M701F燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及燃燒調(diào)整方法分析

林 凡

（深圳能源集團(tuán)東部電廠運(yùn)行部，廣東 深圳 518120）

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組以天然氣等清潔氣體為燃料，是取代燃油、燃煤機(jī)組的新型綠色環(huán)保動(dòng)力，具有效率高、單位造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)對目前火力發(fā)電廠造成的環(huán)境污染問題，適應(yīng)世界環(huán)保要求和市場新環(huán)境的新型發(fā)電機(jī)組。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組具有輸出功率范圍廣，起動(dòng)和運(yùn)行可靠高、發(fā)電質(zhì)量好、重量輕、體積小、維護(hù)簡單、低頻噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，一般它們具有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）發(fā)電質(zhì)量好

由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組工作時(shí)只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電調(diào)反應(yīng)速度快，工作特別平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率的精度高，波動(dòng)小，能夠穩(wěn)定適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化。

2）起動(dòng)性能好，起動(dòng)成功率高

從冷態(tài)起動(dòng)成功后到滿負(fù)載的時(shí)間僅為30s，而國際規(guī)定柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)成功后3min帶負(fù)載。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組可以任何環(huán)境溫度和氣候下保證起動(dòng)的成功率。

3）噪聲低振動(dòng)小

由于燃?xì)廨啓C(jī)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，它的振動(dòng)非常小，且低頻噪聲也同樣比柴油發(fā)電機(jī)組優(yōu)良。

4）采用的可燃性氣體是清潔、廉價(jià)的能源

燃?xì)廨啓C(jī)除了直接以天然氣為燃料外，還可以以瓦斯氣，桔梗氣，沼氣等為燃料進(jìn)行發(fā)電，不僅運(yùn)行可靠，成本低，而且能變廢為寶，不會(huì)產(chǎn)生污染。

1 燃?xì)廨啓C(jī)原理

燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙降冉M成。影響燃?xì)廨啓C(jī)效率的兩個(gè)主要因素是燃?xì)獬鯗睾蛪簹鈾C(jī)的壓縮比。提高燃?xì)獬鯗?，并相?yīng)提高壓縮比，可使燃?xì)廨啓C(jī)效率顯著提高。

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程是，壓氣機(jī)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)?，隨即流入燃?xì)馔钙街校苿?dòng)透平葉輪帶著壓氣機(jī)葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后的高溫燃?xì)獾淖鞴δ芰︼@著提高，因而燃?xì)馔钙皆趲?dòng)壓氣機(jī)的同時(shí)，還可以輸出機(jī)械功。

2 M701F燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

M701F燃?xì)廨啓C(jī)是由三菱重工生產(chǎn)的。其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 三菱M701F燃?xì)廨啓C(jī)性能指標(biāo)

M701F燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的縱向剖面圖如圖 1所示。

圖1 M701F燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的縱向剖面圖

M701F燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)為軸流式壓氣機(jī)，17級，壓力比為17。為適應(yīng)工質(zhì)大流量、跨音速的流動(dòng)特點(diǎn)，前四級葉片葉型采用雙圓弧結(jié)構(gòu)；為防止在啟停階段或非設(shè)計(jì)工況下發(fā)生喘震，在壓氣機(jī)通流部分沿流動(dòng)方向的6、11、14級設(shè)置了3個(gè)抽氣口及放氣閥；在壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉設(shè)置的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，可以防止壓氣機(jī)喘震，同時(shí)也可以減少起動(dòng)過程中的動(dòng)力消耗和提高低負(fù)荷下機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；壓氣機(jī)前3級動(dòng)靜葉片的涂層具有防磨及防腐蝕的作用；靜子部分為水平中分面結(jié)構(gòu)，所有的靜葉片都有內(nèi)外環(huán)。壓氣機(jī)前3級葉輪與前端軸整體鍛造，并用12根在圓周方向均勻分布的拉桿和后 14級葉輪及與透平連接的鼓筒相連接。

M701F燃?xì)廨啓C(jī)為環(huán)管形結(jié)構(gòu)的燃燒室，燃燒室外殼的上下兩部分與壓氣機(jī)及透平的外缸連接在一起成為整體。沿機(jī)組圓周方向，20個(gè)燃燒室均勻地斜插入外殼內(nèi)。每套燃燒器都包括燃料噴嘴、過渡段、火焰筒、旁旁路閥和其它附件，燃燒器的縱剖面圖如圖2所示。

圖2 M701F燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組燃燒室的縱向剖面圖

燃料噴嘴由干式預(yù)混主噴嘴和導(dǎo)向噴嘴組成，主噴嘴有8個(gè)，圍成圓圈，導(dǎo)向噴嘴位于圓心；將高溫燃?xì)庖蛲钙阶龉Φ年P(guān)鍵部件是過渡段，過渡段和火焰筒是整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)中承受溫度最高的部件，為了很好的冷卻過渡段和火焰筒，火焰筒和過渡段采用雙層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)有冷卻空氣流動(dòng)，進(jìn)行冷卻；為了控制燃燒，穩(wěn)定火焰，燃燒室內(nèi)設(shè)有旁路閥，當(dāng)燃燒壓力產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，旁路閥自動(dòng)打開，冷空氣進(jìn)入，以保住穩(wěn)定的燃燒。

透平為4級葉片，為了更好的冷卻葉片，三菱公司利用靜葉的持環(huán)和葉頂部的葉片環(huán)形成雙層缸結(jié)構(gòu)[1]。

除了以上所述的拉桿盤式轉(zhuǎn)子、雙層結(jié)構(gòu)、環(huán)管式燃燒室等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之外，為了提高M(jìn)701F燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片的耐高溫能力，三菱公司分別從材料、隔熱涂層和葉片的冷卻技術(shù)三個(gè)方面采取措施。經(jīng)過長期運(yùn)行試驗(yàn)，并經(jīng)過不斷地完善，M701F燃?xì)廨啓C(jī)具有十分穩(wěn)定、成熟可靠的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。

3 M701F燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)及燃燒調(diào)節(jié)

3.1 燃燒系統(tǒng)簡介

三菱 M701F型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)由過渡段和預(yù)混式火焰筒、燃料噴嘴、旁路閥、火花塞、火焰檢測器、聯(lián)焰管組成[2]。沿著壓氣機(jī)側(cè)看燃燒系統(tǒng)各部件的布置圖如圖3所示。

圖3 燃燒系統(tǒng)圖

1）過渡段和預(yù)混式火焰筒

三菱公司在火焰筒和過渡段設(shè)計(jì)上采用雙層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖4（a）為火焰筒壁結(jié)構(gòu)，下面為內(nèi)壁，冷空氣從外壁的小孔進(jìn)入到夾層中間，在壁面的溝槽內(nèi)流動(dòng)，從圓周方向的縫隙中流出，與燃?xì)膺M(jìn)行對流換熱；圖4（b）為過渡段壁面結(jié)構(gòu)，冷空氣同樣通過外壁的小孔進(jìn)入到夾層中間，經(jīng)過壁面的溝槽，從下游出口與主流燃?xì)饣旌?，為了降低金屬溫度，避免有害物質(zhì)對金屬的腐蝕，火焰筒和過渡段的內(nèi)壁面采用了隔熱涂層處理技術(shù)。

圖4 過渡段和火焰筒的雙層結(jié)構(gòu)

2）燃料噴嘴

值班噴嘴以擴(kuò)散燃燒方式僅僅燃用大約 5%的燃?xì)庖跃S持穩(wěn)定的火焰。主噴嘴燃用來自過渡段與空氣預(yù)混合的燃料燃燒，形成均勻和低溫的火焰。通過這種濃淡分離的技術(shù)來達(dá)到顯著降低氮氧化物NOx生成量的目的。

3）旁路閥

旁路閥是三菱專有技術(shù)，用來控制燃料燃燒。旁路機(jī)構(gòu)由柵形閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和連接桿三部分組成。柵形閥由旁路體和旁路環(huán)構(gòu)成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)旁路環(huán)來達(dá)到打開和關(guān)閉柵形閥的功能，通過控制旁路彎管流到過渡段里的空氣量來控制燃料/空氣的比例。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，旁路閥的開度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化來達(dá)到維持穩(wěn)定燃燒的目的。

4）火花塞

分別在第8和第9號燃燒器里安裝兩個(gè)火花塞，以達(dá)到點(diǎn)燃燃燒器中的燃料/空氣混合物的目的。由壓縮空氣強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)活塞以保持火花塞的電極處于備用位置。起動(dòng)時(shí)，利用壓縮空氣將火花塞推到點(diǎn)火區(qū)直到點(diǎn)火成功；點(diǎn)火完成后，利用彈簧力和壓縮空氣壓力將火花塞從燃燒器內(nèi)抽出。

5）火焰檢測器

兩個(gè)火焰檢測器分別安裝在第18和第19號燃燒器位置上?；鹧鏅z測器由一個(gè)包含有純金屬的電極和一種裝有純凈氣體的特殊玻璃外殼組成。當(dāng)在電極上施加交流電壓時(shí)，電極和玻璃外殼之間有短持續(xù)時(shí)間的電流脈沖流動(dòng)。只要火焰一直存在，火焰發(fā)出的特定波長的光就能使這些電流脈沖重復(fù)地發(fā)生，因此可以用該系統(tǒng)監(jiān)控燃燒系統(tǒng)。

6）聯(lián)焰管

除了第18和第19號燃燒室之間外，每兩個(gè)燃燒室之間的過渡段上都安裝了聯(lián)焰管?；鹧嫱ㄟ^聯(lián)焰管可以從點(diǎn)燃的燃燒器傳播到未點(diǎn)燃的燃燒器，從而保證所有燃燒器都能正常點(diǎn)火。

3.2 燃燒室的燃燒調(diào)節(jié)

三菱M701F燃?xì)廨啓C(jī)控制燃燒方式有兩種，通過調(diào)節(jié)值班噴嘴的擴(kuò)散燃燒的燃料量以及控制旁路閥開度對主噴嘴的預(yù)混燃燒的空燃比進(jìn)行調(diào)整[3]，從而實(shí)現(xiàn)對燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組在不同負(fù)荷下的火焰穩(wěn)定性、NOx排放、燃燒壓力波動(dòng)等參數(shù)的進(jìn)行綜合優(yōu)化調(diào)整。

在不同負(fù)荷下，M701F燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)節(jié)的主要參數(shù)就是旁路閥開度（BYCSO）值班燃料比例（PLCSO）。隨著機(jī)組負(fù)荷的改變，在不同的旁路閥開度和值班燃料比例下，觸發(fā)到的燃燒時(shí)壓力波動(dòng)頻率也不相同，根據(jù)燃機(jī)負(fù)荷與壓力波動(dòng)頻率的關(guān)系可以分別繪制出如圖5所示的圖形。

圖5 正常燃燒區(qū)域

根據(jù)圖5可以看出，當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，低的旁路閥開度使參與燃燒的空氣量增加，空燃比降低，燃燒溫度繼續(xù)降低，會(huì)引發(fā)低頻段的壓力波動(dòng)，容易引起熄火，旁路閥開度變大時(shí)易引起1700/3400Hz的壓力波動(dòng)；隨著燃機(jī)負(fù)荷的增大，旁路閥開度變大，參與燃燒的空氣量減少，燃?xì)馊紵郎囟忍岣撸瑢?dǎo)致NOx排放量提高和中間頻段的壓力波動(dòng)。

低負(fù)荷下，值班燃料比例低，燃料量較少，因此燃燒溫度較低，擴(kuò)散火焰的強(qiáng)度不能維持穩(wěn)定燃燒的要求，會(huì)引發(fā)低頻段的壓力波動(dòng)，此時(shí)易導(dǎo)致熄火；當(dāng)值班燃料比例高時(shí)，易引起 1700/3400Hz的壓力波動(dòng)；隨著燃機(jī)負(fù)荷增大，燃?xì)馊紵郎囟壬?，較高的值班燃料比例又會(huì)導(dǎo)致NOx排放量的增加，同時(shí)造成 4400Hz以上的壓力波動(dòng)，值班燃料比例過低時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生中間頻段的壓力波動(dòng)[4]。

綜上所述，M701F燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整的主要任務(wù)就是找到機(jī)組在不同負(fù)荷下安全穩(wěn)定燃燒的區(qū)間，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行和穩(wěn)定燃燒。圖5中陰影線之間的區(qū)域就是機(jī)組的穩(wěn)定燃燒區(qū)間。只要能夠保證機(jī)組在這個(gè)區(qū)域內(nèi)燃燒，就可以確保機(jī)組的安全運(yùn)行。因此根據(jù)這個(gè)原則就可以確定燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整的負(fù)荷變化。

4 結(jié)論

為確保機(jī)組運(yùn)行的安全可靠，無論是試運(yùn)行還是正式投產(chǎn)以后都需要根據(jù)工況進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒調(diào)整。因此需要對三菱公司生產(chǎn)的M701F燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)由十分深入的了解，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行燃燒的調(diào)整，本文首先介紹了M701F燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，繼而分析燃燒系統(tǒng)及調(diào)整方法，以期為從事相關(guān)運(yùn)行調(diào)節(jié)的工作者提供幫助和參考。

[1] 王強(qiáng).M701F燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].東方電氣評論,2003(4): 179-196.

[2] 謝冰.M701F燃機(jī)燃燒系統(tǒng)簡介[J].中國水運(yùn), 2007(7): 48-50.

[3] 金曉剛.M701F燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的特點(diǎn)和燃燒調(diào)整[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù), 2010(1): 58-61.

[4] 毛丹,諸粵珊.三菱M701F燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整分析[J].熱力透平, 2009(3): 56-60.