某型燃气轮机燃料喷嘴故障研究

王广顺 郭 越

（1.北京黎明航发动力科技有限公司，辽宁 沈阳 110043；2.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

某型燃气轮机是在航机基础上研发设计而成，填补了国产10MW功率级燃气轮机的空白，取得了多项技术专利，并获得了辽宁省新产品鉴定及中航工业科技进步一等奖。作为我国第一台具有完全自主知识产权的燃气轮机，可广泛应用于发电、热电冷联供、应急电源、管输增压等动力装置。对该型燃气轮机中热值型机组停机进行热通道孔探仪检查，以确保燃气轮机始终处于完好、可用状态，保证用户安全、可靠运行。

1 故障描述

分解下燃料喷嘴并通过孔探仪检查，发现喷嘴头部有块状积炭，同时浮动环部件一侧跟随燃料喷嘴脱离原安装位置，而另一侧挡边则掉入燃烧室内部。分别检查15个燃料喷嘴及浮动环，发现均烧蚀严重，且部分喷嘴头部有过烧现象如图1、图2所示。

2 原因分析

2.1 燃料喷嘴设计尺寸。燃料喷嘴设计为加注蒸汽的双通道喷嘴，燃料及蒸汽从喷嘴头部的12个孔道进入燃烧室火焰筒。由于加注蒸汽，因此喷嘴孔道流通面积较仅注入燃料气的流通面积有相应加大。喷嘴浮动环由涡流器衬套和涡流器挡圈焊接组成（如图3所示），燃料喷嘴头部安装在浮动环内，浮动环对喷嘴起支撑和限制作用，同时对进入燃烧室内腔的空气起到引流的作用，从而使部分气流对涡流器起到冷却保护的作用。

2.2 浮动环金相检查。在实体显微镜下观察喷嘴浮动环衬套，发现断口氧化现象严重，断口边缘部位的晶粒增大，中心部位的组织强化相析出增多，未见断裂特征，为烧蚀形貌。除此之外，经实体显微镜观察，两个浮动环衬套的壁厚均有不同程度的薄厚不均现象，分析此现象产生的原因，应为浮动环衬套与喷嘴之间局部温度过高，导致衬套材料变软，工作过程中在振动应力的作用下，致使衬套壁厚减薄。同时在壁薄处可见明显的颜色变化。综上金相分析结果及试件外观变化，判断浮动环衬套的断口为高温烧蚀断口，浮动环衬套损伤均为高温烧蚀所致。

图1 燃料喷嘴

图2 浮动环

图3 浮动环焊接组件

2.3 运行条件。在GB/T 13674-92《轻型燃气轮机燃料使用规范》中，明确提出燃气轮机对气体燃料中液态碳氢物和水合物的要求是：“液态碳氢化合物和气体燃料的水合物——最高凝结温度应比燃料系统的最低温度低一个安全温度范围（一般为25℃～30℃）”。而用户燃料里明显含液态物质，导致进入燃料喷嘴的气体燃料中出现液体燃料。在气体燃料喷嘴设计时，采用直射方式，当气体燃料中含有液体燃料时，注入的含液体的燃料不能够雾化处理，则在局部形成射流燃烧区，对火焰筒可造成局部过烧故障；同时，当火焰后移至涡轮导向器时，可造成导向器叶片和涡轮的烧蚀或导致热通道部件的使用寿命大幅降低，甚至造成重大安全事故。

3 结论

经过对喷嘴及浮动环故障形貌以及机组运行条件进行分析，联产发电厂燃料喷嘴为燃用气体燃料喷嘴，由于加注蒸汽致使喷嘴的燃气喷口孔径变大；在实际应用中，加注蒸汽系统一直未投入使用；燃料气供气温度较低未达到规范要求，导致气体燃料中冷凝析出较多液体燃料。以上因素综合影响，喷嘴的燃气喷口孔径变大，使进入气体燃料喷嘴的燃料气喷射速度减弱导致火焰燃烧距离变小，火焰前移至喷嘴头附近燃烧致使局部温度过高；同时由于燃料气所含液态燃料不能充分燃烧，聚集在喷嘴头部形成积炭导致燃料喷口全部或部分堵塞，进一步降低了燃料流速使喷嘴头部火焰形成回流。这种情况积累到一定程度，在运行振动应力等的作用下，逐渐使喷嘴头与支撑和限制喷嘴头部的浮动环组件之间局部超温，最终回流的燃气燃烧后导致浮动环组件烧蚀并分离脱落。

4 建议措施

为满足联产发电厂机组继续运行的迫切需求，机组排故措施分为近期措施和远期措施两个阶段。

4.1 近期措施

4.1.1 燃料气去液。首先消除燃料气中含液态燃料问题，可采取的措施有：在燃料气供气管线出口至燃气轮机燃料进口范围内，增加管线伴热装置，以保证燃料气供气温度要求，消除燃料气中液体燃料含量；或在气体燃料进入燃气轮机前加设气液分离装置，以消除液体燃料。

4.1.2 浮动环临时改制。更换15个喷嘴浮动环，临时将喷嘴浮动环结构进行更改，改制后的浮动环将涡流器衬套与涡流器挡边以整体方式加工，取消涡流器衬套内挡边，密切关注运行状态以确保机组的运行安全。

4.2 远期建议。在消除液态燃料进入燃气轮机的前提下，尽快将加湿和注蒸汽系统投入运行，以保证喷嘴工作在设计状态；或将燃料喷嘴改进设计，将喷嘴头部燃气喷口尺寸缩小，以提高燃气从喷嘴孔向火焰筒的喷射速度，使燃烧火焰后移，减小火焰前移的可能性，避免此类故障再次发生。

[1]刘凯，张宝诚，马洪安，等.某重型燃气轮机双燃料喷嘴组试验器研制及流量试验[J].燃气涡轮试验与研究，2008，21（02）：48-52.