杨宝轩 窦磊
（北京太阳宫燃气热电有限公司，北京 100028）
摘要：介绍了某电厂对PG9351FA型燃气轮机燃烧系统部件升级情况，将原有DLN2.0燃烧系统升级为新型DLN2.6+燃烧系统，改造后燃气轮机运行方式由扩散燃烧、预混燃烧结合变成全预混燃烧，极大地降低了燃气轮机排气NOx含量，同时延长燃气轮机部件维护寿命，使机组整体运行性能得到显著提高。
关键词：燃气轮机；燃烧器升级；低NOx燃烧。
1 燃烧器改造目的
为改善北京空气环境质量，全面贯彻落实《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发〔2013〕37号）的要求，加快推进脱硝和低氮燃烧技术改造，降低氮氧化物的排放量，缓解大气污染面临的严峻形势，促进大气环境质量的提升。控制NOx的排放量，降低燃气轮机排放NOx对大气环境的影响一直是燃气轮机面临的主要问题。为了降低NOx的排放量，提升燃机燃烧器韦伯指数适应性，同时减小脱硝系统氨水消耗量，本次计划对燃机DLN2.0+燃烧机升级为DLN2.6+燃烧器。
2 燃烧器改造内容
2.1燃机轮机改造总述
本次改造将对燃机燃烧器的18个燃料喷嘴进行升级改造，并更换燃料喷嘴相关的组件，包括燃烧室总成、过渡段组件、过渡段端盖。同时将完成控制系统Mark Vie升级改造，实现燃烧脉动和排放参数的自动调整。
2.2燃烧器喷嘴改造
原燃机轮机DLN2.0燃烧系统为扩散-预混燃烧模式，喷嘴对应型号为D5、PM1、PM4，如图所示：
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图1 GE燃气轮机DLN2.0喷嘴示意图
如图所示，D5喷嘴全称为Diffusion Gas Supply Manifold to 5 Nozzles；PM1喷嘴全称为Premix Gas Supply Nozzle；PM4喷嘴全称为Premix Gas Supply Manifold to 4 Nozzles。其中D5为扩散喷嘴，每个燃烧器共有5个、PM1、PM4均为预混燃烧喷嘴，每个燃烧器分别有1个和4个。由于扩散燃烧为点火初期使用，所以D5喷嘴安装在PM1、PM4喷嘴内部，形成内套型结构，形成扩散燃烧、预混燃烧双通道。
本次改造中采用新型DLN2.6+燃烧系统，该系统取消扩散燃烧，采用全预混状态。全预混燃烧重新设计参与燃烧的空气分配比例的方法，在DLN2.0燃烧室的5个喷嘴的中心处增加了一个小直径的中心喷嘴，形成新的PM1喷嘴，并取消了中心内套的D5喷嘴，DLN2.6燃烧室的中心喷嘴与5个外围喷嘴气动、结构相似，只是缩小了尺寸并简化了一些外形结构；此外，DLN2.6燃烧室的6个喷嘴取消了扩散燃料路，简化了燃烧室结构，使燃气轮机在整个负荷范围内全部为预混燃烧模式。
2.2燃烧附件改造
为了提供更好的燃烧适应性，本次对火焰筒空间进行了优化：同时将导流罩进行更换，增加冷却孔，对实现对火焰筒的冷却；火焰筒内侧TBC隔热涂层和基材加厚，增加TBC涂层有效长度，保证长周期不被烧损；冷却外壳进行加固，避免脉动时常出现的焊口脱焊；将过渡段出口与一级喷嘴连接密封片（上下密封和侧密封片）改为软连接，确保喷嘴与过渡段无硬磨损；提高燃烧部件长周期安全运行。
2.3燃机启动点火系统改造
本次也对机组启动燃烧方式进行改造。DLN燃烧系统控制的目标就是降低燃烧过程中的NOx和CO的排放，而NOx和CO都和燃烧过程的火焰温度有关。燃烧温度降低，CO排放上升、NOx排放下降；燃烧温度提高，NOx排放上升、CO排放下降。寻找最佳火焰温度点为DLN燃烧控制系统的核心。
由于火焰温度可以通过调节预混天然气和空气比例来控制，所以最佳温度点还受制于预混天然气与空气的比值。燃烧室内温度高，工况复杂，即使在燃烧脉动正常、火焰不熄火的情况下，燃烧温度无法直接测量。只能通过透平排气温度、压力；压气机排气温度、压力等参数进行估算，GE公司将这个估算数值命名CRT。
燃机火焰切换点与CRT有直接关系，具体情况见下表。
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表1 DLN2.0+燃机轮机点火燃烧模式切换过程
原DLN2.0系统包含扩散燃烧，燃烧方式为四个过程，分别为扩散燃烧、亚先导预混、先导预混、预混。新DLN2.6+系统为全预混燃烧，燃烧方式为三个过程，分别为MODE 3、MODE 6.2、MODE6.3。
3 燃烧器改造的效果
DLN2.6+燃烧器改造，燃烧模式为全预混模式，更换18个DLN2.6+燃烧器；升级改造后相对于原DLN2.0+系统有大幅的性能提升，包括更好的燃料适用性±5% MWI（韦伯指数）提高至 ±10% MWI；更长的检修间隔，检修间隔从8000小时增加至24000小时；更低的NOx排放浓度，从50mg/Nm3下降到30mg/Nm3，并能够有效降低启停阶段NOx排放浓度以及消除启停阶段烟囱冒出的黄烟，更好的低负荷燃烧稳定性，从额定负荷的60%下降至35，可保证低负荷过夜调节能力。改造后，燃烧系统能够实现自动调整，燃烧脉动能够实现自动调节。
3.1 DLN2.6+改造后性能参数比较
技术改造后，燃机轮机燃烧器适应性有了很大提高，将采用PM1，PM2，PM3的全预混燃烧模式。燃烧温度是控制燃烧产物的重要因素，对于天然气而言，燃烧温度越高，NOX排放浓度越高；燃烧温度越低，CO排放浓度越高。为有效控制燃烧温度，一方面要调节空气过量系数，使燃烧室内燃烧温度降低；另一方面需要使燃烧室温度尽量保持均匀。全预混燃烧模式在引导燃料的引导下，将空气与燃料进行充分混合燃烧，使火焰各部分温度保持相对均匀，即实现燃烧室温度的均匀，从而控制NOX的生成率。但是全预混燃烧在技术上有局限性，只有将空气过量系数控制在一定范围内，才能实现稳定、均匀的燃烧。
为降低由于天然气组分变化、单位数量变化对燃气轮机中燃烧器空气过量系数的影响，项目对燃烧器的控制系统进行了升级。Mark Vie控制系统开发了燃烧脉动监视实时调整模块，实现每秒25次的燃烧脉动调整，保证脉动处于最佳范围内，降低燃烧热部件的疲劳应力，并能抵御由于天然气组分变化造成的熄火及脉动恶化；可自动燃烧调整功能可实现全程预混燃烧模式，实现无黄烟启动，消除了低负荷区域预混燃烧不稳定的弊端，极大地提高机组的可利用率，实现低氮排放。
4 结语
燃机燃烧系统DLN2.6+升级改造后燃烧排烟NOx浓度降低由50mg/Nm3降至20-24mg/Nm3左右，锅炉脱硝后烟囱排烟NOx浓度低于5mg/Nm3，下降幅度均达到50%以上，超额完成预定目标。燃机启停时NOX排放浓度峰值在80mg/Nm3左右，低于改造前峰值50%以上，并且烟囱冒黄烟现象消失。在35%低负荷运行时可以稳定燃烧，燃机燃烧排烟NOX浓度烟囱排放低于15mg/Nm3（北京市标准50%以下）时，锅炉脱硝氨水消耗量下降40%以上，估算每年节省氨水200吨以上。通过2.6+燃烧器改造之后对质量的控制和运行数据的评估，NOx排放、机组振动、燃烧自动调整都达到了预期要求，满足机组长周期安全稳定运行。
参考文献：
[1]温焱明. 重型燃气轮机燃烧系统和控制系统升级改造[D].华南理工大学,2017.