M701F4燃机燃烧调整关键技术分析

M701F4燃机燃烧调整关键技术分析

宋顺利

江苏华电戚墅堰发电有限公司 江苏省常州市 213011

摘要：本文从三菱M701F4燃机燃烧系统结构、燃烧控制逻辑、操作步骤，以及在调整过程中燃烧稳定性的变化规律这四个方面解析了三菱M701F4燃机燃烧调整关键技术。M701F4燃机主要通过调整值班燃料流量和旁路空气流量来重新确认燃机在运行时的燃烧稳定性裕度，调整对象仍然是基准温控线。燃调负荷点的确定原则是在常用负荷段以及高负荷段的间隔尽可能小。值班燃料量的调整范围是±0.5%，旁路空气的调整范围是±5%。在高负荷下，在旁路阀开度和值班阀开度下调的过程应缓慢操作。

前言：

M701F4 型燃气轮机是三菱重工投入商业运行中先进的机型，具有热效率高、启停速度快、污染小、自动化程度高等特点。为了使燃气轮机安全可靠运行，首先要确保燃烧室内燃烧的稳定^[1]，若燃烧不稳定，轻则导致熄火跳机，重则会对燃烧室造成不同程度的损坏。

燃烧调整是保障燃烧稳定的一种调节手段^[2-5]，通过调整各支路燃料流量，进而调整燃烧室内局部燃空比，达到平衡燃烧振动和NOx排放的关系。

本文在相关文献的基础上结合运行经验^[6]，通过对燃烧调整涉及到的相关技术开展解析，为三菱燃机实施自主燃烧调整提供参考。

1、燃烧系统的结构

M701F4燃机燃烧系统主要构成部分有喷嘴、内筒、尾筒、旁路阀等，从压气机扩压器出来的空气流入燃烧器，在燃烧室内与燃料混合后燃烧，燃烧后的高温燃气流入透平做功。

燃烧器属于环管布置方式，周向布置20个，燃料在燃烧器中先与空气均匀掺混后再进行燃烧，可有效降低燃烧温度，降低NOx排放。旁路阀是三菱燃机特有的控制机构，可以控制燃烧室头部进气量，使燃烧进一步适应不同压气机进气流量，提高燃烧稳定性。

相比于M701F3，MF701F4采用了FMk-8燃烧室，在燃料分配方面，该燃烧室升级了旋流器喷嘴，增加了顶环端盖喷嘴，原来的8个主喷嘴被分为两组，由两路燃料调阀分别控制，因此燃料分配变为四路，分别是值班燃料、顶环燃料、主燃料A、主燃料B。在燃气和空气的混合方面，M701F4的燃料喷射点从M701F3的旋流器下游改到了旋流器叶片上，提高了燃料混合均匀度，降低了预混气中天然气局部浓度，进而降低了火焰温度，减小了NOx生成量。在冷却方面，M701F4的冷却方式由M701F3的内部对流-气膜冷却方式进一步升级为冲击-对流-气膜冷却方式，冷却效果进一步提升。在消声结构方面，M701F4在靠近火焰位置的火焰筒壁面加装了消声套，消声套采用多孔板构建成一个被动消声腔，可有效降低分频为500Hz以上的压力波动。在尾筒方面，相比M701F3，M701F4在尾筒的中部和前端升级了消声罩，尾筒的材质和厚度均进行了升级。另外尾筒支撑结构厚度也进行了加厚，使尾筒的支撑更加稳定，提高了抵抗声热震荡的能力。

2、燃烧控制逻辑解析

2.1燃料总流量的选择

M701F4燃机燃料总流量CSO，是由GVCSO（采用转速控制的燃料流量），LDCSO（采用负荷控制的燃料流量），BPCSO（根据排气温度确定的燃料流量），EXCSO（最大负荷控制的燃料流量），LFCSO（采用负荷控制的燃料流量）各自的流量指令经过最小值选择后和点火输出指令相对比，再选择最大值后输出，作为燃机实际的燃料流量控制指令。

2.2 CLCSO概念的引入

在IGV开度一定的情况下，燃气轮机的输出功率和燃烧的稳定性与透平入口温度( Turbine Inlet Temperalure, 以下简称 TIT) 相关性极大，所以燃气轮机的控制均是以TIT为控制对象并根据其实时状态作为反馈以控制和调节其他参数 。 但TIT非常高，不能直接获得该温度, 为此需要利用其他参数通过各种运算找到一个参数来类比该温度，M701F4采用CLCSO来间接得到TIT。根据发电机输出、 IGV开度、 进气温度、 进气流量 、放气流量比、大气压比等参数来计算 CLCSO。该值与TIT成正比 ,通过CLCSO来控制各路燃料比率。

燃气轮机主燃料分配比例、值班燃料分配比例、顶环燃料分配比例和旁路阀开度都是透平入口温度的函数。因此CLCSO无量纲化之后，可以根据CLCSO的值确定各调节阀门的开度，进而调节燃机运行状态。

M701F4的CLCSO的计算方法如下：

CLCSO还具备燃机老化修正功能与自我学习功能，可以根据燃机运行状态与运行小时数自动对CLCSO的计算开展修正。

2.3 各支路燃料流量控制方式

值班燃料流量控制PLCSO的值与转速有关，在转速升至3000rpm之前，随着转速增加，PLCSO的值逐渐减小。在到达3000rpm之后，PLCSO的输出值是CLCSO的函数，在此基础上根据ACPFM（燃烧监测系统）、水洗情况、PLBIAS、CSO、以及转速进行修正。

顶环燃料流量控制THCSO的输出值同样是CLCSO的函数，在此基础上根据ACPFM（燃烧监测系统）、THBIAS、CSO、以及转速进行修正。

主燃料流量控制MCSO的输出值是总燃料量CSO减去值班燃料流量和顶环燃料流量，顶环燃料有8个喷嘴，主燃料B路有5个，主燃料A路有3个，理论上主B燃料占比为0.625。

3、燃烧调整过程解析

在燃烧调整之前，应首先确认燃机本体的运行状态，在燃机点火启动1000rpm之前，重点应确认环境温度；点火转速；点火时间；点火器状态；排烟温度以及分散度；IGV阀；旁路阀的运行状态。除此之外，还要确认燃料系统的压力以及确保压力脉动各频段的报警值小于10kPa。

燃机加速至3000rpm，燃料供应由CSO模式转变为FLCSO模式。这个阶段应重点监视烟气最大温度；排气分散度；各管路天然气燃料供应压力；压气机放气阀开度；确保压力脉动各频段的报警值小于10Kpa。

上述内容确认完毕后，开始准备燃烧裕度确认的相关准备工作，典型的燃烧裕度负荷确认的起始点为100MW（燃机功率），负荷点分别为100MW，150MW、160MW、170MW、175MW、180MW、185MW、190MW、195MW、200MW。选择负荷点的确定原则是在常用负荷段以及高负荷段的选择尽可能间隔小。

负荷点选定后，在50分钟之内需要对旁路空气流量和值班燃料流量做出最大幅度不超过±5%调整，同时记录下调整期间的压力脉动值和排放值。在调整期间，每一次的调整步长为1%，每增加或减少1%，都要密切关注燃烧脉动值，如果达到或接近报警值，转向相反方向或终止调整。

在从低负荷向高负荷调整完毕后，每10WM为一个负荷点，将燃机功率降至100WM，分析数据，如果确认需要对燃机流量配比调整，则停机调整。调整完毕后启机开始负荷摆动试验，试验的负荷范围从100WM到Base Load，重点观察燃机的燃烧稳定性。

4、燃烧调整过程中对燃烧稳定性的影响

M701F4燃机在每个负荷点需要调整旁路阀和值班阀，在调整过程中，值班燃料流量变化范围是±0.5%，旁路空气量变化范围是±5%。

在燃机低负荷区域，值班喷嘴流量在±0.5%范围内改变基本不会对燃烧特性有明显影响，随着负荷增加，值班阀开度降低时首先会遇到燃烧压力脉动在4400Hz频率点上幅值偏高的问题，继续降低值班阀开度会增加回火的风险；负荷继续增加，值班阀开度降低时会首先遇到燃烧压力脉动在25Hz频率点上幅值偏高的问题，继续降低则会增加回火的风险。负荷增加至接近最大负荷，值班阀开度降低时首先会有回火风险，继续降低则会遇到燃烧压力脉动在270Hz频率点上幅值偏高的问题；值班阀开度增加，则NOx排放会接近25ppm的限值。由于在接近最大负荷点时值班阀开度降低首先出现回火风险，而回火一般无法探测到，因此在这个负荷点开展调整试验不可将值班阀开度降低过多。

燃机在低负荷工况下调整旁路空气量，在±5%范围内改变基本不会对燃烧特性有明显影响，随着负荷增加，旁路阀开度降低时会首先遇到燃烧压力脉动在4400Hz频率点上幅值偏高的问题，继续降低旁路阀开度会增加回火的风险；负荷继续增加，旁路阀开度降低时会首先遇到燃烧压力脉动在25Hz频率点上幅值偏高的问题，继续降低旁路阀开度会增加回火的风险。负荷继续增加，旁路阀开度增加会导致NOx排放接近25ppm上限值。在最大负荷点，旁路阀开度增加也会有回火风险，继续增加则会遇到燃烧压力脉动在270Hz频率点上幅值偏高的问题。最大负荷点建议谨慎调整旁路阀增量。

5、结论

目前国内装备的M701F4具备自动燃烧调整功能，燃烧室实际的燃料流量是燃机控制系统给出的原始流量信号和根据自动燃烧调整系统做出的补偿值之和，但人工燃烧调整仍然是调整基准流量控制曲线。值得注意的是，不可忽视燃烧调整前的准备检查工作，良好的硬件状态是燃烧调整成功实施的必要保障。在燃烧调整过程中，尤其在高负荷下，旁路阀开度和值班阀开度下降速度不可过大，避免回火。

参考文献：

[1] 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,2012,26(01):25-29.

[2]节鹏举.M701 F4型燃气轮机燃烧振动的产生机理与影响因素[J].浙江电力,2015,34(11):65-68.

[3]唐一村.三菱M701F4机型燃烧调整与减少NOx排放分析[J].华北电力技术,2014(01):57-61.

[4]林凡.M701F燃气轮机结构特点及燃烧调整方法分析[J].电气技术,2013(06):98-101+105.

[5]石玄.三菱M701F燃机A-CPFM系统自动燃烧调整分析[J].东北电力大学学报,2012,32(04):72-75.

[6] 三菱重工东方（广州）燃气轮机售后服务，2015年中国M701型燃气轮机燃烧调整讲义，2015(1).