【长知识】GE公司6F.01燃气轮机DLN 2.5H燃烧系统
导读
介绍了GE公司的6F.01燃气轮机及其主要技术特点，阐述了在6F.01 燃气轮机上应用的DLN 2.5H燃烧系统的各种燃烧模式，并与GE公司其它的DLN燃烧系统进行了比较，分析了各个DLN燃烧系统在燃烧室结构、喷嘴布置及燃烧模式上的主要技术特点和区别。
为了降低NOx排放量，电厂之前普遍采取向燃烧区注水或水蒸汽的措施来降低NOx的排放水平。但随着环保要求越来越严格，通过注水或水蒸汽来进一步降低NOx排放水平，会对燃气轮机的性能、部件寿命及检修间隔等产生较大的负面影响，并且CO和UHC( 未完全燃烧碳氢化合物) 等污染物的排放量开始大幅增加。基于这些因素，各大燃气轮机生产厂商开始寻求其它NOx排放控制技术，目前广泛采用的是干式低NOx(DLN)燃烧技术，即通过对燃气轮机燃料和空气的预混，并合理控制掺混比例，使燃烧室内进行贫燃料燃烧，且燃烧火焰面温度低于1650 ℃ (空气里N2氧化生成NOx的起始温度)，从而控制NOx排放。
1GE公司6F.01燃气轮机简介
GE公司地面发电用燃气轮机以7系列燃气轮机为基础，模化发展出6系列和9系列燃气轮机，涵盖了各个功率等级。源自GE大量的运行经验和技术，6F.01燃气轮机应运而生，其在热力回收应用领域提供低成本发电产品，包括针对流程工业的热电联供，市政区域供热和中型联合循环电网支持。
6F.01燃气轮机即最早于2004 年在土耳其安装运行的6C燃气轮机（即6FA.03），该型燃气轮机在6B燃气轮机技术的性能和经验基础上又发展了一步，是GE公司F级技术经验在40MW燃气轮机上的运用成果。它吸取了F级技术的燃料适应性广、可靠性高、可用性强、可维护性好等特点。6C燃气轮机设计功率为42MW，在通过一系列的系统升级和冷却密封等技术的研发改进后重新命名为6F.01，原机型已经累计运行超过11万小时。
6F.01燃气轮机燃烧温度达1370 ℃，透平排气温度602 ℃，单机输出功率51MW，热效率38%；“1 + 1”联合循环输出功率75 MW，热效率接近56%，是迄今为止100MW以下燃气轮机在联合循环领域可以企及的最高效率。和6C相比，6F.01燃气轮机出力增加，热效率提高，联合供热后效率更可超过80%。
6F.01燃气轮机的技术特点如下:
燃气轮机和辅机模块化设计，易于安装、调试、检修和维护，配备50/60Hz高效率负荷齿轮箱，Mark VIe控制系统。
12级轴流压气机，全三维气动设计，3级进口可调导叶，压比20.7，贯穿拉杆螺栓结构，所有叶片现场可换。
6个环管型燃烧室，先进DLN 燃烧系统，NOx排放的体积分数为25ppm，燃烧室设置了检修人孔，过渡段和火焰筒的检修更换无需开缸。
3级高效率透平，全三维气动设计，第1级动叶采用了单晶材料，其余动叶和静叶为定向结晶和等轴结晶材料，采用先进的冷却和分配技术，贯穿拉杆螺栓结构。
2DLN 2.5H燃烧系统
2.1 烧天然气的DLN 2.5H燃烧系统和运行模式
6F.01燃气轮机采用DLN 2.5H燃烧系统，是GE公司2000年以来开发的新型DLN燃烧系统，最初是针对蒸汽冷却的H级燃气轮机设计的，现主要应用在7H、9H 和52E 燃气轮机上。DLN 2.5H燃烧室的喷嘴布置如图1所示。
6F.01燃气轮机DLN 2.5H燃烧系统采用“4+1”喷嘴布局，即4个外围喷嘴加1个中心喷嘴，3套天然气燃料管路(D5、PM1、PM4)，管路说明见表1。
DLN 2.5H燃烧系统烧天然气的运行模式如下:
扩散燃烧模式D5: 气体燃料直接通向燃烧室的扩散通道D5，从点火到部分额定转速的过程中采用该模式。
子先导预混燃烧模式D5+PM1:气体燃料通向燃烧室的扩散通道D5和预混通道PM1，从部分额定转速到低负荷之间采用这种模式。
预混燃烧模式PM1+PM4:气体燃料全部喷入每个燃烧室的预混通道PM1和PM4。在这个燃烧模式下，调高PM1喷口的燃料进气量有助于扩大低负荷运行范围。各个喷口的配气比例仅根据燃烧基准温度TTRF来调整。从中等负荷到基本负荷之间采用该模式且机组排放符合相关环保规定。
先导预混燃烧模式D5+PM1+PM4:气体燃料全部喷入每个燃烧室的预混通道PM1、PM4和扩散通道D5。该模式下D5通道配气量是关键，为了避免振荡燃烧，尽可能多的气体燃料通入扩散通道D5，剩下的气体燃料通入各预混通道且仅维持预混通道里的气体燃料压比稍高于最小压比。从中等负荷到基本负荷之间作为备用燃烧模式被采用，该模式下机组的排放不满足相关环保规定。
2.2 清吹系统
就DLN燃烧系统而言，清吹系统是重要的组成部分。清吹系统是在燃烧系统运行期间，将压气机排气引进暂时未通入气体燃料的管路和喷嘴进行冷却，并能有效防止管路和喷嘴中上次残留气体燃料的自燃。
6F.01燃气轮机DLN2.5H燃烧系统稳态运行时清吹气体与压气机排气的压比有一定要求，该值最大为1.0，过高的压比会使进入燃烧室的清吹气体速度和流量增加，从而引起振荡燃烧。同时，稳态运行条件下清吹气体在燃烧室端盖下游处存在一定压损，目的是为了防止燃烧气体回流/横流进入燃料喷嘴，造成零部件的损坏。
3GE公司DLN燃烧系统比较
自20世纪80年代以来，GE公司就不断开发和改进DLN燃烧技术，除DLN 2.5H燃烧系统之外，还陆续推出了一系列先进的DLN燃烧系统，包括DLN 1、DLN 1+、DLN 2、DLN 2+、DLN 2.6、DLN 2.6+，被应用在不同GE 型号和级别的燃气轮机上。其中，DLN 1系列是针对E级燃气轮机(燃烧温度1093℃～1204℃) 开发的，采用轴向分级燃烧室; DLN 2系列是针对F级燃气轮机(燃烧温度1260℃～1427℃)开发的，同样被应用于H级燃气轮机(燃烧温度1427 ℃～1593℃)，采用径向/周向分级燃烧室。
GE公司燃气轮机DLN 燃烧技术的演化见图2。
DLN 1燃烧系统采用的是分级燃烧技术。一级燃料喷嘴布置在二级燃料喷嘴的外围，形成了沿径向的燃料分布，并且一、二级燃料的相对轴向位置前后错开，充分利用火焰筒的横截面进行燃料分级。与其他DLN燃烧室相比，其中心体组件伸入火焰筒内部，火焰筒筒体上有文丘里组件，所以火焰筒结构较复杂，需要合理地分配大量的冷却空气。
DLN 1+燃烧系统在DLN 1的基础上重新设计了二级燃料喷嘴，优化了文丘里组件，增强了燃料和空气的预混，同时将火焰筒末端的二次空气掺冷孔后移，并采用分级掺冷技术，将燃气轮机NOx的排放控制在了更低的水平。
与DLN 1系列燃烧系统相比较，DLN 2系列燃烧系统燃烧时只有一个燃烧区域。由于DLN 2系列燃烧系统是为更高燃烧温度的燃气轮机设计，要求除参与混合燃烧之外的空气(例如冷却用空气)尽可能少，因此取消了DLN 1系列燃烧室中需要空气冷却的文丘里和中心体组件。
DLN 2.6燃烧系统最大的特点是在DLN 2燃烧室中心轴方向增加了第6个较小的喷嘴，该喷嘴的燃料流量和燃料空气比可独立调节，且在整个燃烧过程中始终投入运行，能够确保机组在低负荷运行范围内稳定燃烧，同时促使燃气在燃烧室里停留足够的时间，让CO得到充分完全的燃烧，降低了CO排放。DLN 2.6燃烧系统除了改进燃烧室喷嘴布置之外，在燃烧模式上也进行了优化，采用了全预混燃烧模式，每只喷嘴取消了扩散通道，仅保留了预混通道，简化了燃烧室结构。
而DLN 2+和DLN 2.6+相对于DLN 2和DLN 2.6来说，取消了布置在燃烧室边缘的四次气燃料喷嘴，同时燃料喷嘴摈弃了旧的设计swirler/peg，采用了新的设计swozzle。swozzle燃料喷嘴是在DLN 2+和DLN 2.5H燃烧系统设计时引进的。
swozzle喷嘴将燃料喷射口nozzle 与旋流器叶片swirler结合在一起，所有这些都在燃料喷嘴本体内，因此提供了一个混合更好、更稳定的燃烧区域。
DLN 2、DLN 2+、DLN 2.6、DLN 2.6+燃烧系统各燃料喷嘴布置见图3。
swirler/peg和swozzle燃料喷嘴外形见图4。
相对于DLN 2.6+燃烧系统的“5 + 1”喷嘴布局来说，DLN 2.5H采用了“4+1”喷嘴布局，减少了外围的一个燃料喷嘴，结构更加紧凑。DLN 2.6+燃烧系统中的中心喷嘴采用的是全预混燃烧模式，而DLN 2.5H燃烧系统的中心喷嘴采用的是预混加扩散燃烧，在保证了燃烧稳定和排放达标的前提下，燃烧系统调节更为灵活。各DLN 燃烧系统之间的区别见表2。
4结语
经过30多年的发展历程，DLN燃烧技术已经积累了大量的成果和实际运行经验，是当今国际上普遍采用的成熟技术。得益于DLN技术的运用，电厂排放物中的NOx才能不断满足今天日趋严格的环境保护要求。而相对于GE公司其它DLN燃烧系统，DLN 2.5H燃烧系统不论是在燃烧室结构和燃料喷嘴布置上，还是在运行模式上，都较为简单，完全符合GE公司燃气轮机燃烧系统设计研发的目标，即在保证排放性能的基础上提高燃烧系统的运行操作方便性，这也有利于电厂的运行操作人员。
来源：GE公司6F.01燃气轮机DLN 2.5H燃烧系统，张亚平，燃气轮机技术，第28卷第3期，2015
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