毕业论文-9FA燃气轮机干式低NOx燃烧系统及燃烧监视(定稿).doc
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1、南京工程学院继续教育学院毕业设计说明书(论文)南京工程学院继续教育学院毕 业 论 文9FA燃气轮机干式低NOx燃烧系统及燃烧监视姓 名: 时永兴 学 号: 专 业: 热 动 学 历: 大 学 指导教师: 赵雅菊 函 授 站: 戚 电 中国南京2008 年 12 月目录前言39FA燃气轮机干式低NOx燃烧系统及燃烧监视4摘要4一、燃气轮机燃烧系统概况41.1燃烧室布置41.2气体燃料供给系统5二、燃烧控制系统52.1燃烧模式62.1.1扩散模式(L83FXP)72.1.2次先导预混模式(L83FXL)72.1.3先导预混(L83FXH)72.1.4预混(L83FXM)72.2燃烧模式转换82.3
2、实践问题9三、控制功能的实现123.1燃烧基准温度123.2进口导叶控制123.3进气加热133.4气体清吹系统13四、燃烧监视14五、造成排烟分散度大的一般原因145.1测量145.2燃气系统155.3燃气喷嘴155.4承压室总成155.5燃烧系统155.6一级喷嘴15六、排烟分散度大对燃机的影响16七、排烟分散度允许值TTXSPL的算法17八、报警与遮断18九、实例分析19十、总结21参考文献:22致 谢2222前言燃气轮机的燃烧调整是一个复杂的过程,需要在不同的负荷段作出相应的调整,最终得出一个最佳的燃料燃烧控制曲线。而且燃气轮机燃烧室的动态特性跟燃料温度、压气机入口空气温度、燃料的成分
3、等有很大的关系,在实际的运行中需要不断总结,努力得到最好的燃烧效果。燃烧监视就是通过检测反映排烟温度场均匀程度的排烟分散度,来反映燃烧系统或透平的状况的。当排烟分散度大或者说排烟温度场不均匀时,控制系统及时发出报警,提醒运行人员采取措施,或者直接发出遮断指令,这样以防止事故进一步扩大,危及燃烧室、过渡段或透平的寿命。我们对燃机燃烧过程应有充分的认识,同时在运行中应加以足够的重视。因为,当燃烧真正发生故障时,如果任其发展,将直接导致燃烧室和透平的严重损坏,而对排烟分散度的监视,是我们发现问题的一个极其重要的手段。我们应注意排烟分散度的变化情况,经常把目前的值与以前类似状况下的值作比较,当发现其变
4、化较大时应及时查明原因。因为,当排烟分散度达到或接近允许值时,很可能燃烧室或透平已经有所损坏了,因此,一旦发现排烟分散度有异常的情况,我们就必须积极地采取有效的方法进行检查,把故障排除在萌芽状态。本文在撰写过程中,结合9FA燃机实际运行经验,查阅了燃机控制规范、MK-控制程序图等资料。有不完善之处,欢迎批评指正。9FA燃气轮机干式低NOx燃烧系统及燃烧监视戚墅堰发电有限公司 时永兴摘要:本文详细介绍了PG9351FA燃气轮机中DLN2.0+燃烧控制系统。系统的对燃烧室布置,气体燃料供给系统,燃烧控制系统,燃烧模式,燃烧模式转换,燃烧基准温度,进口导叶控制,进气加热系统,气体清吹系统进行了说明。
5、该系统可以获得最佳的燃烧效果及低NOx生成,并完成燃气轮机机组运行各阶段的控制任务,如点火、燃料流量的控制和分配。给出了各模式下期望的参数值。并根据PG9351FA燃气轮机的DLN2.0+燃烧特性,详细介绍了燃机排烟分散度及造成排烟分散度大的原因。阐述了分散度大对燃机的影响,同时还对控制系统中排烟分散度允许值的计算方法进行了简单的说明。列出了GE提供的排烟分散度大报警与遮断算法。最后通过我公司1、2燃机投产以来,发生的数次排烟分散度大故障实例进一步说明了燃烧监视在燃机运行中的重要性。关键字: 燃气轮机;燃烧控制;运行监视;分散度;遮断一、 燃气轮机燃烧系统概况1.1燃烧室布置GE公司PG935
6、1FA燃气轮机机组共有18个分管、逆流型燃烧室,每个燃烧室有5个燃料喷嘴,整台机组共有90个燃料喷嘴。燃烧室型号为DLN2.0+型。在18个燃烧室中只有顶部2个燃烧室2、3设有高能点火装置,其余燃烧室通过联焰管联焰。在15号、16号、17号和18号燃烧室上装有4个火焰监测器,4个火焰检测器采用闭式冷却水冷却。该燃烧室可烧天然气、蒸馏油和中热值的气体燃料,还可以注入蒸汽或水来抑制NOx的形成。燃烧室外壳的材料为SA/516-55钢;火焰筒的材料为HS-188(镍基合金钢),内表面加隔热涂层;过渡段的材料为Nimonic263(镍铬钛合金钢)。DLN2.0+燃烧室主要由火焰筒、过渡段、导流衬套、帽
7、罩、喷嘴、端盖、前外壳和后外壳等部件组成。其中,端盖、喷嘴、前外壳和帽罩又形成了一个可以单独拆卸的头部组件。每个燃烧室外的头部均布置有5个扩散预混喷嘴,5个喷嘴沿圆周方向均布。DLN2.0+燃烧室的燃料是分级供应的,设有1个速度比例/截止阀(SRV)和3个控制阀(GCV1、GCV2、GCV3),其控制系统比传统的气体燃料控制系统更为复杂。气体燃料的供应分为3条管路(PM1、PM4和D5):PM1管路供应1个喷嘴、PM4管路供应其余4个喷嘴、D5管路仅在点火至低负荷时供应全部喷嘴。速度比例/截止阀(SRV)用来调节控制阀前的气体燃料压力p2,3个控制阀(GCV1、GCV2、GCV3)用来控制通向
8、3条管路(PM1、PM4、和D5)的气体燃料流量。1.2气体燃料供给系统气体燃料供给系统见图11。图11气体燃料供给系统气体燃料系统包括气体燃料辅助截止阀,气体燃料截止/速比阀,扩散D5气体控制阀,PM4气体控制阀,PM1气体控制阀。截止/速比阀SRV是用来维持控制阀与速比阀之间所期望的压力P2。DGCV、PM1 GCV和PM4 GCV是根据控制系统所发出的FSR命令来调节送到燃气轮机的气体燃料流量。二、 燃烧控制系统燃烧控制系统软件名称为DLN2.0+,对多喷嘴燃烧室的燃料供给起调节分配作用,用以实现运行各阶段对燃料量的不同需求。在点火扩散燃烧到高负荷完全预混燃烧的整个过程中,通过燃料分段供
9、给和燃烧模式转换有机结合,在燃烧基准温度(TTRFl)高于1243.3的温度时,NOx的排放量明显降低。研究表明,NOx在燃烧过程中的生成率不仅是燃烧火焰温度的函数,同时是可燃混合物在火焰温度条件下停留时间的线性函数。燃料稳定时,燃烧温度则是燃料/空气混合化学当量比的函数。随着当今世界各国对环境保护的要求越来越高,GE公司采用了先进的燃烧控制技术,有效地限制了在燃烧温度较高时NOx的大量生成。因此GE公司给出了预混模式在TTRFl=1232.2和TTRFl=1337时所期望的参数值(见表21)。表21预混模式所期望的参数值但是在实际的调试中,GE公司推荐在任何工况下,NOx的排放量不允许小于9
10、lO-6。2.1燃烧模式燃烧模式与燃料控制阀运行见表22。表22 燃烧模式与燃料控制阀运行2.1.1扩散模式(L83FXP)在这种模式下,所有的气体燃料直接到每个燃烧室的五个扩散喷嘴。此时,GCV3通路使用CPD空气清吹。从燃烧温度的严格定义来划分则是从点火到带负荷至燃烧基准温度1093,或减负荷至燃烧基准温度1065.6直至熄火,扩散燃烧是一个正常的运行模式。2.1.2次先导预混模式(L83FXL)在这种模式下,燃料在两个气体控制阀之间分配。G1设定为总燃料量的某一百分值。G2(PM1)运行在这种模式的一个较大输出量来优化燃烧动力特性,但是必须注意不能超过在此模式下定义的最大输出值。次先导预
11、混是在Ll4HS和FXKTH加负荷以及FXKTH-FXKTHDB到Ll4HS之间的燃烧模式。次先导预混模式是稳态的FSNL运行模式。2.1.3先导预混(L83FXH)在这种模式下,燃料在三个气体控制阀之间分配。Gl为某一百分值,G2Gl,而G3=100% -Gl-G2。通常在G2和G3之间给出一个偶数比例预混分配,例如比例是2:8。在保证排放物符合要求的情况下,使预混燃烧慢慢地退出偶数分配来优化燃烧动力特性是常用的方法。先导预混是在燃烧基准温度FXKTH到FXKTM加负荷以及FXKTM-FXKTMDB到FXKTH-FXKTHDB减负荷之间的燃烧模式。通常先导预混是燃烧基准温度从1093.3加载
12、到1243.3或从1243.3减负荷到1215.6之间的一种燃烧模式。2.1.4预混(L83FXM)在预混模式下,所有的燃料直接输送到G2和G3,分别供给PMl和PM4。通常在G2和G3之间给出一个偶数比例分配,例如是2:8。在保证排放物符合要求的情况下,使预混燃烧慢慢地退出偶数分配来优化燃烧动力特性是常用的方法。2.2燃烧模式转换DLN2.0+燃烧技术的成功应用就是使燃气轮机的燃烧模式在不同的工况下进行合理转换来实现对燃烧基准温度的控制,保证机组的最佳运行工况和满足排放要求。GE公司推荐的燃烧模式转换点见表23。表23推荐的燃烧模式转换点在此基础上,GE公司给出了加负荷时典型的燃烧和清吹转换
13、过程(见表24),以及减负荷时典型的燃烧和清吹转换过程(见表25)。表24典型的加负荷流程表25典型的减负荷流程对于9FA燃气机组,由于没有PMl的清吹系统,所以在实际运行中也就没有这条燃料通路的清吹。同时在现场调试中,要根据机组的动态特性和排放量的要求对具体的控制常数作出适当调整,使燃烧系统获得最优化。图21和图22给出了9FA单轴燃气机组在启动和停机过程中实际的燃烧切换过程。图21机组在启动过程中的燃烧模式切换图22机组在停机过程中的燃烧模式切换2.3实践问题(1)如果机组运行在先导预混并且有一个发电机断路器跳闸事故发生,所有的燃料需要立即输送到Gl阀门,因此FXSGl和FASGlC会转换
14、到100%。另一情况,当从次先导预混过渡到先导预混,FXSGl会从FXSGl.LC(Gl次先导基准)转换到FXSGl-HC(Gl先导基准)。但是FXAGlC只是在这些值之间过渡转换,因此当预混燃料在G2和G3供给时,扩散燃烧流量基准以平滑的线性方式转换为零。(2)每个燃料控制阀在运行中都会产生一定的压力降,因此控制阀后燃气母管压力也就有变化。如果保证了基本的压降,质量流量则是上游压力p2、燃气温度和阀门开度的函数。对于恒定的燃气温度和入口压力p2,流量仅仅是阀门开度的函数。因为压力p2是3个控制阀入口的压力,如何控制速比阀保持一个恒定的p2也就十分的重要,所以把压力基准设计为是转速的函数,具体
15、的函数关系是:FPRG,TNH,FPKGNG+FPKGNO。在机组启动过程中,随着转速的升高,FPRG输出增加,p2增加。当机组达到全速后,机组转速基本恒定,所以P2也就相对恒定了。当速比阀打开命令失去时,FPRG的输出变化为-40%,使速比阀关闭。为了在不同尺寸的燃料控制阀之间合理地分配流量,需要使用一个CG基准来决定适当的阀门基准。值得注意的是,在TTRFl大于1037.8之后,辅助截止阀前的压力即p1不能低于2.94MPa,如果低于该值,燃气轮机也要降负荷运行。(3)在每个控制阀给出一个流量基准后,流量基准又转化为一个CG基准FQRGnCG。CG称为燃气校准系数,把经由阀门的临界流量与入
16、口压力p2联系起来。然后CG基准转化为阀门标定模块使用的阀门行程基准,在阀门CG基准和行程之间执行一个简单的线性插值运算,产生一个信号FSRGn去动作阀门。当控制阀允许打开命令L3Gn失去时,伺服输出块输出一个负向25%的电流信号来关闭阀门。(4)对于燃烧基准温度(CRT)高于1037.8的先导预混和所有的预混模式,燃料温度必须保持在指定的范围,至少要高于142。韦伯指数跟燃料温度成一定的函数关系,当燃料温度太低时,就会造成韦伯指数低而引起机组降负荷。(5)如果SPPM失效,机组运行在燃料温度高于51.7,及TTRFl高于815.6的扩散模式超过45s时,会产生以下报警:燃料温度高降低燃料温度
17、,或使机组进入PPM防止降负荷。使用正常的加载速率,从815.6到871.1 CRT需要33s。如果机组运行在燃料温度高于51.7,同时CRT高于815.6的扩散模式超过3min时,调节器会使CRT降低到787.8。一旦机组被卸载,计时器会复位。除了卸载之外,任何自动的加载机械装置预选的负荷会被清除,防止在降负荷命令发出后再自动加载返回到CRT815.6。换句话说,为了加载机组,需要操作人员的参与。同时发出扩散燃烧燃料温度高、调节器输出降低的报警信息。(6)任何时候气体燃料温度超出193.3均会报警。如果燃料温度超出201.6,将会报警并发出一个自动停机命令。(7)预混分配偏置(FXG2.MX
18、.B)在预混过渡瞬间从G2(PMl)减少燃料,并增加到G3(PM4)。偏置默认的常数是零,但是如果过渡不稳定,可以调整到4%。对于过渡到预混,随着D5清吹的开始,引入此偏置,并且在D5清吹控制阀达到此时规定的最大清吹位置时结束。对于过渡到先导预混,偏置随着L13FXHS触发而有效,并且随着L3FXHB触发而变为无效。在预混过渡不稳定时,偏置倾向于在现场调整。但是如果使用4%或更大的值,要咨询燃烧工程师。还有随着气候的变化,以及燃气成分的变化和部分控制阀由于长时间没有准确校验,会使燃气轮机在燃烧切换过程中造成熄火,这种情况下可以适当调整一下燃烧模式的切换点或者调整PMl的燃料流量分配比例,但要得
19、到GE公司工程师的同意,更多帮助寻求GE公司技术部门的支持。 图23先导预混到预混模式的转变和逆变图24扩散燃烧到先导预混的转变和逆变图23和图24表示在不同的燃烧模式之间转换时,燃料流量是如何分配控制的。(8)我们可以来监视速比阀和控制阀跟踪设定值命令的能力。如果在一个规定时间内阀门设定值命令与阀门的实际位置有偏差,操作员就会得到一个报警提示。如果这种情况持续一个比较长的时间,透平就会跳闸并给出一个跳闸报警提示。三、 控制功能的实现3.1燃烧基准温度燃烧基准温度信号TTRFl是由DLN2.0+控制软件计算产生的。这个方程式是把TTRFl作为中间排气温度TIXM、压气机排气压力CPD、入口温度
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