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摘要：本文描述了西门子SGT6-5000F（5）所使用ULN燃烧器部分关键的保护和调整的特点，这种燃烧器已经运用于最新的SGT-8000H燃机，即将在国内投产，因此西门子独特的燃烧器设计结构和保护理念值得学习和借鉴。
关键词：燃气轮机；ULN；ACDMS
沙特扎瓦尔电厂拥有12台西门子SGT6-5000F（5）燃机，此型号燃机是西门子收购的美国西屋燃机W501F经过改型而成，安装了商业上称为“超低氮氧化物”（Ultra Low NOx）燃烧器。ULN系统除了采用常规的扩散燃烧值班燃烧以外还具有采用预混值班级的五阶段预混合燃烧过程，装配这种燃烧系统保证Siemens SGT6-5000F燃气轮机世界级的可靠性和操作灵活性，相关技术已经用于SGT6-3000E，SGT6-6000G和SGT5-8000H等相关机型当中.本文将介绍ULN燃烧器基本的构成和在运行的典型保护和自动调整，从中可以了解西门子ULN燃烧器的运行中突出特点。
1 燃烧系统简介
SGT6-5000F（5）燃机燃烧系统拥有16个双燃料燃烧器，每个燃烧器的燃气系统主要包括A、B、C、D、P stage五级燃料节流阀和喷嘴。燃油作为备用燃料，燃油系统主要有A、B、P stage三级燃料节流阀和喷嘴。燃烧器主要包括燃烧器导流衬套（combustor basket）；燃烧器（support housing）；和过渡段（transition）组成（图一）。DLN燃烧器中心采用两级值班火焰模式的喷嘴，称为值班火焰，包括扩散级P stage和先导预混级 D stage，采用了旋流器燃料喷射（swirler fuel injection）技术。其外围布置了8个预混主喷嘴，这8个预混喷嘴被分成两个燃料级：A stage和B stage，每个燃料级均有四个喷嘴。值班喷嘴采用强旋流的气动设计，出口处形成稳定的回流区使火焰稳定，主喷嘴出口处不会形成回流区，C stage是经燃料小环管套在燃烧器导流衬套外部，压气机排气逆流进入燃烧器前与C stage的燃料进行充分的混合。在整个运行工况范围内，值班喷嘴P stage一直供应燃料，在60%～100%的负荷范围内，生成的理论NOx、CO的体积分数低于9 ppm。
（图一：燃烧器截面图）
5000F（5）燃机ULN燃烧器从点火开始由值班火焰P stage 和A stage承担加速需要的燃料量，在并网转速3600rpm时D stage投入运行，在25%负荷以下A stage、P stage和D stage节流阀投入运行保证燃机低负荷运行时的稳定性和控制低CO排放量。燃机负荷逐渐增大到25%负荷以后，B stage节流阀开始投入并与A stage节流阀一起逐渐增加燃料量，扩散燃烧P stage节流阀开始逐渐减小以减少NOX排放量。燃机负荷达到45%负荷以上时C stage节流阀开始投入，增强了预混燃烧，增强了燃烧的稳定性。燃机负荷超过80%负荷后，燃烧主要由A stage和B stage两级主燃料阀供应，P stage和D stage仅仅在火焰中心提供值班稳燃火焰并且流量被限制在最小范围内。既保证了稳定的火焰强度，又保证了最低的NOX排放量，每当负荷出现波动或者燃烧出现脉动时，P stage将开大保证整个燃烧稳定。在使用燃油运行控制方式也类似，但在高负荷情况下，将引入注水降低NOX的排放，可以达到燃气70%左右的效果。
2 ULN燃烧系统的特点
相对于GE的DLN2.0+燃烧器和西门子V94.3（4000F）的DLN燃烧器，ULN燃烧器有三个显著的特点：特点一：西门子燃机SGT6-5000F（5）拥有燃烧器回火检测系统，每个燃烧器有2支回火热电偶和2支预回火热电偶，分别反映出Pilot stage和D stage和主燃料A stage和B stage的燃烧情况（如图二）。主要的作用是通过回火和预混回火温度与压气机排气的温度（即空气与天然气混合前的空气温度）差反映出Pilot stage、D stage和主燃料A stage、B stage燃烧器火焰的变化，5000F（5）燃机回火和预混回火温度正常情况下要比压气机的排气温度低，如果回火与预混回火的温度超过压气机排气的温度就会触发降负荷甚至跳闸，回火间隙的减小会造成部件的损坏，并且在极端的情况下会导致跳闸中断，因此在燃机运行过程中检测回火的间隙是一项非常重要的工作。西门子燃机采用了很多重保护来规避风险。其中在燃机负荷率高于50%时，回火和预混回火任何一支温度超过压气机的排气温度28℃就会触发燃机以20MW/min的速度降负荷；在前面自动降负荷条件触发的前提下，任一燃烧器上的两支回火或者预混回火温度与压气机排气温度差超过56℃或者任一温度与压气机排气的温差继续增大超过280℃则触发燃机跳闸；同一燃烧器上的两支回火或者预混回火的温度坏点也同样会触发燃机降负荷等。
特点二：西门子SGT6-5000F（5）燃机拥有动态燃烧监测系统ACDMS（Active Combustion Dynamic Monitoring），这个系统每个燃烧器壳体上的一个压力变化频率检测探头检测到的压力变化数据经过VM600的数据处理，将压力变化信号转换为频率信号，反映出燃烧室燃烧脉动情况，进而反应出燃烧室内燃烧的稳定程度，其中H：高1值为报警（warning）；HH：高2值为自动降负荷报警（auto unload alarm）；HHH：高3值为跳机报警（trip alarm），报警参数如下图。
5000F（5）燃机在实际的运行过程中，燃烧室低、中、高频的变化受环境温度、湿度以及五级节流阀燃料配比的直接影响和燃机排气中NOx含量的间接影响。在调试期间进行的燃烧调整也是根据燃烧室的压力动态监视系统（ACDMS）参数进行调整，保证燃机全负荷各阶段的动态频率为最小。同时可实现在线自动调整各级节流阀的燃料量以达到控制因环境温度、湿度和天然气热值的变化造成燃烧不稳定的情况。
当燃机出现燃烧室燃烧不稳定，出现低、中、高频报警并触发自动降负荷后，燃机会根据不同的频率报警设定不同的降负荷速率，最大速率可达300MW/min。直到燃机的频率报警消失才可以手动复位降负荷指令。当频率报警到达高三值时燃机会直接甩负荷跳闸。但是通过有效的调整可以实现动态频率和低NOx的排放目的，就是后面要重点讲到的西门子ULN低氮燃烧器的特点三。
特点三：西门子SGT6-5000F（5）拥有连续排放物检测系统CEMS（烟气监测系统），5000F燃机采用ULN超低氮燃烧器的技术的更大作用是降低NOx的排放，并且5000F（5）燃机与其它燃机厂家的燃烧器不同的是它可以实现在线的微量调整以进一步降低NOx的排放。
5000F（5）燃机的CEMS首先测量燃机尾部排气中的NOx的含量，当烟气中Nox含量超过20PPM时，燃机的A、B、D三个stage的天然气节流阀（控制阀）会自动的进行微量调整。其中A stage与B stage天然气节流阀会增加天然气流量控制指令，即增加燃料量。因为A stage和B stage的燃烧是预混燃烧，预混燃烧的火焰温度相对较低，所以这种燃烧方式下的NOx的排放量也相对低。所以在这种情况下增大A stage和B stage节流阀的燃料既保证了燃机负荷的同时又最大限度的降低NOx的排放量。而D stage则会自动调小天然气流量控制指令，即减少燃料量。因为D stage的燃烧方式为先导预混燃烧方式，其作用是保证燃机排气在一定NOx含量的情况下稳定燃烧。但既然是微量调整，所以D stage控制流量的百分比被限定在-1%～1%。而A stage和B stage节流阀也是根据D stage节流阀流量控制的百分比进行调整。在调整过程中也会产生一定的副作用，就是容易出现燃烧动态压力波动，会容易造成燃机燃烧器出现低、中、高频报警。所以燃机在自动调整烟气排气中NOx含量的同时又要保证机组的稳定燃烧而设定当低、中、高频到达高一值报警或者烟气中NOx含量小于8ppm时，就会向反方向调整A stage、B stage、D stage节流阀的燃料量，在经过反复几次微量调节后，燃机的NOx排放量和频率波动会逐渐趋于稳定。如果出现低、中、高频到达高二值时，燃机触发自动降负荷并且P stage节流阀也会进行微量调整，通过微量增大阀门开度，继而增大P stage燃料量以达到稳定燃烧的目的。如果调整过程中低、中、高频仍然无法调平就会触发燃烧频率高三值保护导致燃机跳闸。
3 结束语
相对于DLN2.0+燃烧器的扩散燃烧-亚先导预混燃烧-先导预混预混-预混燃烧这种切换模式，ULN燃烧器只投入不退出的燃烧模式要稳定的多。并且这种燃烧器的燃料适应性很强，华白指数越大的天然气，Nox的排放也会略有增加，并且燃烧过程中的火焰形态也会变化，CEMS和回火热电偶检测系统的配合可以予以调整。5000（5）燃机在设计中天然气前置站还设计了webbo计量仪（用于检测天然气的热值）可以和燃烧器配合实现更大范围燃料的适应（目前暂未投用），这种设计充分保证了燃烧器的稳定燃烧。扎瓦尔电厂12台燃机投运五年多来，未发生过由于燃烧不稳定造成的熄火现象，相对于国内主流GE 9F燃机使用的DLN2.0+或者改进的DLN2.6+燃烧器稳定性上有很大的优势，ULN这种燃烧器的燃机不需要频繁的进行燃烧调整，并且燃烧没有明显的模式切换点，不会出现GE燃烧切换时出现的脉动熄火情况，整个负荷区域都保持稳定燃烧，在西门子最新的SGT-8000H上依然沿用这种设计思路的ULN燃烧器。
参考文献：
[1]西门子SGT6-5000F（5）控制系统逻辑
论文作者:王永果,程际宇
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/20
标签：燃烧器论文; 节流阀论文; 负荷论文; 燃料论文; 喷嘴论文; 温度论文; 稳定论文; 《电力设备》2019年第14期论文;