西门子SGT5-4000F机组燃烧不稳定的调整与应对分析

王子晋

（北京京西燃气热电有限公司，北京 100041）

西门子SGT5-4000F机组燃烧不稳定的调整与应对分析

王子晋

（北京京西燃气热电有限公司，北京 100041）

燃气轮机的稳定燃烧是确保燃气轮机可靠运行的重要保障，燃烧过程中的火焰脉动、回火或者熄火都会导致设备运行不稳定，甚至导致燃气轮机的重新启动甚至相关设备损坏。西门子SGT5-4000F是一种常见的技术比较先进的燃气轮机，本文主要对该型号燃机的燃烧器原理进行介绍，对其在运行过程中发生的燃烧不稳定现象进行了研究和分析，并针对燃烧不稳定问题提出了相应的调整方法，具有一定的借鉴意义。

燃机；燃烧不稳定；调整方法

燃气轮机的能量转换效率高、功率大、外形尺寸小且性能稳定可靠，在发电厂中得到广泛应用。近年来随着国家对环保工作重视程度不断提高，低氮燃烧技术在燃机电厂得到广泛应用。贫燃预混燃烧通过调节燃料和空气的混合比例使的火焰温度降低，从而实现低氮燃烧的目的。但是当燃空比过低时，燃机的燃烧也会变得不稳定。西门子燃机通过对燃烧室的压力变化进行监控从而对燃烧情况进行分析，并利用蜂鸣器和加速度两种手段对燃机进行保护。西门子SGT5-4000F机组的低氮燃烧其采用扩散燃烧和预混燃烧，且主火焰由预混通道产生。为提高燃烧的稳定性，扩散燃烧成为值班燃料采用的燃烧方式。

1　燃机燃烧的不稳定现象

贫燃预混燃烧可以使燃烧温度有效降低，从而使机组的环保性能得到提高，但是很容易造成热声不稳定的现象发生。即火焰燃烧中释放热量的脉动频率与燃烧室的固有频率发生耦合，从而形成燃烧共振，导致燃烧的不稳定。在贫燃预混燃烧的情况下，当然空比接近贫燃熄火极限时，则会引起火焰不稳定以及热能的不稳定释放，一但燃烧室热释放产生的压力形成回声，即产生嗡鸣现象，则会导致燃烧的不稳定。嗡鸣造成的燃烧室内持续的自激震荡频率若和燃烧室的自振频率接近时，则会引起共振，从而触发加速度保护并造成设备的损坏［1］。

某热电厂投入运行后，两台热机有燃烧不稳定的现象发生，其中燃机A在当负荷增加时，进口可转导叶的角度在10%～15%变化过程中，以及在负荷减小时，进口可转导叶的角度在20%～10%变化过程中，出现了嗡鸣和加速度过高的现象，加速度实际值大约在2.3～3.6g之间。燃机B在当负荷增加时，进口可转导叶的角度在40%～60%变化过程中，以及在负荷减小时，进口可转导叶的角度在30%～25%变化过程中，出现了嗡鸣和加速度过高的现象，加速度实际值大约在2.3～3.8g之间。为了对机组设备进行保护，西门子热机控制器的加速度保护有表1和表2所示的控制逻辑。

表1　热机加速度保护的减负荷条件

表2　热机加速度保护的跳闸条件

2　SGT5-4000F机组燃烧调整机理

调整值班喷嘴流量是SGT5-4000F机组燃烧调整的主要手段，适当的值班喷嘴流量可以确保燃机在运行过程中的嗡鸣情况和加速度保持在允许范围以内。值班喷嘴流量主要受压气机的入口温度值、燃机排气温度修正值以及进口可转导叶的角度三个参数的影响。调整这三个参数中的任何一个都可以导致值班喷嘴流量产生变化，且每个参数对值班喷嘴流量的影响对应不同的数学函数，由于函数关系不同，必须在负荷的调整过程中完成燃烧的调整。

可以通过分析值班气体设定值、天然气密度以及值班气体阀门流量特征曲线，来计算值班气体燃料控制阀的阀位。通常流量特征曲线在在设备出厂时已经进行了检验；天然气密度通常取天然气在调试之初的密度值。若天然气的自身情况在运行过程中气源有波动，则很容易造成天然气密度的变化。一旦天然气的密度和设计值有比较大的偏差时，值班气体的实际质量也会和设定值之间产生较大偏差［2］。

在进行燃烧调整时，必须将嗡鸣和加速度信号受值班喷嘴流量的影响情况进行记录，其中主要数据有幅值和频率的大小。西门子公司应用ARGUS系统对燃烧的稳定情况进行检测。该系统对脉动嗡鸣信号和燃烧室振动的加速度值进行傅里叶变换，从而将这些信号显示在频谱图中［3］。

为确定适宜的流量设定值需要适当调整值班喷嘴流量，从而使燃机在全部运行状态下的嗡鸣和加速度值以及污染物排放指标都在允许范围以内，国家有关环保法律法规规定氮的排放营销与10mg/m3。

3　SGT5-4000F机组燃烧调整方法

3.1机组首次进行燃烧调整

为了将燃烧振动问题进行消除，该热电厂适当调整了值班喷嘴流量，表3是调整前后的系统数据。

表3　燃机A、B机组燃烧调整前后加速度保护动作值

在表3中可以发现，燃机A在经过燃烧调整后，加速度信号和嗡鸣信号在加负荷过程中得到有效的控制，但这些参数在减负荷过程中没有太大改观，而燃机B的情况基本没有什么变化。

3.2机组再次进行燃烧调整

鉴于初次进行燃烧调整没有获得较为理想的结果，该热电厂再次进行燃机的燃烧调整，在此次调整前，对燃烧器进行了全面更换。调整的具体步骤为：

1）调整了外旋流器的静叶片的角度，由112°调整到108°。

2）对部分圆筒型扩张段的长度进行了改变，燃烧器1#—20#的长度延长为97cm，21—24#燃烧器的长度保持原样。

3）将外旋流器的孔洞数由10个减少为8个，并把孔洞的直径改为1.8mm。表4是二次燃烧调整后的数据，从表中可以发现，更换然杀气设备并进行燃烧调整后的加速度和嗡鸣信号都有了很大改善，在燃机的全部运行区间中，这些参数都在规定范围内。

表4　燃机A、B机组燃烧调整前后加速度保护动作值

再次调整后的燃机值班喷嘴流量设定值如图1至图4所示，可以明显看出，加速度信号和嗡鸣信号都很小，因此值班喷嘴流量设定曲线的整体走向是平直的，从而不必在将值班喷嘴流量加大。

在通常情况下，将值班喷嘴流量适当增大就可以有效的降低加速度信号和嗡鸣信号，然而在上文的热电厂中，仅仅对值班喷嘴流量进行调节并没有达到预期的效果，最终通过采用更换燃烧器的相关配件同时采用燃烧调整的方法才将问题解决。

图1　燃机A值班喷嘴流量调整曲线1

图2　燃机A值班喷嘴流量调整曲线2

图3　燃机B值班喷嘴流量调整曲线1

图4　燃机B值班喷嘴流量调整曲线2

4　结论

鉴于混合燃烧稳定性比较差，热电厂燃机的燃烧器比较容易有嗡鸣报警产生，所以可以利用值班扩散火焰对燃烧器的燃烧稳定进行调整。往往对值班喷嘴的流量进行适当增加可以促使燃烧室加速度信号和嗡鸣信号降低，但是在有些情况下，仅仅对值班喷嘴流量进行调整，并不能使问题得到解决，此时，往往需要从硬件上入手，对设备进行优化改造，同时对燃烧进行调整，往往就可以使燃烧变得稳定。机组燃烧稳定关系重大，应加大这方面相关问题的深入研究，以进一步提高燃机运行的可靠性。

［1］ 宇震林， 全宏许， 高恩. 燃气轮机燃烧室［M］. 北京：国防工业出版社， 2008.

［2］ 杨勇， 艾松， 贾文. 燃气轮机燃烧室燃烧稳定性分析［J］. 东方电气评论， 2012， 26（101）： 25-29.

［3］ 瞿虹剑， 刘新平. 西门子V94.3A型燃机燃烧稳定性的判别［J］. 华东电力， 2012（12）： 2282-2288.

Adjustment and Response Analysis of Combustion Instability of SIEMENS SGT5-4000F Unit

Wang Zijin
（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd， Beijing 100041）

The stability of the gas turbine combustion is to ensure that an important guarantee for the reliable operation of the gas turbine， combustion process of flame pulsation， tempering or extinction will lead to unstable operation of equipment， and even lead to gas turbine restart or damage to equipment. Siemens SGT5-4000F is a common technology more advanced gas turbine， this paper mainly for the type of burning machine principle of burner are introduced， occurring in the operation process of combustion instability is studied and analyzed in the paper and in view of the problem of combustion instability proposed corresponding adjustment methods， have certain reference significance.

combustion engine； combustion instability； adjustment method

王子晋（1984-），男，工程师，主要从事发电厂运行工作。