当燃气轮机热通道部件性能老化或损坏,大气条件、燃气参数变化较大时,燃气轮机燃烧状况可能会出现劣化的趋势,对应的现象为燃烧室压力波动(即燃烧室振动)变大,可能导致火焰筒、过渡段等热通道部件损坏、火焰稳定性降低、NOx含量增加等危害。为了实现空燃比的最优化调节,调整燃烧至最佳的状况,M701F3型燃气轮机专门设置了独立于主控制系统的高级燃烧压力波动监视(Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor,ACPFM)系统,对燃烧器旁路阀控制信号和值班燃料控制信号进行自动调整。
为了直接监测燃烧室燃烧情况,M701F3型燃气轮机在每个燃烧器上各安装一个燃烧室压力波动速度传感器,并在#3、#8、#13和#18燃烧器上再各安装一个燃烧室压力波动加速度传感器。传感器测得的信号经过日本三菱公司设计的专用振动接口模块(Vibration Inter-face Modu1e,VIM)后转换为频谱信号,并根据频率的大小分解为九个频段。ACPFM系统则针对每个CPFM信号的9个频段分别进行分析处理。
为了能够进行精细的燃烧调节,除了检测关键的燃烧室压力波动及振动加速度信号之外,还需要检测各种参数,如负荷、压气机出口压力、温度、叶片通道温度偏差等,通过回归分析的数学处理,得到稳定燃烧区域的预测。然后根据预测结果对燃烧室旁路阀及值班燃料比例进行调节。
图3-104所示是一般情况下燃烧器旁路阀开度及值班燃料比例所分别对应的正常燃烧区域。由图3-104所示可知,在燃气轮机低负荷运行时,旁路阀开度若减小,参与燃烧的空气量增加,空燃比增加,燃烧温度降低,低频段燃烧压力波动增大,易导致燃气轮机熄火;反之,旁路阀开度增大则容易引起1700/3400Hz的压力波动。随着燃气轮机负荷的升高,增大旁路阀开度使参与燃烧的空气量减少,空燃比降低,燃烧温度提高,将增大燃烧过程中NOx排放量和中间频段的压力波动。当机组负荷到达满负荷时,燃烧器旁路阀应全关。对于值班燃料比例,在机组低负荷运行时,值班燃料比例若减小,燃烧温度降低,扩散火焰的强度不足以维持稳定燃烧的要求,易引发低频段的压力波动而导致熄火;反之,值班燃料比例增大则容易引起1700/3400Hz的压力波动。随着燃气轮机负荷的升高,过高的值班燃料比例会增大NOx排放量及引发4400Hz以上的压力波动,过低的值班燃料比例则会引起中间频段的压力波动。
图3-104 正常燃烧区域
以图3-105所示为例,由于某些扰动的影响,根据稳定性预测,燃烧将进入阴影部分的非稳定区域(标注星的地方),此时就需要调整燃烧至非阴影范围内。相应的调整方法可以分别通过调整燃烧器旁路阀开度和值班燃料比例来实现,调整结果如图3-106所示。
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图3-105 调整前的燃烧工况曲线
图3-106 调整后的燃烧工况曲线
如上所述可总结出实际的自动燃烧调整过程:ACPFM系统对采集的燃烧室燃烧状况数据进行分析,并自动对燃烧状况进行动态修正,通过这样不断地闭环反馈的方式反复调整,确保燃气轮机燃烧处于正常区域。
某些异常情况下,当燃烧调整无法维持正常状况时,ACPFM系统会发出报警;当燃烧持续恶化,燃烧室压力波动超过限值时,CPFM系统联锁保护功能(RUNBACK或跳机)将动作。M701F3型燃气轮机燃烧波动的管理方法如图3-107所示。
图3-107 M701F3型燃气轮机燃烧波动管理方法
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