摘要：燃气轮机是装备制造业的高端装备，典型结构如图1所示，被誉为现代工业皇冠上的明珠，是多学科先进技术的高度集成，是国家高科技水平的重要标志。燃气轮机的燃烧控制包括燃料气量控制和空气量控制两大方面，涉及燃料气阀控制、VGV控制、启动控制、变工况控制等方面内容。其中燃料气阀流量特性曲线的测定及燃烧控制系统中的启动升速燃气分配曲线、升速燃气分配曲线、VGV开度曲线、匹配燃气阀动作的阀门开度-燃烧功率曲线是燃烧控制的核心。不同的机组、不同的安装使用环境，需要按照实际情况对上述曲线参数进行优化调整，以保证机组在启动、不同负荷段运行、变工况调整情况下的稳定运行。
关键词：燃气轮机；燃烧控制；原理
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图1典型燃气轮机结构
1燃气轮的分析
燃气轮机作为一种高效的动力机械，广泛应用于发电，工业驱动，船舶动力等领域，然而中国尚未完全掌握其研发和制造技术，特别是大功率燃气轮机，其市场一直被通用电气，西门子等国外公司垄断。此外，随着各国对环境保护愈来愈重视，对燃气轮机的排放水平要求也更加严格，因此低排放燃气轮机更加受到重视。燃气轮机由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成。燃烧室把来自前端压气机的一部分压缩空气和喷入其中的燃料进行混合，形成的可燃气体混合物在火焰筒内部被点燃，并在定压条件下充分燃烧，形成高温燃气，燃料的化学能在燃烧室内被转化为燃气的热能。高温燃气与另一部分压缩空气混合均匀后进入后端的涡轮中膨胀做功，所转化成的机械能，一部分用于带动压气机转动，另一部分用于输出轴功。燃气做功后形成的尾气或者为联合循环的余热锅炉提供热源，或者直接排入到大气环境中。燃气轮机所排放的主要气体污染物包括氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）和未燃碳氢化合物（UHC）等。CO和UHC在具有充足的化学反应时间和足够高的燃烧温度的条件下可进一步氧化为二氧化碳和水，对固定式燃气轮机这两种排放物的排放水平相对容易控制。相对难以控制的气体污染物是NOX，其过量排放破坏臭氧层，还会引起光化学烟雾，对环境和人类健康造成很大的危害。
2燃气轮机燃烧仿真
燃烧室燃烧仿真面临的困难主要在于：燃烧反应过程中化学组分多；模拟对象燃烧过程中长度尺度和时间尺度跨度范围大；化学反应的高度非线性和温度、反应物浓度的湍流脉动是耦合在一起的。以碳氢燃料燃烧来说，反应中涉及的化学组分就多达上千种，为了在实际研发过程中模拟燃烧过程，必须有适当的简化机理来满足现有计算条件且尽可能准确的捕捉燃烧过程。一般地，燃烧室的特征长度在几百毫米左右，但燃烧过程中最小的湍流特征长度只有几十微米，相差千倍以上，为了精确模拟该过程，即使采用直接数值模拟（DNS）也是相当困难的，因为计算量惊人。在实际燃烧室研发过程中，多采用大涡模拟（LES）或雷诺平均（RANS）的方式来解决以减少计算量，采用RANS的方式就不可避免的需要采用湍流模型，大涡模拟中也需采用亚格子模型，上述这些湍流模型对于燃烧过程中流动结构的发展、演化有重要的影响。至于化学反应与组分浓度、温度的湍流扰动的相互作用，需要采用燃烧模型来解决。根据燃烧过程中燃料和氧化剂的不同进入方式可以分为预混燃烧、非预混燃烧、部分预混燃烧，可以根据不同的燃烧方式选择合适的燃烧模型。也可根据化学反应速度分为快速反应的模型和有限反应速度的模型，若只考虑流场和温度场，可以选用快速反应的模型，若还需考虑组分浓度分布，则应选择有限反应速度的模型。如果燃料形态是液体，还需考虑液体的喷雾及蒸发过程。此外，燃烧室燃烧过程中，产生的热有一部分通过辐射的方式传递给火焰筒壁面，准确预测壁面温度选用适当的辐射模型很重要。
3燃烧室燃料分级工作原理及启动过程燃烧控制
3.1燃烧室燃料分级工作原理
燃气轮机由18个燃烧室按照规律周向布置组合而成。每个燃烧室配备有5只燃料喷嘴，每只燃料喷嘴的标准配置是1只扩散通道和1只预混通道。燃气轮机的5个燃烧室相互配合，共同作用、合理分工。其中的4只预混通道相互连接，组合形成了PM4支管，在这个过程中，VGC－1气体制阀同时作用，调节燃料气体内的流量。如此，燃烧轮机的通道燃料就划分为了并联的三级，而且分别由3只控制阀来具体控制燃料气体的流量。燃气轮机的燃料系统之于燃气轮机有着更重要的作用，它的组成由附带线性可变动的差动变压器气体燃料截止/速比阀VSR。或者是线性的可变差动变压器气体控制阀VGC－1与VGC－2和VGC－3与部分压力开关以及压力传感器等一些附属设备共同组成，这些设备共同工作，实现燃气轮机的正常运转。燃料截止/速比阀VSR能够充当燃料的压力调节阀且充当燃料的截止阀。根据燃机转速控制VGC的进口压力，一旦发生事故，则要快速将燃料供应切断，使得燃气轮机可以停止运行。燃料控制阀VGC1、2、3的功能是根据燃气轮机运用的具体要求，提供相应数量的天然气。当前燃气轮机燃烧室与分级燃烧技术的相关研究相对较少，分级燃烧在本领域内属于一项先进高效、清洁环保的技术，可以划分为空气分级与燃料分级两种技术，燃料分级则可以分为并联燃料与串联燃料。其中，并联燃料分级可有效防止燃料结焦，应用相对广泛。
3.2启动过程燃烧控制
SGT200-2S型燃气轮机采用电动机作为启动机，启动时电机将燃机拖动至2500rpm，定速吹扫2min，然后由电机拖动燃机进入点火加速阶段，电机在燃机压气机转速达到6096rpm时退出运行。该型号燃机的启动提供了3种预设的燃料控制曲线（WindowA/B/C），不同的曲线对应有不同的启动功率初始值、限制值和升速燃气分配曲线。启动功率初始值、限制值控制启动时主燃料气阀和辅助燃料气阀初始开度的总燃烧功率。升速燃气分配曲线控制升速过程中燃烧功率的变化速率、主燃料气阀和辅助燃料气阀燃烧功率分配值及其对应的阀门开度值。转速的升高速率取决于燃烧功率的增加，当辅助燃料气阀开度达到最高值是启动完成，动力透平转速达到7600rpm。从中可以看出，启动阶段辅助燃料气阀和主燃料气阀的开度都是不断增大，辅助燃料气阀在这一阶段除了要保持火焰稳定，还参与动力输出。
3.3运行过程燃烧控制
SGT200-2S型燃气轮机机组进入正常运行状态后，主要是变负荷工况的调节。机组启动的目标是使动力透平轴转速达到7600rpm。达到该转速后机组进入运行状态，此时燃机有两种控制模式：动力透平（PT）转速控制模式和燃烧温度控制模式。正常情况下，机组为PT转速控制模式，此时可以通过手动设定PT转速，来提高或降低功率输出，当设定的PT转速变化时，机组会根据燃烧控制曲线来开大或关小主、辅燃料气阀，同时压气机轴转速会随之变化，VGV开度也会根据控制曲线来调整。当机组达到出力极限，燃烧室温度达到设计额定温度时，机组进入温度控制模式，为燃烧室温度控制，此时机组处于限制出力状态。
4结束语
总而言之，燃气轮机的燃烧控制涉及燃气轮机的工作过程、燃烧室燃料分级工作原理、燃烧室控制过程三大方面，涉及燃料气阀的控制、机组启动控制、变工况控制等三大内容。不同机组、不同安装使用环境下，需要从多个角度进行控制和调试，以保证机组稳定运行。
参考文献
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[3]王瑞欣.燃气轮机燃烧器入口段结构对旋流预混燃烧影响的数值模拟[D].华北电力大学(北京),2018.
论文作者:杨雨
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：燃气轮机论文; 燃料论文; 燃烧室论文; 气阀论文; 机组论文; 转速论文; 曲线论文; 《电力设备》2019年第22期论文;