GE LM2500+DLE 燃机节能运行研究及管理

郑志明（中油国际管道公司）

中油国际管道公司海外某天然气项目运行压气站场13 座，其中6 座使用LM2500+DLE 燃机19台、7 座使用西门子RB211-24G DLE 燃机23 台。随着天然气输气量的提高，燃机天然气消耗占比逐步升高。目前项目燃机自耗气占比达到管线年度输气量的1.3%，自耗气已成为管道运行的最大成本。近年来公司着力推行精细、集约化管理，持续推进降本增效[1-2]。项目团队从实践情况出发，对GE LM2500+DLE 燃机运行效率及能耗开展研究。经过长期实践发现能从2 个方面降低自耗气：发现并确认LM2500+DLE 燃机的燃烧室在5 种运行模式重叠区域的节能现象及原理；通过对LM2500+DLE燃机燃烧室火焰温度热力学模型的研究，发现在燃气轮机压气机防喘排气阀（CDP 阀门）开度70%～20%范围内，通过人为降低燃烧室火焰温度模型上限边界温度ΔT（降低的温度ΔT以不引起燃烧室动态噪声PX36 及NOX、CO 超标为参考）实现节能减排的现象及原理。

公司计划分两个阶段对GE LM2500+DLE 燃机节能减排方法进行应用并推广。第一阶段预期目标是实现年节能361×104m3（标况，下同）天然气，第二阶段在熟练DLE 标定工程师的配合下预期目标是实现年额外节能126×104m3天然气，最终有望实现项目年节能487×104m3天然气目标。按照每立方米天然气燃烧产生1 924.68 g CO2计算，每年可望达成减排9 373 t CO2的目标，按照2021 年最低碳汇价格40 欧元/t 计算，年预计节省/获得出售碳汇约37.5 万欧元权益。

1 火焰燃烧机理和NOx 排放

1.1 实现低NOx 排放的途径

燃烧温度对热力型NOx 的生成起到决定性作用，随着温度的升高热力型NOx 的生成速度呈指数规律迅速增长。GE LM2500+DLE 采用预混合稀薄燃烧降低燃烧火焰温度来控制NOx，预混合燃烧是将燃料气和空气先进行混合然后一起导入燃烧室内进行燃烧。空燃比与NOx 排放关系见图1。排放物与空燃比显示预混合燃烧工况范围较窄、燃烧温度较低，相对应的NOx 排放产物也较低；通过改变燃烧模式控制空燃比，采用预混合燃烧方式来降低火焰温度是降低NOx 的有效途径[3-4]。

图1 空燃比与NOx 排放关系Fig.1 Relationship between air fuel ratio and NOx emissions

1.2 实现低NOx 排放的代价

通过降低空燃比降低燃烧火焰温度，燃烧处于贫氧状态，造成燃烧不充分热效率下降，CO 排放上升，因此DLE 机组相比于SAC 机型热效率低3%～5%。CO 和NOx 排放随着空燃比的增加呈现剪刀差；随着空燃比的增加、O2含量的增加燃烧逐渐改善，CO 排放先是逐渐下降，当空燃比达到0.7 左右时CO排放达到最低值。NOx 排放基本与燃烧温度趋势保持一致，因此控制CO 和NOx最佳排放区间。

2 LM2500+DLE 机型特点

2.1 燃烧室结构

LM2500+DEL 机型为环形燃烧室结构，在环形燃烧室均匀分布着3 环燃料气预混器，具体分为A环（30 个）、B 环（30 个）、C 环（15 个），每一环都配备独立的燃料气计量阀（FCV104，FCV105，FCV107）；其中A 环和C 环额外配备10 个支气管控制阀20SV1-20SV10 来辅助控制燃料气进气量。

2.2 LM2500+DLE 机型CDP 阀（BLEED VALVE）

燃气轮机的压气机防喘泄放阀（CDP 阀）是一种液压伺服阀，CDP 阀的一端连接着压气机第16级排气至燃烧室预混器间的扩散段，另一端直连燃机的排气烟道；DLE 机型CDP 阀门的另一重要作用是通过不同的开度来调节进入燃烧室内的空气量，实现对燃烧室空燃比进行微调。

3 第一阶段节能减排

3.1 LM2500+DLE 机型燃烧模式

GE LM2500+DLE 燃机的燃烧室在启动及加载等不同工况下会选择不同的燃烧模式，其机组燃烧分为B、B+C/2、BC、AB、ABC 五种模式见图2。GE LM2500+DLE 机型通过切换不同燃烧模式及调节CDP 阀门开度来控制进入燃烧室内天然气和空气的比例，从而实现对空燃比的微调，达到控制火焰温度的目的，使火焰温度维持在CO 和NOx 最佳排放区间。

图2 机组燃烧模式Fig.2 Combustion mode of units

GE LM2500+DLE 燃机的燃烧室为环形燃烧室，为实现低排放目的，环形燃烧室从内到外均匀布置了3 环共计75 个燃料气预混器，LM 2500+DLE燃烧室及燃料预混器模型见图3。C 环（15个）、B 环（30 个）、A 环（30 个），每1 环燃料气预混器由1 个燃料气计量阀控制：其中C 环每3 个预混器为1组，由1 个燃料气分级阀控制，共计5 个分级阀；B环30 个预混器直连燃料气计量阀，同时1 个分级阀控制B 环15 个带ELBO 孔（增强预混燃烧稳定性）旋流器的补燃；A 环每6 个预混器为1 组，由1 个燃料气分级阀门控制，共计5 个分级阀。天然气由供气管引入，并通过旋流器叶片上预留的注射孔与高压空气均匀混合喷入燃烧室进行燃烧，预混燃烧火焰的温度均匀且被严格限定在温度模型范围内，进而实现CO 和NOx 排放小于25×10-6）的目标。燃烧室火焰温度模型见图4。依靠燃机控制程序，根据负载及预设的低排放标定数据控制燃料气供气量及CDP 阀门开度维持在最佳区间[5-6]。

2011年，水利部选定在湖北省境内的汉江流域、江苏省和北京、宁波、大连、青岛、无锡、苏州、绍兴、中山等8个城市开展水利现代化试点工作，要求各试点地区编制水利现代化规划，指导水利现代化建设。水利现代化规划是新事物，如何合理把握规划定位、规划任务、规划目标，是规划编制中值得探讨的重要问题。

图3 燃烧室及燃料预混器模型Fig.3 Combustion chamber and fuel premixer model

图4 燃烧室火焰温度模型Fig.4 Flame temperature mode of combustion chamber

燃机点火至怠速阶段燃烧模式为B 模式：B 环30 个预混器获得燃气供应开始工作，燃烧室火焰温度根据低排放标定数据跟随红色线轨迹移动；怠速至5%负载阶段燃烧模式为B+C/2 模式：B 环30 个以及C 环9 个预混器获得燃料气供应进行工作，燃烧室火焰温度根据低排放标定数据跟随红色线轨迹移动。以此类推，燃烧模式受负荷影响依次经历B、B+C/2、BC，AB，ABC 共计5 种模式。

随着机组输出功率的变化，燃烧模式不断改变，参与燃烧的燃料预混器数量也不断变化，以实现不同工况下燃烧室火焰处于较低CO 和NOx 排放的状态。

3.2 运行模式与节能关系

燃烧室火焰温度受低排放标定影响跟随红色温度控制线移动；燃机转速提升，燃料气供应量逐步增大，CDP 阀开度逐步减小至0，当燃烧室火焰温度到达模型右边界，如果继续增加燃料气供应量，温度继续上升直至模式跳变设定点后切换下一个燃烧模式；反之燃机转速降低，燃料气供应量逐步减小，CDP 阀门开度逐步增大至100%，燃烧室火焰温度到达模型左边界，如果继续减少燃料气供应量，燃烧室火焰温度持续下降至模式跳变设定点后切换下一个燃烧模式[7-9]。

燃烧模式从B 至ABC 共有4 处工况，且是相互重叠的。LM 2500+DLE 转速重叠示意图见图5（重叠区域是DLE 标定所必须，如无重叠区域将导致燃烧模式无法正常切换），重叠区域意味着在同一转速下有可能处于两种不同的燃烧模式，并存在两种不同效率及燃料气消耗量[10]。

图5 LM2500+DLE 转速重叠示意图Fig.5 Schematic diagram of LM 2500+DLE speed overlap

重叠区域CDP 阀门开度的大小决定了进入燃烧室的空燃比，同时也影响着压气机的效率。CDP 阀门开度大，泄放掉的压缩空气多，压气机整体效率降低，将导致燃机整体效率降低，进而增加能耗。燃机以空气为介质，基于Brayton 循环为理论基础，温、熵图见图6。压气机入口空气状态为1，经压缩后压气机排气端空气状态为2，如为理想循环，空气经过等熵压缩后排气口空气的状态为2S。为简化理解和计算，计算理想循环状态下的压气机效率，根据Brayton 循环，理想循环下效率公式为：

图6 燃机温、熵图Fig.6 Temperature and entropy of gas turbine

式中：Nc为压气机效率，%；h2s为经等熵压缩后压气机排气口空气的焓值，kJ/kg；h2为压气机排气口空气实际焓值，kJ/kg；h1为压气机进气口空气实际焓值，kJ/kg；T2s为经等熵压缩后压气机排气口热力学温度，K；T2为压气机排气口空气实际测量热力学温度，K；T1为压气机进气口空气实际测量热力学温度，K；p2为压气机排气口空气压力，kPa；p1为压气机进气口空气压力，对燃机而言等于大气压力，kPa；K为比热比，即定压比热与定容比热之比，在空气动力学中，空气的k值常取为1.40。

燃烧模式重叠区域（如BC/AB 或AB/ABC 模式）同样输出功率（转速）情况下CDP 阀门开度差距约30%～70%，CDP 阀门开度越大泄放掉的压缩空气越多，将导致压气机排气端压力、温度降低，压气机效率下降，燃机能耗增高。选取LM2500+DLE燃机AB 和ABC 燃烧模式重叠区域数据：动力涡轮转速5 324 r/min，T2（压气机入口温度）31.26 ℃，p2（压气机入口压力）92.60 kPa，AB 模式p3（压气机排气端测量压力）1 386.88 kPa，T3（压气机排气端测量温度）435.57 ℃，按照Brayton 循环计算压气机效率为88.34%；ABC 模式p3（压气机排气端测量压力）1 354.48 kPa，T3（压气机排气端测量温度）431.12 ℃，按照Brayton 循环计算压气机效率为87.80%。由此可见，CDP 阀门开度与燃机总体效率及能耗息息相关，CDP 阀门开度越大，泄放掉的高压空气越多，燃机能耗越高。

以中油国际管道公司海外某天然气项目LM2500+DLE 燃机驱动PCL603 压缩机为例，机组从准备加载动力涡轮转速3 965 r/min 到最大负荷转速6 405 r/min，中间存在3 个转速重叠区域，每个重叠区域约200～500 r/min（低排放标定结果不同，重叠区间不等），转速重叠区域节能预测见表1。

表1 转速重叠区域节能预测Tab.1 Energy conservation prediction of speed overlapping area

3.3 节能运行

了解燃烧模式重叠区域的节能原理，为实现机组的节能运行需要做到以下几点：

1）LM2500+DLE 机组每年夏季及冬季开展两次低排放标定作业，需记录燃烧模式切换对应的动力涡轮转速，转速重叠区间见表2。

表2 转速重叠区间Tab.2 Speed overlap interval

2）运行工况确认。

3）确认CDP 开度，CDP 阀门开度是否大于70%。

4）确认PT 转速，PT 转速是否位于转速重叠区域。

5）确认上述CDP 和PT 转速均符合要求，机组即能转入节能运行。降低机组转速使燃烧模式降入低一阶的模式，再根据运行要求提高机组转速，即可达到节能运行目的。

6）记录燃烧模式变化前后同一转速条件下燃料气的消耗量，用于节能监测及后续节能运行研究。

7）如处于临界运行工况（低一阶燃烧模式向高一阶燃烧模式切换工况）可以通过在程序里对运行模式参数进行强制，使机组稳定运行在节能模式下；直到工况变更需要进一步提高转速时去掉该强制值，使机组进入正常控制模式。该工况下需要关注燃烧室动态噪声数值（该数值反应了燃烧是否平稳），确保该数值小于17.2 kPa，如燃烧室动态噪声数值超过20.7 kPa 将影响燃烧稳定性，导致机组降速至怠速甚至熄火，此种情况应去掉运行模式强制数值，正常切换至高一阶燃烧模式。

3.4 节能效果

以中油国际管道公司海外某天然气项目LM2500+DLE PCL603 机组为例，进行节能效果分析。

1）2019 年冬季低排放标定完成后机组PT(abc)pull—PT(ab)push 动力涡轮转速重叠转速区间5 101～5 484 r/min，AB&ABC 模式转速重叠区域能耗对照见表3，区间最高能够实现节能及减排天然气630 m3/h，最低节能减排492 m3/h，平均节能减排558 m3/h。

表3 AB-ABC 模式转速重叠区域能耗对比Tab.3 Comparison of energy consumption in the speed overlap area of AB&ABC mode

2）2019 年冬季低排放标定完成后机组PT(ab)pull—PT(bc)push 动力涡轮转速重叠转速区间4 251～4 785 r/min，BC&AB 模式转速重叠区域能耗对照见表4，最高节能减排788 m3/h，最低节能减排546 m3/h，平均节能减排694 m3/h。

3.5 应用

2020 年选取项目1 个压气站为试点，该试点压气站机组年累计运行时间约9 000 h，处于3 个重叠区 域：PT(bc)pull—PT(b+c/2)push、PT(ab)pull—PT(bc)push、PT(abc)pull—PT(ab)push累计运行时间1 485 h，占总运行时间约16.5%，在重叠区域采用节能运行模式已实现节能减排83.949×104m3天然气，约合78×104m3天然气。2020 年试点压气站燃机转速重叠区域节能减排统计见表5。

表5 2020 年试点压气站燃机转速重叠区域节能减排统计Tab.5 Statistics of energy conservation and emission reduction in areas with overlapping gas turbine speeds in pilot compressor stations in 2020

3.6 节能减排应用推广前景

中油国际管道公司某海外项目有6 座压气站使用GE LM2500+DLE 燃机，共计19 台。2 个压气站常年双机运行，双机运行的压气站燃机运行于节能区间的时间占比越高，使用节能模式运行节能效果会越明显；剩余4 个压气站以75%单机运行为主，冬季高输量情况下25%双机运行为辅助。如全线推广节能运行，以每个压气站总累计运行时间的5%在转速重叠区域采用节能运行，预计将节能减排180×104m3、7.5%将节能减排270×104m3、10%将节能减排达361×104m3天然气，项目采用节能转速运行年节能减排测算见表6。

表6 采用节能转速运行压气站年节能减排测算Tab.6 Calculation of annual energy conservation and emission reduction in gas compressor station by using energy conservation rotational speed operation

4 第二阶段节能减排

为实现此阶段的节能减排，公司最少需要培养一位对燃机低排放标定非常熟悉的工程师，能够处理燃烧边界引起的燃烧不稳定问题以避免停机。

4.1 节能减排原理

1）根据燃烧室火焰温度模型，CDP 阀开度100%～0%范围内，正常运行燃机燃烧室火焰温度预值等于温度上限和下限的平均值。

2）CDP 阀开度在70%～20%范围内，通过人为降低燃烧室火焰温度上限ΔT（降低的温度ΔT以不引起燃烧室动态噪声及NOx、CO 超标为参考）建议不超过原标定参数上、下限温差的25%为宜，降低ΔT后新的温度上限将降低到C 线位置，新的燃烧室火焰温度预值将降低至B 线位置；同一个功率参数将对应两个不同的CDP 阀开度D1 和D2，D1大于D2 意味着D1 工况下有更多的16 级压缩空气被直接排放至燃机的排气烟道，按照Brayton 循环计算压气机效率将降低，导致燃机能耗增加。

3）节能减排效果。选取LM2500+DLE 机组加载阶段3 个主要燃烧室运行模式BC、AB、ABC 作对比，每种模式下选取3 个CDP 阀开度（70%、45%、20%）为测试点，通过降低温度上限为：12.2 ℃，所能达到的节能减排效果见表7。随着功率的提高节能效果从最初的21 m3/h 逐步增加到63 m3/h，此种模式节能效果不明显，但可操作转速范围宽广，约占总运行转速区间的40%，年累计节能效果也非常可观。

表7 降低DLE 标定火焰上限为12.2 ℃节能统计Tab.7 Energy conservation statistics for adjusting DLE calibration flame upper limit at 12.2 ℃

4.2 第二阶段节能减排应用推广前景

在第一阶段节能减排推广应用的基础上，2 个压气站常年双机运行，3 个压气站以75%单机运行为主，冬季高输量情况下25%双机运行为辅助，1 个备用压气站。如推广第二阶段节能运行模式，以40%运行时间使用节能方法、单机每小时平均节能49 m3/h进行测算，年预计节能效果见表8。

表8 ABC 线采用第二阶段节能运行模式年节能减排测算Tab.8 Annual energy conservation and emission reduction calculation for ABC line adopting the second stage energy conservation operation mode

5 运行管理建议

1）第一阶段，根据GE LM2500+DLE 转速重叠区域的节能原理，指导运行人员将机组运行在高效节能区域，最高能够达成每台燃机791 m3/h 节能效果（20.42%节能效果）。每年夏季、冬季2 次燃机低排放标定工作应尽量扩大每一种燃烧模式向高一阶燃烧模式的跳转上限即扩大重叠区域，能够增加节能减排效果。

3）第二阶段，通过降低燃烧室TFLMAX 上限温度，最高能够达成每台燃机63 m3/h 节能效果（1.13%节能效果）。夏季高温易导致燃气涡轮入口温度达到报警值，机组控制模式将从动力涡轮转速控制模式切换至燃气涡轮入口温度控制模式，导致燃机功率下降，通过降低燃烧室上限温度进而减小燃机压气机排气阀开度，引入更多的压缩空气进入燃烧室降低燃气涡轮入口温度，机组将重回动力涡轮转速控制模式，提高功率，机组转速可以提高150 r/min。