天然气低压状态下MS6B型燃气轮机低氮燃烧技术研究及应用

天然气低压状态下MS6B型燃气轮机低氮燃烧技术研究及应用

薄涛

中国石油集团电能有限公司

摘要：本文通过深入研究分析MS6B型燃气轮机DLN燃烧系统原理，分析低氮燃烧模式转换的过程和关键参数，提出实现在天然气低气压状态下MS6B型燃气轮机进入低氮燃烧模式的技术方案，实现燃气轮机在低压工况下进入稳定预混燃烧模式运行。

关键字：燃气轮机；低氮燃烧技术；DLN燃烧系统；稳定预混模式

0引言

根据国家《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）的规定，天然气燃气轮机发电机组排放的氮氧化物不得高于50mg/m3。因此，本文主要以中国石油集团电能有限公司两台MS6001B 型燃气轮机实施低氮燃烧改造为例进行介绍，实现了烟气氮氧化物的超低排放。

1天然气低压状态下低氮燃烧技术应用

燃气轮机是否能够进入低氮排放模式与燃机进气压力P1、当时的大气环境及机组状态直接相关。受天然气入户管网压力限制和供气能力制约，我公司燃机进气压力P1基本维持在15bar～21bar之间：据统计，全年68%时间，P1=19-21bar；28%的时间，P1=17-19bar；4%的时间，P1=15-17bar。而进入低氮燃烧模式的理论设计极限在冬季最低19 bar，所以按照常规设计理念，全年32%时间，将无法实现烟气氮氧化物达标排放。因此，必须采取有效措施，降低进入预混模式的P1压力条件限制。

2带转换级供气的DLN1.0燃烧系统设计应用

GE公司的标准型DLN1.0燃烧系统，进入预混燃烧模式时，要求天然气供气压力（P1）达到2.3 MPa以上。为此，设计出应用于MS6B型燃气轮机的带转换级的非标准DLN1.0燃烧系统。该方案采用全新设计的独立燃气控制小间, 三个独立的低压损燃气控制阀，三级燃料供气环管（如图1所示）。

图1 带转换级的的DLN1.0燃烧室及供气环管示意图

在标准型DLN1.0燃烧系统增加转换级供气系统，当燃烧系统在贫-贫模式时，转换级天然气供气控制阀关闭，压气机排气控制阀（导通空气）打开，通过P2压力控制算法，让 P2压力随着压气机排气压力线性增加，确保进入燃烧室的天然气压力P3高于压气机压力；当燃烧模式进入预混转换时，转换级的天然气控制阀打开，压气机排气控制阀关闭，转换级给二级喷嘴提供燃料，补充一级供气管线控制阀关闭所减少的燃料量，这样既确保了一级燃烧区熄火，又能通过转换级的燃料供给保证燃气轮机在当前负荷下稳定运行，顺利完成燃烧系统从扩散燃烧模式转入预混燃烧模式。

经过模拟计算，在环境温度为15℃，使用带转换级的DLN1.0燃烧系统，当天然气进口压力P1达到1.768 MPa时，燃气轮机即可进入预混燃烧模式。这也是全球第一次在MS6B型燃气轮机应用带转换级的DLN1.0燃烧系统。

3 P2滑压控制方案

3.1   P2压力

P2压力是指燃气轮机速度比率调节阀（SRV）和燃料控制阀（GCV）之间的天然气压力（如图2所示 ）。在燃气轮机运行过程中，P2的压力控制是由控制逻辑，输出一个最小限制值，通过改变速度比率调节阀（SRV）的开度控制P2实际压力高于最小限制值。

图2  P2压力示意图

在扩散式燃烧系统和标准型DLN1.0燃烧系统中，P2压力采用定压控制，即P2压力最小限制值为一个常数，在不同环境温度和负荷工况下，P2最小限制值相同。

3.2  P2滑压控制

相对于P2定压控制，在P2滑压控制中，P2压力最小限制值不是常数，而是一个连续变量，该变量经特定控制算法输出。P2压力控制采用滑压调节，其控制策略分为两种模式：1）燃气轮机在升负荷过程中，对P2压力最小限制值控制；2）当P2实际压力下降时，对燃气轮机负荷控制。

（1）燃气轮机升负荷过程的P2滑压控制算法

燃气轮机在初始模式和贫--贫模式，将P2压力最小限制值设置为关于压气机排气压力的一次函数： f(p2)=k*x(PCPD)+C；当燃气轮机进入稳定预混燃烧模式后，P2压力最小限制值设置为关于负荷的正比例函数：f(p2)=k1*x(Dwatt)，通过P2压力最小限制值和实际值之差，控制速度比率调节阀（SRV）的开度。

（2）P2实际压力下降时的燃气轮机负荷控制

当天然气供气压力充足，通过调节SRV阀开度，P2压力实际值大于P2压力最小限制值，燃气轮机负荷调整和模式切换都不受影响；当天然气供气压力下降，经SRV阀调节后，P2实际值（FPG2）降低，通过与P2最小限制值（FPCRIT）的对比，此时燃气轮机的控制方式可分为四种情况：

（1）0psi

当P2压力实际值(FPG2)下降至与P2压力最小限制值(FPCRIT)的差值大于0且小于5 psig时，根据其控制算法，此时燃气轮机禁止升负荷(LFPG2RI)。

2）FPG2-FPCRIT=0 psi

当P2实际压力(FPG2)继续下降，与P2压力最小限制值(FPCRIT)相等时，此时，燃气轮机开始降负荷，使P2要求压力值(FPCRIT)下降，直到FPG2-FPCRIT>0 psi。

3）P2实际压力在2秒钟内降至FPG2

燃气轮机将快速甩负荷至旋转备用负荷状态（R73FGZ:Spinning Reverse，3～5MW），并触发报警。

4）ΔFPG2=KFPDECRT_D(50 psig)，FPG2

当P2实际压力(FPG2)下降到KFPDECRT_D(50 psig)，且P2小于FPCRIT-KFPFCRIT_LL(6 psig)时，此时燃气轮机触发自动停机程序。

根据以上四种P2压力的控制算法，在P2压力下降时燃气轮机的控制策略如图3所示。

图3  P2压力下降燃气轮机负荷控制策略图

采用P2滑压控制的优点：在确保进入燃烧室供气压力充足的前提下，控制P2压力尽量低，因此，采用P2滑压调节即降低了燃气轮机进入预混模式转换点的天然气压力要求，又能使透平入口燃气温度TTRF1曲线更加平滑，确保DLN燃烧系统各模式切换过程更顺利。

结束语

针对机组全年平均天然气压力低的情况，中油电能气电公司采用具有转换级的DLN1.0低氮燃烧系统，应用P2滑压控制，实现了接近或达到国际上配备标准DLN1.0燃烧系统的同类型燃气轮机水平。

参考文献

[1] 柴志红，刘志勇，万洪军，富兆龙。PG9171E型燃气轮机DLN1.0燃烧调整技术分析[J].燃气轮机发电技术，2015,(9).

[2]GEH-6403，Control System Toolbox.

[3] GEI-100682,Control System Guide.

[4] 中国石油集团电能有限公司气电公司1、2号机组运行规程。

作者简介：

薄  涛（1986.4），男，中国石油大学（华东），工程师，热能动力专业