燃机内空间很小，改造工程时，新增抽气管道上的气液分离器与新增环管发生碰撞，给改造工程带来不小麻烦。今后设计抽气管道时，需要考虑原有的气液分离器的布置，防止发生气液分离器与新装环管的碰撞。

现场工程改造时，根据软管长度定位环管支座位置，避免过度拉伸与挤压软管。环管分为一次燃料环管、二次燃料环管、切换燃料环管。一次燃料环管管径为5in，二次燃料环管、切换燃料环管管径为4in，每个环管由三段弯管组成。环管为正14边形，三段弯管通过法兰对接。安装环管时，先装底部的环管，再装上部的环管；先安装大环管，再安装小环管。每根环管再通过14根软管连接到燃烧室端盖上对应的燃料喷嘴上。

外围管道安装时，应先确定3个环管出口的位置，从这3个出口开始布置外围的管道，将环管和阀站连接起来。

2.3 进气抽气加热（IBH）系统改造

2.3.1进气加热在燃烧室预混燃烧中所起的作用

原有的IBH是防冰冻作用的，当环境温度低于3℃打开IBH，防止压气机进口结冰。

研究表明，在均相预混模式下，通过控制燃料与空气实时掺混比的数值的控制，使火焰面面的温度永远低于1 650℃，这样就能控制NOx的生成。

由于燃机低氮改造，燃机从以前的扩散燃烧方式改为低氮燃烧方式，需要提高IBH中空气的流量来保证燃机低氮性能，打开IBH有利于机组更早的切入预混燃烧模式。在此项改造工程中，当打开IBH时，机组负荷达到50%就可以切换为预混燃烧模式；关闭IBH时，组负荷达到80%才可以切换为预混燃烧模式。更早的切换为预混燃烧模式，有利于降级NOx排放。

在低氮模式下时，需要增大IBH抽气的流量，最大达到压气机排气流量的5%，原有的抽气流量过小，所以本工程对IBH系统进行改造。

2.3.2进气抽气加热系统（IBH）

如图4所示，该系统由手动进口隔离阀、气动控制阀、气动排污阀、进气抽气加热控制阀、压力传感器、温度传感器以及控制阀的气动控制回路组成［3］。

图4 新增阀门系统图

将压气机排气温度信号CTD作为进口抽气加热空气流的温度，同时由96BH-1/2压力变送器可以测量出VA20-1控制阀 的进口压力和压力降。根据这些参数，以及利用制造厂提供的调节阀流量特性曲线，可以计算出不同阀门行程时的质量流量。而控制阀的进口压力和压力降又是压气机进口可转导叶函数。精心设计的调节阀阀门型线，可以确保压气机抽气流量是进口可转导叶IGV开度的单值函数，呈线性关系。

抽气的流量最大可以控制5%的压气机流量。进气抽气加热控制阀VA20-1调节压气机出口抽气的流量，并且将抽气引入位于压气机进气流道中的母管加热进气。

为了在应急的情况下能快速打开控制阀，在系统中设计了控制阀快速开启回路。当I/P转换器向气动执行器输入4 mA电流或20TH-1失电时，流向快速开启回路的VA40-1和VA42-1阀放空，迅速把控制阀开启。

2.3.3抽气加热系统阀门的改造

本次改造中，将原有手动隔离阀、气动控制阀、手动排污阀拆除，新增手动隔离阀、气动控制阀、气动排污阀。之前的进气抽气加热控制阀为6 cm，现在的气动控制阀为8 cm，管道的通流面积从6 cm增加到8 cm，IBH抽气量提高。由于新增的控制阀重1T，需要单独建造基础及支撑架支撑阀门。与之前的手动排污阀相比，新增的气动排污阀操作、可靠。

2.3.4抽气加热系统支管改造。

图5 改造后支管图

因为需要增加燃机入口的进气流量，所以就要增加支管的消音器数目，如图5所示。通过计算，支管上需要将消音器数量翻倍。图中支管上光亮的消音器为新增的，其余的为之前的消音器。IBH系统在燃机空气进气口通过一个气体母管将气体分给20个支管，支管分为上下两层，每层有10个支管。

2.4 控制系统升级

原有的DOS系统下GE Mark Ⅴ控制系统没有低氮控制程序，而且DOS下GE Mark Ⅴ控制程序操作非常不方便。因此，将Mark Ⅴ控制系统升级为Windows7 系统下Emerson的Ovition控制系统，该控制系统设置方便灵活。

Ovation系统是集过程控制及企业管理信息技术为一体的融合先进的计算机与通信技术于一身的典范。其采用了高速度、高可靠、高开放性的通信网路，具有多任务、多数据采集的控制能力。

作为控制中心，控制器采用冗余的控制器；各控制器中又各有一对冗余网线连接到冗余的交换机；工作站也是通过冗余网线与交换机相连。工作站含操作员站、工程师站、历史站、OPC站及其他功能站。

为了实现不同的控制功能对执行速度的不同要求，Ovation可以设置5个不同的任务区，第一任务区时间为100 ms，第二任务区时间为1 000 ms，后面3个任务区时间可以根据需要设定（设定范围：10 ms～30 s）。Ovation控制系统为达到9E燃机控制要求，使用了第二任务区（1 000 ms）、第三任务区（10 ms）、第四任务区（150 ms）。第二任务区（1 000 ms）主要实现以下功能： IGV（压气机进口可转导叶）、SRV阀（燃气速比阀）、GCV1-3阀（燃气调节阀）等的控制第三任务区（10ms）主要实现以下功能： P2压力控制第四任务区（150ms）主要实现以下功能：顺序控制系统燃料主控系统IGV、IBH（压气机入口抽气加热）控制保护系统。

3 结语

该机组经改用LEC-III燃烧系统后，根据验收阶段环保局测试得出：燃机NOx排放体积分数小于10 ppm，完全满足我国2014年7月开始实行的燃用天然气燃气轮机机组NOx排放体积分数小于50 mg/m³（约24.3 ppm）的要求。

［1］ 焦树建. 燃气-蒸汽联合循环［M］. 北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［3］章素华，吴革新，燃气轮机发电机组控制系统［M］.中国电力出版社，2013：65-69.

EGT 9171E Type Combustion Engine Low Nitrogen Combustion System Renovation

Ye Wen Shanghai Power Generation Equipment Complete Design and Research Institute

In order to meet new edition thermal power plant air pollution emission standards， low nitrogen combustion system technology renovation has been done in some gas steam combined cycle unit. The article introduces low nitrogen renovation engineering and its environment protection value and social benefits.

Gas Turbine，Low Nitrogen System Renovation，LEC III，Inlet Air Heating System，Control System

上海成套院青年基金（201506047Q）；上海成套院院基金（项目编号201406078J）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.014

叶文：（1986-），男，工程师，研究方向，主要从事燃烧室数值模拟仿真，燃气轮机控制系统，燃气轮机低氮改造，燃气轮机辅助系统研制等方面的研究。