M701F390MW级联合循环燃气轮机运行调整关键技术研究.pdf

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1、 摘 要 燃气轮机及其联合循环发电作为一种环保、清洁、高效、调峰性能好的先进发电技术，在全世界范围内得到了广泛的发展和应用。世界能源机构预测，到 2 0 2 0年，全球天然气发电将占到 3 0 左右。为了优化能源结构、提高能源效率和进一步节能减排、保护生态环境，我国提出了“大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电，适度发展天然气发电”的电力发展方针，专家预测，到 2 0 2 0 年，我国天然气发电将占到 6 7。由于 F 级燃气轮机燃气蒸汽联合循环电站在我国内地建设起步较晚，对该类机组发电技术的研究也比较少，它包括燃气轮机设计与制造、电站设计、机组安装与调试、试验及天然气燃料供应等多方面。近几

2、年，随着我国加快引进建设 F 级燃气轮机联合循环电站的步伐，企业对该类发电技术的要求迅速膨胀，本文将在结合广东省某电厂 3 9 0 M W级 L N G 电厂调试经验的基础上，对燃气轮机机组燃烧调整关键技术进行研究。本项的目研究目标是：介绍三菱重工生产的 M 7 0 1 F 燃气轮机结构性能特点，分析联合循环发电机组基本特性和性能特点，研究我国建设的该类型单轴联合循环机组运行方式及其控制特点，借鉴燃煤机组的调整优化和试验的成功经验，重点研究单轴联合循环发电机组燃气轮机的燃烧调整优化技术，针对单轴联合循环机组调试期间、商业运行期间检修后燃气轮机燃烧调整的关键技术制定调整优化试验技术，以燃烧学、空

3、气动力学等理论知识为支撑，在结合某电厂的M 7 0 1 F 燃气轮机调整优化方法和试验数据的基础上，总结出该类型机组燃烧调整优化试验的方法。通过本项目研究，最终形成一套完整的单轴联合循环发电机组调整优化和试验技术，为 F 级燃气轮机联合循环机组燃烧优化调整工作较为完整的理论支持和经验借鉴。关键词：燃气轮机，运行调整，关键技术，研究 Abstract Gas turbine and the gas-steam combined cycle power plant as an advanced power technology for it s environment protection,cle

4、anness,high efficiency and well-variable load has been used widely around the world.Thirty percent of total energy production will be produced by gas power plant in 2020 year,the data from the world energy association prediction。To optimize the energy construction,increase the energy efficiency,decr

5、ease the harmful exhausts and prevent environment,nation constitute the energy policy that develop the hydraulic power hardly,develop the normal thermal power optimization,develop the nuclear power energetically,develop the gas power plant adequately.Experts forecast that 6-7 percent of total energy

6、 production will be produced by gas power plant in 2020 year in our nation.The research is inadequate which include the gas turbine design and manufacture,power plant design,equipment installation,equipment regulation and test,gas supply f or lagging build of F class gas power plant in our nation.Th

7、is research is meeting the requirement of building the gas turbine fleetly in many company and their strong requirements of gas turbine technology recently,and it bases on the regulation experiences of some LNG power plant in Guangdong province.There are three aim of this research include:Firstly,th

8、e research will focus on the construction and performance of M701F gas turbine manufactured by MHI.Analysis the performance and basic characteristics of gas and stream combined cycle power plant.Research the operation mode and control style of the gas turbine power plant in our country Secondary,sum

9、ming-up the successful combustion regulation experiences of the normal thermal power,emphasis research on the combustion technique of the single-shaft gas turbine constructed in nation.Thirdly,using the method of combustion and aerodynamic and combine the test data application in the M701F gas turbi

10、ne power plant in Guangdong province,summing-up a kind of gas turbine combustion technique lastly.Giving a well type of the M701F gas turbine combustion technique throw the last research and grown-up experience in the same project in the future.Keywords:gas turbine，power technology，combustion,key te

11、chnique,optimization,research 目 录 第一章 燃气-蒸汽联合循环发电技术简介.1 1.1 燃气-蒸汽联合循环发电机组的组成.1 1.2 燃气-蒸汽联合循环发电的特点.2 1.2.1 各种类型发电技术特点比较.2 1.2.2 联合循环发电机组的基本特性.4 1.2.3 联合循环发电机组的现状.5 1.3 本章小结.5 第二章 典型 F 级燃气轮机联合循环发电机组结构特点及其性能介绍.6 2.1 M701F 燃气轮机总体结构.6 2.2 M 7 0 1 F 燃气轮机设备结构其特点介绍.6 2.2.1 M701F 燃气轮机压气机结构.6 2.2.2 M701F 燃气轮机

12、燃烧室结构.7 2.2.3 M701F 燃气轮机透平结构.7 2.3 M 7 0 1 F 燃气轮机简单循环总体性能参数.9 2.4 M 7 0 1 F 燃气轮机联合循环总体性能参数.10 2.5 M 7 0 1 F 燃气轮机发电机组特点及运行方式.10 2.5.1 M 7 0 1 F 燃气轮机发电机组特点.10 2.5 本章小结.11 第三章 3 9 0 M W 级联合循环燃气轮机燃烧优化技术方法及试验.13 3.1 三菱重工 M 7 0 1 F 燃气轮机燃烧调整理论及试验方法.13 3.1.1 概述.13 3.1.2 燃烧调整的目标.14 3.1.3 主要监测手段.15 3.1.4 燃烧调整

13、方法.21 3.1.5 燃气轮机燃烧与运行特性研究.23 3.2 M701F 燃气轮机在某电厂优化调整试验.43 3.2.1 燃气轮机负荷在 1 8 0 M W 和 2 0 0 M W 负荷时的燃烧调整试验.43 3.2.2 燃气轮机在满负荷时的燃烧调整试验.50 3.3 本章小结.57 第四章 结论.59 参考文献.60 致 谢.62 第一章 燃气-蒸汽联合循环发电技术 1.1 燃气-蒸汽联合循环发电机组的组成 燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。其基本工作原理是：燃气轮机的进气室不断的从大气中吸入空气，经过压气机对空气进行压缩做功后，进入燃烧室内与燃料（轻油、重油、天然气、煤制合

14、成气）等混合燃烧后，产生的高温烟气进入透平内膨胀做功，通过轴端输出功率。燃机排气温度较高，进入余热锅炉后加热给水产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机做功。在联合循环发电方式中，按照发电机与燃气轮机、蒸汽轮机的连轴方式分为多轴和单轴，E 级燃气轮机联合循环机组多数为多轴即燃气轮机拖动一台发电机，蒸汽轮机也拖动一台发电机。F 级燃气轮机联合循环发电机机组连轴方式有多轴也有单轴，单轴联合循环发电机组主要由四大部分组成即：燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机组1。其基本流程如图 1-1 所示 图 1-1 燃气-蒸汽联合循环发电基本流程图2 gas turbine Basic composition of Comb

15、ined Cycle Power Plants fuel exhaust gasgenerator heat recovery steam generator steam turbine gas turbine Basic composition of Combined Cycle Power Plants fuel fuel exhaust gasgenerator heat recovery steam generator steam turbine 1 1.2 燃气-蒸汽联合循环发电的特点 1.2.1 各种类型发电机组特点比较 目前我国各类原动机在电网结构中的大致情况如下：常规燃煤机组占

16、有的比例大于70%，其次是水电机组和核电机组，燃气发电机组所占的份额相对较低，目前约为 1-2%，风力发电虽然是国家能源政策大力发展的方向，但因为其投资成本和风能资源的局限性受到一定程度的制约，目前在电网中所占份额很小3。本文从发电机组的效率、投资、环境影响、对电网稳定性作用即调峰性能等几个方面对各类发电形式进行比较，见表 1-1 表 1-1 各类发电形式特点对比表 电网中各类发电形式 基础投资、运营成本 环境影响 调峰性能、电能品质 发电效率 常规燃煤电厂（包括煤粉炉和循环流化床机组）投 资 约 为 每K W H 4 0 0 0-5 0 0 0元，投资费用相对中等，但运行成本受到一次燃煤价格

17、波动较大。N Ox的排放仍然是一个关注点。电 能 品 质 稳定，调峰性能差。常规燃煤电厂受材料和制造工艺的限制，发电效率在 4 5%以下。水电机组（包括常规水电站和抽水蓄能电站）一次性基础投资大，运营成本低。对河流水生物的生物链影响较大。机组调峰性能好，但发电能力受到季节和气候影响大。发电效率较高 核电机组 一次性基础投资大，运营成本低。安全运行时对环境影响小，较其他发电方式对安全生产的投入较大。目前只能带基本负荷运行，不具备调峰能力。发 电 效 率 约 为3 4%2 燃气-蒸汽联合循环发电机组 一次性基础投资适中，约为每千万时6 0 0 0-7 0 0 0 元。燃料成本相对稳定（天然气执行

18、2 0年不变的合同价格）硫化物排放基本为零，F级燃气轮机的氮氧化物排放量在 2 5 p p m 以下。具有启动时间短，负荷变化快，调峰性能好。F级联合循环发电效率可以达到5 7%左右。风电机组 一次性基础投资较大，运营成本低。除噪声以外无其他环境影响。受风力资源制约，电能品质不稳定，调峰性能差。发电效率较高 1.2.2 联合循环发电机组的基本特性 与常规燃煤机组相比，F 级燃气轮机联合循环发电机组具有以下优点4-6：1）供电效率高 F 级燃气轮机联合循环发电机组供电热效率高达 57以上，而超超临界蒸汽轮发电机组供电效率也仅 45左右。2）污染物排放少 F 级燃气轮机普遍采用洁净的天然气为燃料，

19、通过低 NOx燃烧室燃烧后，NOx、SOx及 CO2的排放相当少。3）启停时间短，加减负荷迅速 F 级燃气轮机启动迅速，点火后 20min 内便能并网发电，且机组加减负荷迅速，热态下，联合循环机组从启动到带满负荷约 60min左右，便于调峰运行。4）自动化程度高，运行维护方便 F 级燃气轮机采用模块化设计，系统自动化水平高，可以实现一键启动和停机，正常运行中采取全自动控制，需要运行值班人员很少，运行维护方便，管理费用下降。如国外一台“一拖一”单轴联合循环机组一班仅有 2 名运行人员操作。5）部分负荷下的热经济性高 联合循环发电机组通常几台单轴联合循环机组共成一个电站，或一台联合循环机组由几台燃

20、气轮机简单循环和一台高参数的蒸汽轮机构成，机组不但在 100负荷时热效率高，在部分负荷时，可以通过停运其中的一台或几台机组来保证整个电站的发电效率，使得机组在部分负荷下的热经济性高。36）其它建设投资优势 由于燃气轮机采用模块化设计，联合循环电站因没有常规燃煤机组的煤粉处理系统及后续污染物排放处理系统，因而整体占地面积少，比投资费用低，建设周期短，生产现场干净整洁。当然，联合循环发电机组也有自己的不足，特别是在天然气燃料成本高、燃气轮机发电设备目前还依赖于国际供货商的今天。主要有7：1）机组的出力和效率受环境条件（温度、湿度和海拔）影响明显，特别是环境温度。这主要是因为燃气轮机的做功能力与压气

21、机效率有关，温度升高，空气密度减少，导致燃机做功用的空气流量减少，同时压气机耗功增大，使得燃机出力和效率下降。环境温度每提高 10，燃机出力约降 48%，效率约降低 0.8%2%。2）燃料成本不确定性。由于 F 级联合循环发电机组设计只能燃用天然气、轻柴油等优质燃料，目前这些资源尚属紧缺，在燃料成本上存在某种不确定性。在对发电成本的环保效应没有经济化考核的今天，燃用天然气发电的联合循环机组的发电成本相对较高，市场竞争的压力较大。3）现场技术服务和关键备品备件供应需要长期依赖外商。燃气轮机发电关键技术及其热通道部件需要依赖国外厂商，机组检修维护费用存在变数。虽然国内三大动力集团已分别与国外三大

22、F 级燃机供货商组成了联合体，承诺设计技术转让并在国内成立了热通道部件合资生产企业，但是关键技术及其热通道部件仍然掌握在外商手中，还需要时日来规范现场技术服务和备品备件供应的“物美价廉”问题。1.2.3 联合循环发电机组的现状 燃气轮机及其联合循环发电作为一种环保、清洁、高效、调峰性能好的先进发电技术，在全世界范围内得到了广泛的发展和应用。世界能源机构预测，到 2020 年，全球天然气发电将占到 30左右。为了优化能源结构、提高能源效率和进一步节能减排、保护生态环境，我国提出了“大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电，适度发展天然气发电”的电力发展方针，专家预测，到 2020 年，我国天然气

23、发电将占到 67。天然气发电中至关重要的部件就是燃气轮机。燃气轮机是第三代动力机械，是 2l世纪动力的心脏技术，它是以透平机械技术为基础的高科技动力机械，分为微型、轻型和重型三大类，这类产品军民两用，技术含量高，用途广泛，特别是重型燃机技术，它是一个国家乃至一个民族在现代世界之林拥有发言权的新标志。西方发达国家对我国实行严格的技术封锁。为了摆脱西方国家技术封锁和垄断，重新振兴国家装备制造业，党中央“十五”计划的建议和朱总理的政府工作报告中明确提出：“要发展大型燃气轮机”。为此，原国家计委在 2001 年 9 月 29 日以计产业20012194 号文发布了燃气轮机发展和技术引进工作实施意见，作

24、为我国燃气轮机产业的政策性文件，明确了发展的总体4 目标和实施的原则。利用“西气东输”工程和沿海省份进口 LNG 项目下游天然气应用市场组织的“打捆招标”项目，“以市场换技术”，结合国家“863”重大专项研究，积极推进我国重型燃机的研制与开发8。一方面通过国家“863”计划能源技术领域燃气轮机重大专项，消化和吸收国外重型燃气轮机的设计思想，建立重型燃气轮机的母型机，设计、研制和制造具有自主知识产权的超过 GE 公司 9E燃机技术水平，而略低于 9F 的可实用、运行重型燃气轮机，如R0110 型重型燃气轮机。另一方面，利用“打捆招标”的集团优势，通过技术转让的形式，争取 57 年掌握 F 级燃机

25、的制造技术。同时，通过建设一批 F 级燃气蒸汽联合循环机组，真正掌握 F 级燃气轮机及其联合循环的发电技术9。虽然，我国燃气轮机起步并不晚，从上世纪 50 年代就已开始了地面燃气轮机的研究和人才培养工作，70 年代，我国燃气轮机理论研究与世界水平差距不大，制造技术与发达国家的差距为 1015 年。但 80 年代初，受“煤压油”的能源政策影响，燃气轮机研制生产工作一度停滞，进一步拉大了我国与发达国家的差距。特别是在重型燃气轮机技术方面，我国更是被世界发达国家远远甩在后面，目前国内企业没有掌握重型燃机的研制生产技术。正因为这样，燃气轮机发电在电力行业的应用也相当少，对 F 级燃气轮机联合循环机组发

26、电技术的研究不足，机组设计、建设、调整优化、试验和运行经验缺乏。1.3 本章小结 本章主要介绍了燃气-蒸汽联合循环发电装置的基本组成部件。从发电效率、基础投资和运营成本、环境影响、电能品质等四个方面对比了目前电网结构中各类发电设备的优缺点，介绍了燃气轮机发电技术的优点和目前的现状。5第二章 典型 F 级燃气轮机联合循环发电机组结构特点及其性能 目前世界上拥有比较成熟的工业用 F 级燃气轮机技术的主要有美国通用电气（GE）公司、德国西门子（Siemens）公司、法国阿尔斯通（Alstom）公司以及日本三菱重工（MHI），分别都有 50Hz 电网和 60Hz 电网的机型，此外，俄罗斯也正在进行 F

27、级燃气轮机的研制工作。我国在“打捆招标”引进建设的燃气轮机主要考虑对象是前四个公司的 F 级燃气轮机中的 50Hz 型号，分别为 GE 公司的 PG9351FA、三菱重工的M701F、西门子的 V94.3A和 Alstom的 GT26。这些公司的 F 级燃气轮机可靠率和可用率都比较高，在世界范围内都有较多的工业应用，其结构既有共同点，又各有不同。经过 3 次集中招标后，目前国内引进建设的机组主要为 PG951FA 型、M701F 型和 V94.3A型三种，ALstom的 GT26 在国内还没有建设。本研究主要以三菱重工的 M701F 燃气轮机为对象，以下对 M701F 燃气轮机的结构和性能特点

28、进行介绍。2.1 M 7 0 1 F 燃气轮机总体结构 三菱公司按照 Westinghouse 专利技术生产 M701D燃气轮机，又在这个基础上和Westinghouse 合作开发 M701F 燃气轮机（Westinghouse 生产的是 W701F），图 2-1 为M701F 燃气轮机的纵剖面图10。图中叠状圆盘形转子，为管状燃烧器，为四级高温透平，为冷端驱动/#2 轴承，为转子冷却系统，为斜拉杆。图 2-1 M701F 燃气轮机纵剖面图 62.2.1 M 7 0 1 F 燃气轮机压气机结构 M701F 型燃机的压气机共 17 级，压缩比为 17。装有一级进口可转导叶（IGV）。在第 6、1

29、1 和 14 级静叶后，分别设置防喘放气口和透平冷却空气的抽气口。压气机叶片的通流部分是由三维流场计算程序设计的10。所有动叶片的根部设计均能确保在转子就位的情况下，从现场拆卸和更换叶片。为了便于拆装，压气机静叶环是做成两个可分拆的 180 度的隔板形式，它们能形成一个高效的内围带型式的气封系统。其上装有密封环，密封环和内围带都可以拆卸，以便对它们进行检查和维护。2.2.2 M 7 0 1 F燃气轮机燃烧室结构 三菱公司的 M701F 型燃气轮机采用环管形燃烧室，其上装有 20 个双燃料的预混式低 NOx燃烧器，如图 2-2 所示。它经改装后还能燃烧煤制合成气。每个预混式低 NOx 燃烧器由

30、8 个预混式主喷嘴和 1 个位于中心部位的值班喷嘴组成。在 8 个预混式主喷嘴的出口，形成温度较低的均相火焰，有利于减少 NOx的生成，图 2-3 为其实物图10。在中央值班喷嘴的出口则形成恒定的扩散火焰，借以确保在任何负荷工况下，8 个预混式均相火焰稳定不灭。主喷嘴和值班喷嘴的外侧均配置各自的空气旋流器。为了强化火焰管和过渡段的空气冷却，在 M701F 型机组上采用了有鳞片冷却片的材料来制作火焰管和过渡段。图 2-4给出了 M701F 机组上燃烧室不同部分采用的冷却结构示意图。M701F 燃机的燃烧器采用了预混燃烧技术，燃烧喷嘴分为主燃料喷嘴和值班燃料喷嘴，值班燃料喷嘴在最中间，起到稳定燃烧

31、的作用。在燃烧液体燃料时，为了降低 NOx，三菱公司的该型燃烧器尚需向燃烧空间喷入适量的水或水蒸汽。图 2-2 三菱 M 7 0 1 F 型机组上采用的预混式低 N Ox燃烧器 2.2 M 7 0 1 F 燃气轮机设备结构其特点介绍 7 图 2-3 多喷嘴预混式低 NOx燃烧器实物图 (a)火焰管的冷却结构 (b)过渡段的冷却结构 图 2-4 M701F 型机组上采用的火焰管与过渡段的冷却结构 2.2.3 M 7 0 1 F燃气轮机透平结构 M701F 透平设计成 4 级。透平叶片的通流部分是按三维流动的计算程序设计的，借以获得最佳的空气动力性能和效率。透平转子上的第 1、2 级动叶是独立叶片

32、，第 3、4 级动叶则做成整体 Z 型围带式的。透平的第 1 排静叶是由精铸的扇形静叶组件组成的。检修人员可以通过开在燃烧室外壳上的检查人孔，在不用揭开透平气缸的情况下，更换第 1 排静叶组件。第 2 到第 4 级透平静叶排也是由精铸的扇形静叶组组成的。每排扇形静叶组件则被装在分段的静叶持环中，它们可以不因透平外气缸的变形而允许发生径向和轴向的热膨胀。第 1 排静叶采用冲击冷却、气膜冷却和出口边针形鳞片冷却方式的综合方案。冷却空气是从压气机的出口引来的，其结构如图 2-5 所示。第 2 排静叶的冷却结构与第 l 排者相似，也是采用以上三种冷却方式的综合方案，但结构略微简化一些，它从压气机的第

33、14 级引来空气进行冷却11。8 图 2-5 M701F 型机组上第一级静叶和动叶的冷却结构 从压气机的第 11 级后引出空气进入第 3 级透平静叶持环的外腔中，借以用对流冷却方式来冷却第 3 级静叶片。第 4 级静叶是不冷却的，但从压气机的第 6 级中引来空气，作为第 4 排静叶级间的密封用气。所有动叶片都制成像 GE 公司设计方案中采用的那种带有枞树形叶根的长柄式叶片结构。这种方案可以使得因负荷在不同尺寸和不同形状的叶片断面之间传递时所产生的三维应力集中现象减至最小程度。第1级动叶是通过动叶中多股盘旋的冷却流道和在出气边的出口缝隙上开启的圆形小孔所构成的对流冷却技术进行冷却的它的冷却空气取

34、自压气机的出口，但这些空气首先在机组之外进行冷却过滤，并通过装在燃烧室外壳中的导管，回送到透平转子中，并输送到动叶的冷却流道中去进行冷却的。动叶的进气侧则是用喷淋方式进行冷却的。第2 级动叶也是精铸的，它也像第 1 级动叶那样用对流技术的综合进行冷却的。第 3 级动叶也是精铸的，其上只有许多单通道的对流冷却孔。机组的冷却系统能确保透平轮盘的温度低于蠕变范围，并能保证其寿命仅受决于腐蚀和磨蚀作用的限制11。2.3 M 7 0 1 F 燃气轮机简单循环总体性能参数 M 7 0 1 F 燃气轮机具备简单循环运行方式（燃机排气不进入 H R S G，而是直接排放到旁路烟道）。简单循环运行时的总体性能参

35、数见表 2-1 表 2-1 M 7 0 1 F 燃气轮机简单循环总体性能参数12-13 序号 项目 单位 参数 1 ISO 条件下功率 M W 2 7 0 2 ISO 条件下联热耗 kj/kWh 9424 3 热效率(LHV)%38.2 4 空气流量 kg/s 651 5 压气机级数 级 17 6 压缩比/17.0 97 透平转速 r/min 3000 8 透平级数 级 4 9 透平第一级动叶前燃气温度 TRIT 1400 1 0 透平的排气温度 586 1 1 NOX排放量 ppm 25 1 2 机组尺寸（近似）长宽高 M 17.35.85.8 1 3 比投资费用/kW 187 注：三菱重工

36、 M701F 为透平第一级静叶前的燃气温度 2.4 M 7 0 1 F 燃气轮机联合循环总体性能参数 M 7 0 1 F 燃气轮机的排气进入到余热锅炉时，排烟加热给水，产生过热蒸汽，过热蒸汽进入蒸汽轮机做功，蒸汽轮机与燃气轮机同轴驱动发电机，这样的运行方式就是联合循环运行方式，联合循环发电方式运行时 M 7 0 1 F 燃气轮机的总体性能参数见表 2-2 表 2-2 M 7 0 1 F 燃气轮机联合循环总体性能参数14 序号 项目 单位 参数 1 联合循环功率 MW 397.7 2 联合循环热效率%57.0 3 联合循环热耗 kj/kWh 6316 4 比投资费用$/kW 350 2.5 M

37、7 0 1 F 燃气轮机发电机组特点及运行方式 2.5.1 M 7 0 1 F燃气轮机发电机组特点 M701F 燃气-蒸汽发电机采用单轴冷端输出的布置方式，该发电机组采用一拖一即一台燃气轮机拖动一台蒸汽轮机的轴系连接方式来驱动发电机输出电能，虽然燃气-蒸汽联合循环发电方式在世界上还有“X 拖一”系统，由于单轴机组在占地面积、建设周期、功率和效率、检修影响等方面与多轴机组相比略有优势，同时在实际运行经验、启动停机特性、运行灵活性及控制系统等方面优势明显，比较适合于每天启停的调峰机组如图 2-6 所示。10 图 2-6 发电机冷端布置的单轴联合循环热力系统示意图15 单轴联合循环机组共同特点16-

38、17 1）机组配置型式为 1 台燃气轮机+l 台蒸汽轮机+1 台发电机+1 台余热锅炉，燃气轮机、蒸汽轮机、发电机布置在同一根轴上，额定转速为 3 0 0 0 r/m i n，不设旁路烟囱。2）采用 F 级燃气轮机，燃气轮机功率约 2 7 0 M W，联合循环机组功率约 4 0 0 M W，联合循环发电热效率约 5 7。3）采用三压再热蒸汽轮机，高压主蒸汽压力约 1 0 M P a，最高温度不超过 5 6 6，排汽流量 4 0 0 t/h 左右。4）余热锅炉为三压、再热、自然循环、卧式或立式、无补燃、露天布置型余热锅炉，锅炉排烟温度9 0。5）发电机为 4 1 0 M W 等级，全氢冷冷却。6

39、）机组热力系统多采用单元制，设置 1 0 0 高压、1 0 0 中压和 1 0 0 低压旁路系统。7）采用静态变频装置启动，启动时发电机变电动机拖动整个机组旋转，至机组自持转速后退出。8）都燃用天然气，设有天然气调压站和天然气燃料加热系统。9）凝汽器具备除氧功能，个别项目设有启动除氧器。1 0）不设给水高压加热系统和低压加热系统，给水系统相对简单。1 1）机组自动化程度高，具备一键启动的能力。11 本章通过对 M 7 0 1 F 燃气轮机发电机组在总体结构、压气机结构、燃烧室结构、透平结构等方面的介绍，对于该类型发电机组的各个主要部件的特点有一定的了解。同时介绍了该类型联合循环发电机组的性能参

40、数，从性能参数上可以看出 M 7 0 1 F 燃气轮机发电机组在发电效率和投资、环境保护等方面有明显的优势，对于通过“以市场换技术”协议方式建设此类发电机组，了解和掌握该类发电设备的关键技术-核心部件的制造工艺和燃烧调整方法成为我国今后大力发展大型联合循环发电机组的技术关键点。本研究将结合某电厂 M 7 0 1 F 燃气轮机在基建调试期间的燃烧调整经验和数据，在第三章中对 M 7 0 1 F燃气轮机的核心技术之一的燃烧优化调整技术方法和试验做一个较全面的介绍 2.6 本章小结 12第三章 3 9 0 M W 级联合循环燃气轮机燃烧优化技术方法及试验 3.1 三菱重工M 7 0 1 F 燃气轮机

41、燃烧调整理论及试验方法 3.1.1 概述 燃气轮机的燃烧调整通过调整进入燃机燃烧室的燃料量和进入燃烧室的空气量来实现的，它贯穿于机组从点火到满负荷运行的各个阶段，它是燃机调试的核心技术。燃烧调整的好坏，直接关系到机组的热效率、燃烧室和热通道部件的安全运行和污染物排放是否合格18。燃气轮机的燃料首先经过一个带旁路调节阀的燃气加热器（三菱称为 TCA）预热到合适的温度后，经过主燃料和值班燃料调节阀分流，分别进入燃烧室的一组主燃料喷嘴和一组值班燃料喷嘴中，值班燃料喷嘴（图 3-1、图 3-2 中中间一个较大的喷嘴）产生扩散火焰，用于保证火焰的稳定性。大部分的燃料通过主燃料喷嘴（图 3-1、图 3-2

42、 中外围 8 个小喷嘴），与空气充分混合后进入燃烧室燃烧，并产生预混火焰。从燃烧火焰的位置来说，扩散火焰在燃烧筒中部，由于具有高温区，火焰较稳定，预混火焰在扩散火焰四周，布满燃烧室的空间，在整个燃烧区域中温度相对均衡，从而能够实现较小的NOX 排放。另一方面，空气通过入口可调导叶（IGV）进入压气机中，在压气机中经过压缩后到达燃烧室腔体，从燃烧室壁进入到燃烧室中，与燃料混合燃烧。另外燃烧室配置一个燃烧室旁路阀，当旁路阀打开时，空气可以通过旁路阀直接进入燃烧室的过渡段，不参与燃烧，因此燃烧室旁路阀可以用于调整燃烧室内的燃空比19-20。图 3-1 M701F 燃机燃烧室喷嘴出口图 图 3-2 M

43、701F 燃机燃烧室喷嘴入口图 13 对于三菱的燃气轮机而言，机组的负荷是通过改变机组的燃料供应量来实现的，其主要的控制信号为 CSO（控制指令输出信号）。CSO 是多个控制回路输出的结果通过一个小选门选择后和 MINCSO 最小 CSO 大选后得到的，如图 3-3 所示。这些控制回路中主要包括转速控制回路、负荷控制回路和 BPT、EXT 温度控制回路。其中转速控制回路和负荷控制回路用于控制机组的负荷和转速，而 BPT和 EXT 温度控制回路用于保证燃气轮机燃烧室不超温21。图 3-3 三菱燃机主控信号 CSO 控制框图 3.1.2 燃烧调整目标 燃气轮机燃烧调整的首要目标是保证燃烧的稳定和保

44、障机组的安全运行。由于燃气轮机中燃料和空气的流速较高，燃烧区间小，同时燃料和空气混合后燃烧，燃烧温度低，燃烧的稳定性差，因此为了保证燃烧的稳定，就要求燃料和空气的混合比例要在火焰传播的浓度界限范围内，同时气流的流动速度要和火焰的传播速度向匹配，传播速度过慢可能会灭火，过快可能造成回火。14再者，F 级燃气轮机的燃烧温度很高，一般来说其 T3温度均在 1250以上，对于三菱 M701F 机组而言，其 TIT 温度更是高达 1400，在这样高的温度下，一般的金属都无法忍受，而燃烧室内壁一般都设有隔热的陶瓷涂层（TBC）来保护热部件，并通过精密的冷却装置来保证燃烧室的安全。由于燃气轮机的燃烧室已经工

45、作在较高的温度下，如果燃烧温度继续升高，很可能造成热通道的损坏，另一方面，燃气轮机燃烧室中预混火焰的燃烧容易引发燃烧波动，高频的燃烧波动同样容易引起燃烧室损坏；因此保障机组安全运行也是燃气轮机燃烧调整的重要任务。在保证机组安全稳定运行的基础上，燃烧调整的目的还有要提高燃料燃烧效率，减少污染物排放。根据燃烧反应的机理，只有控制燃烧室内的燃烧温度，才能保证机组的CO 和 NOX的排放量在较低的范围内，而由于燃气轮机中燃烧的空燃比较高，因此相对来说 CO 的排放比较容易控制，NOX的排放量则称为较大的问题。为此，目前 F 级燃气轮机普遍采用干式低氮氧化物（DLN）燃烧室，利用预混火焰降低燃烧温度来减

46、少 NOX排放，例如，对于引进的燃气轮机，一般要求其NOx 的排放量在 25ppm以内。由于 NOX排放量一般随着燃烧温度的升高而升高，因此一般在机组高负荷运行时的调整需要特别注意对 NOx 排放量控制。综上，燃气轮机燃烧调整的目标是:保障机组安全运行，确保燃烧稳定，提高燃烧效率和降低污染物的排放。3.1.3 主要监测手段 实现燃烧调整的所有目标，需要有足够的监视手段，对于燃气轮机而言，主要需要监测的参数包括点火转速和时间、燃机各负荷下各控制回路的输出、机组振动、燃料调节阀开度、IGV、Bypass 阀开度、燃料温度、燃料压力、燃料流量、燃气轮机入口温度、入口压力、入口湿度、压气机排气压力、B

47、PT温度、EXT温度以及燃烧压力波动 CPFM波形、烟气中 NOx 含量、O2含量、CO 含量等。其中，对于燃烧稳定性，最主要的指标包括燃烧室压力波动和燃气轮机 BPT 排气温度，其他的指标由于属于机组运行时需要监测的基本指标，这里不做详细的介绍。1）燃烧压力波动探头 三菱 M701F 燃气轮机包含 20 个燃烧室，为了保证各个燃烧室内的燃烧正常，对 20个燃烧室的燃烧压力波动均需要进行监视，为此，在各个燃烧室上各安装一个燃烧压力波动探头，同时，在其中的第 3 号、8 号、13 号、18 号共 4 个燃烧室中各安装了 1 个燃烧室压力波动的加速度探头，其安装的情况如图 3-4 所示。15 图

48、3-4 M701F 燃机燃烧室布置情况及压力波动探头安装图 在机组正常运行时，每个燃烧波动探头均可以探测到所测量燃烧室内的压力波动的情况，由于在燃烧室的高温的狭小空间内，极小的压力波动就可能对燃烧室造成损害，因此对于压力波动的测量精度要求很高，同时要求对其测量的数值进行 FFT变换后转化成各个频率段的压力波动值进行表述。监测时主要观察压力波动的频谱图，以确定燃烧室内的压力波动情况，如图 3-5图 3-8 分别为一个典型的 M701F 型燃气轮机在满负荷运行时压力波动探头和压力波动加速度探头所测得的波动频谱图22-24。图 3-5 典型的压力波动频谱图压力波动探头 0-500Hz 16 图 3-

49、6 典型的压力波动频谱图压力波动探头 0-5KHz 图 3-7 典型的压力波动频谱图压力波动加速度探头 0-500Hz 17 图 3-8 典型的压力波动频谱图压力波动加速度探头 0-5KHz 为了详细分析燃烧压力波动的数值，对于每个探头监测到的燃烧波动数据，又分为12 个不同的波段进行分析，对于各个波段，根据其波动的幅值对于燃烧室安全以及燃烧稳定的影响分别制定了提醒值、预报警值、报警值和跳闸值。其设定见下表 3-1。表 3-1 燃烧室压力波动波段及其设定值23 Pressure fluctuation(Kpa)Acceleration sensor(m/sec)波段名称 频率范围 Cautio

50、n*Pre-alarm Alarm Trip Pre-alarm Alarm Limit LOW 15-40 1.125 1.5 2.5 6.0 999 999 999 MID 55-95 3.0 4.0 5.3 6.0 999 999 999 HIGH1 95-170 5.0 6.0 7.0 8.0 999 999 999 HIGH2 170-290 2.25 3.0 3.15 3.3 3.0 4.0 8.0 HIGH3 290-500 4.5 6.0 8.0 10.0 1.7 2.5 5.0 OverAll 0500Hz的全周 35 999 999 HH1 500-2000 9.0 12.