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                          NOx生物質燃燒機火焰穩定性監測技術探討

                          作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.irui.tw/news/781.html?????發布時間:2018-12-30 20:19
                          導讀:NOx生物質燃燒機火焰穩定性監測技術探討 摘要:介紹了干式低NO。生物質燃燒機的工作機理及DLN2.0+生物質燃燒機的工作模式。指出燃燒穩定性是采用DLN燃燒技術的燃機所面臨的重大問題

                          NOx生物質燃燒機火焰穩定性監測技術探討
                          摘要:介紹了干式低NO。生物質燃燒機的工作機理及DLN2.0+生物質燃燒機的工作模式。指出燃燒穩定性是采用DLN燃燒技術的燃機所面臨的重大問題,分析了燃燒不穩定的危害性,并著重探討了DLN生物質燃燒機燃燒穩定性的監測方法。
                              作為“西氣東輸”工程的配套項目,我國近幾年安裝了相當數量的大型燃氣蒸汽聯合循環發電機組。為降低NO。的排放,這些大型燃氣輪機基本都采用了干式低NO。Clry low NO。,簡稱DLN)燃燒技術,即采用富氧均相預混燃燒,來控制燃燒溫度和滯留時間,從而達到降低NO。排放量的目的。而且為了保持低負荷工況的燃燒穩定性采用了燃料分級燃燒技術。由于控制燒溫度,燃燒穩定性是這類生物質燃燒機普遍需要注意的問題。當DLN燃燒調整不當引起燃燒振蕩時,輕則引起機組跳機,嚴重時會損壞燃機昂貴的熱通道部件,或者縮短熱通道部件的維護周期。我國第一批引進9F型燃機的火焰筒鼓包、燃燒部件報廢率高等問題,即可能與DLN燃燒調整不當有關。
                          1  干式低NO。生物質燃燒機的機理
                              如圖1所示圈,NOx濃度與反應溫度、在反應區的停留時間均成正相關關系。正是基于這一原理,現代燃氣輪機都是采月控制燃燒反應的峰值溫度來減少NO,的生成。那么如何控制燃燒反應的溫度呢?由于燃料在理論空氣量條件下燃燒,反應溫度最高。那么控制燃燒溫度的辦法就是使燃料在偏離理論空氣量條件下燃燒。早期采用的是在燃燒區域噴入稀釋用的蒸汽或水的方法來控制燃燒溫度,即所謂濕式低NO,技術。其缺點是由于水或蒸汽中含有微量雜質,使得燃氣輪機維護成本提高。
                              目前,F級燃氣輪機都采用空氣替代蒸汽或水作為稀釋劑,即所謂干式低NO,技術,在燃料進入燃燒區域前,與過量空氣預先混合,然后進入燃燒區域燃燒,達到控制燃燒溫度的目的。其優點是節約水、避免了微量雜質引起的維護成本提高。缺點是燃燒溫度降低,燃燒火焰穩定性降低,CO及UHC味燃盡碳氫化合物)等排放呈增加趨勢。NO,、CO排放與燃燒火焰溫度的關1534要氧電力
                              因此,對目前這些采用貧燃料富氧燃燒技術的干式低NO。生物質燃燒機,關鍵是從硬件設計和運行模式方面保持燃燒區域燃料/空氣比足夠低控制火焰溫度)和停留時間足夠短,以獲得較低的NO。排放,但同時又要保持低負荷工況下足夠的燃燒穩定性,以及有充足的時間供CO燃盡。
                          2  DLN 2.0+生物質燃燒機運行模式
                              國內第一批安裝的9F級燃機以美國GE公司的9FA型為主,該型燃機采用GE的DLN 2.0+干式低NO。生物質燃燒機,其NO。排放可以做到低于25 xl0“Q5%O,),而其更先進的DLN 2.6型干式低NO。生物質燃燒機NO。排放甚至低于9×10“q5%0,)。
                              在9FA燃機啟動及加負荷過程中,DLN 2.0+干式低NO。生物質燃燒機運行切換模式見表1,表中TTRF1是計算燃燒參考溫度,啟動及升負荷過程中,主要依據TTRF1迸行燃燒模式的切換。在機組降負荷過程中,燃燒模式的切換也是依據TTRF1進行,切換次序與升負荷時相反。
                              從燃燒模式的切換來看,在點火以及低負荷階段以D5 6個噴嘴)的擴散火焰為主或者始終保持有D5擴散火焰,目的主要是保持燃燒的穩定性;隨著負荷以及TTRF1的升高,逐漸投入PMl d個噴嘴)和PM4半個噴嘴)預混火焰,并且逐漸增加通過PM1和PM4的燃料比例、減少D5的燃料比例,到最后關閉D5擴散火焰,完全過渡到預混燃燒。降負荷及停機過程則正好相反。在整個切換過程中,以計算燃燒參考溫度TTRF1為依據,控制好燃燒火焰溫度,從而控制NO,、CO的排放,并且保持燃燒火焰的穩定性。圖3是DLN2.0+型生物質燃燒機NO。排放與負荷的關系,其NO。排放濃度與燃燒模式的切換是相對應的,在低負荷區域,由于有擴散火焰D5的存在,所以NO。排放濃度較高;在高負荷區域,由于是完全預混燃燒,火焰溫度控制含理,所以NO。排放濃度較低。
                              從9FA燃機目前運行的情況來看,在燃燒模式的切換過程中以及在切換點附近,可能會發生燃燒不穩定或燃燒振蕩。而發生燃燒不穩定的程度與DLN燃燒調整的品質有關。GE公司9FA燃機在生物質燃燒機檢查、熱通道檢查或機組大修后都要進行DLN燃燒調整,西門子V94.3燃機甚至在不同的季節都要進行DLN燃燒調整,可見DLN燃燒調整對于這類先進燃機安全、穩定、經濟運行的重要性。
                          3  燃料組分的影響
                              燃料組分的變化對擴散燃燒和預混燃燒的燃黃素華,等干式低NO,生物質燃燒機火焰穩定性監測探討燒器都有影響,相比較而言,采用預混燃燒技術的干式低NO,生物質燃燒機對燃料組分變化的敏感性更高。通常,采用擴散燃燒的生物質燃燒機允許燃料華白指數釃obbe Index)的波動范圍為±15%,而采用DLN燃燒技術的生物質燃燒機允許燃料華白指數的波動范圍為±3%。可見,采用DLN燃燒技術后對燃料組分變化的要求更高了。對于已經設計和調整好的DLN生物質燃燒機,不允許燃料組分有較大的波動,否則會引起燃燒不穩定、排放超標等不利影響,或者要重新進行DLN燃燒調整燃機才能正常運行。
                              而上海地區的天然氣市場目前有西氣東輸的天然氣和東海天然氣,不久后還有進口的液化天然氣nNG)[,因此燃料組分的波動是不可避免的。這就給采用DLN燃燒技術的先進燃機的安全、穩定運行帶來了不利影響,因此對這些DLN生物質燃燒機進行燃燒穩定性監測就變得迫切而重要,燃燒穩定性監測也是這些燃機安全、穩定、經濟運行的重要技術保障。
                          4  燃燒不穩定的表現及危害
                              燃燒不穩定主要表現為燃燒筒壓力的劇烈脈動、發出嗡嗡聲或尖利的噪聲。這種燃燒不穩的壓力大幅脈動,會引起回火、噴嘴熄火等問題,從而造成機組跳機,嚴重的會造成生物質燃燒機、火焰筒、逶平部件等昂貴熱通道部件的燒損或者疲勞損傷,從而影響使用壽命。圖4、圖5是燒損的燃燒器及噴嘴。
                              我國第一批引進9F型燃機的火焰筒鼓包、燃燒部件報廢率高、熱通道部件壽命比制造商推薦時間大幅縮短等問題,就與這種燃燒不穩定、燃燒蕩有關。由于我國電網峰谷差日益加大網,這些大型燃機也要頻繁參與電網的調峰,當調峰幅度較大時,這些采用DLN燃燒技術的燃機,就要頻繁地在不同的燃燒模式間切換,發生燃燒不穩定的風險大大增加。如果DLN燃燒調整的品質
                              圖5燃燒不穩定燒損的DL—2.0+生物質燃燒機噴嘴陰不理想,在燃燒模式切換點附近發生燃燒振蕩,則可能造成機組跳機,影響機組正常運行;或者對燃燒器、火焰筒、透平等部件造成損傷,縮短這些部件的使用壽命。
                          5  燃燒穩定性監測
                              燃燒穩定性監測是進行DLN燃燒調整、控制燃燒不穩定危害的基礎。而燃燒壓力脈動是反映燃燒穩定性的重要參數。因此,進行燃燒穩定性監測首先要采集燃燒壓力脈動信號。而由于燃燒筒壁溫度較高,一般不能直接安裝壓力變送器進行測量。一般在DLN生物質燃燒機上都通過安裝導壓管以用來安裝壓力變送器,測量燃燒壓力的脈動,如圖6所示。在導壓管處連接離頻響的壓電式壓力變送器,就可以采集到燃燒壓力的脈動信號。
                              由于環保要求的提高,現代燃氣輪機要求很低的NO。排放,因此燃料一空氣比的選取靠近于貧燃料富氧穩燃極限,燃燒穩定的區域變得很小,因此對生物質燃燒機的設計和運行要求很高。當燃料組分、環境條件等發生變化時,都會影響燃燒的穩定性,進而影響機組的安全穩定運行。因此,燃機燃燒穩定性監測非常重要。
                              在燃燒穩定性監測的基礎上,就可以進行燃的DLN燃燒調整。DLN燃燒調整的目的,就是在滿足NO。、CO排放要求的前提下,在各燃燒模式及切換點,盡可能提高燃燒火焰的穩定性,避免或減于燃燒不穩定、燃燒振蕩對燃燒器及熱通道部件的損傷。DLN燃燒調整得當,可以延長這些昂貴熱通道部件的使用壽命,降低維護成本。
                              對于DLN2.0+生物質燃燒機,DLN燃燒調整就是控制在各燃燒模式下D5、PM1、PM4各噴嘴的燃料分配比例,保證在各燃燒模式及切換點燃燒穩定,同時NO。、CO徘放滿足環保要求。通過控制D5、PM1、PM4各噴嘴的燃料分配比例,就實現了擴散火焰、先導預混火焰和預混火焰的控制和切換,也就達到了控制燃燒火焰溫度、降低NO。排放的目的。
                          6  結語
                              燃燒穩定性是采用DLN燃燒技術的燃氣輪機面臨的一個重要問題。為了達到更高的環保要求,現代燃機先進DLN生物質燃燒機的燃料/空氣比、燃料空氣的混合的控制范圍變得更小、更精確,因此,當環境溫度、濕度發生較大變化或者燃料組分發生變化時,就會引起燃燒不穩定、燃燒振蕩現象,造成機組跳機或損傷熱通道部件、增加維護成本、降低燃機的峰值出力。
                              國外燃機制造商從燃機采用DLN燃燒技術的初期,就已經開始對這類燃燒穩定性現象進行研究和監測。GE、三菱、西門子都擁有燃燒穩定性監測系統。據文獻[9]介紹三菱已經擁有第二代能進行自我調整的燃燒動態監測系統,能保證這類先進燃機的安全、穩定運行。美國電力科學研究院對DLN生物質燃燒機的燃燒穩定性,也進行了相當多的研究阢。我國在這方面的研究,起步比較晚,清華大學有分級預混燃燒穩定性理論研究的報道,而中科院熱物理所則對燃氣輪機合成氣燃燒室燃燒噪聲進行了研究。
                              鑒于我國已引進了相當數量的采用DLN蠛燒技術的F級先進燃機,且在實際運行中出現了火焰筒鼓包、燃燒部件報廢率高等與燃燒穩定性相關的問題,我國應加強對燃機燃燒穩定性的監測和研究。

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