9FA燃机透平排气分散度高的原因分析及预防对策

王亮茗

(江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213000)

0 引言

GE公司PG9351FA型燃气轮机(以下简称燃机)采用的是DLN2.0+燃烧室。在高温下连续运行，燃烧器、火焰筒等热通道部件难免会出现各种故障，运行中难以直接对这些高温部件进行监测以便及时发现故障，采用了测量透平排气温度的方法来监视判断高温部件工作是否正常。当燃烧室燃烧不正常，火焰筒、过渡段破裂引起透平一级喷嘴前温度场不均匀时都会引起透平进、出口流场和排气温度场的严重不均匀，因此，通过测量排气温度场是否均匀(即测量透平排气分散度的大小)，即可间接监测燃烧是否正常。分析总结燃机透平排气分散度大的原因并提出相应的应对措施，对确保机组的安全稳定运行，有着深远意义。

1 燃机的燃烧监测

PG9351FA型燃机在透平排气扩压段后通道中沿圆周方向上均布了31支排气热电偶，如图1所示。机组在稳定工况运行时，排气温度场不可能完全均匀，各热电偶读数总有所差别，因此，确定机组正常运行时允许各热电偶测量的温度差称为允许的排气分散度Sallow。燃机运行时，31支排气热电偶测量到的排气温度数值送至MARK-Ⅵ控制系统，按温度值从高到低得到温度值序列，按温度值从高到低排出它们的位置序列，计算出最高排气温度和最低排气温度之差为S1，最高排气温度和次低排气温度之差为S2，最高排气温度和第3低排气温度之差为S3。这3个实际分散度的值与允许分散度的值进行比较，并辅以这3个低点的原件是否存在相邻关系条件，将产生如下3种遮断跳机保护。

(1)若S1/Sallow≥1.00，同时S2/Sallow≥0.80，且排气温度最低和次低位置相邻，机组将遮断停机。

(2)若S1/Sallow≥5.00，同时S2/Sallow≥0.80，且排气温度次低和第3低位置相邻，机组将遮断停机。

(3)若S3/Sallow≥0.75，机组将遮断停机。

图1 燃机透平排气温度监视画面Fig.1 Gas turbine exhaust gas temperature monitoring screen

2 燃机透平排气分散度高原因分析

收集国内9FA级燃气-蒸汽联合循环机组自2005年投产以来发生机组排气热电偶故障和排气分散度高跳机案例，并分析原因。

2.1 排气热电偶故障

排气热电偶布置在透平排气热通道中，因测量环境恶劣，运行中受气流冲刷、机组共振影响，经常发生热电偶偏斜，热电偶严重磨损，固定点松动，接线端子松动，热电偶导线高温老化，导线裸露与相邻部件发生碰磨而开路，而这些都会导致排气热电偶测量失准或故障。通常在MARK-Ⅵ控制界面上发现有以下象征：监视有1个排气温度测点明显偏低，但相邻温度点均正常，或控制系统因S1/Sallow≥5.00，发出热电偶故障、燃烧故障报警，都可以判断出该排气热电偶故障。GE公司《9F级单轴燃气-蒸汽联合循环机组运行维护手册》[1]中指出：运行中一个排气热电偶故障时，机组可继续运行，但降低了机组运行的安全、可靠性，若发生相邻热电偶故障，或有3个排气热电偶故障，机组将遮断停机，因此，要尽可能及早更换和消除该缺陷。特别是在机组启动过程中，在燃机点火、全速、低负荷阶段应严密监视排气温度变化情况，这些阶段发生排气热电偶故障后，由于燃机温度较低，可立即进入现场进行更换或检查，在进行检查前必须解除排气分散度保护，维持机组当前工况，防止检查人员误动相邻热电偶造成排气分散度保护误动。在机组正常运行中发生排气热电偶故障，可将故障排气热电偶中间接线与其他热电偶并接，从而将故障热电偶旁路，直至机组停运后再及时消除缺陷。

2.2 燃烧室燃料喷嘴有异物堵塞

个别燃烧室由于喷嘴堵塞，局部燃料量减少，直接影响该燃烧室正常工作，使得排气温度场产生一个低温区，造成排气分散度高。出现该异常情况，一般都将使排气分散度保护动作，机组遮断停机，该异常情况在机组运行时起因突然，减负荷无效。某公司2台机组在2007年初连续出现数次因排气分散度高跳机，事后用内窥镜对有关燃烧室喷嘴检查发现喷嘴通道内有异物，异物来源是燃料管道的法兰上缠绕垫片的金属丝和石墨条，如图2所示[2]。

透平天然气集管和各燃烧室燃料歧管法兰均采用耐高温的石墨绕丝垫床，在机组运行一阶段后，石墨绕丝垫内圈焊点松脱和断裂后，碎片随燃料进入燃烧室喷嘴通道，造成燃烧不均匀，利用内窥镜和吸尘器将异物清除，同时将所有燃料集管和各燃烧室燃料歧管以及清吹管线上的法兰垫片更换成带内外环的缠绕垫片后，机组恢复正常。机组运行时，通流部分由于气旋作用，发生故障的燃烧室位置与排气热电偶测量位置之间有一个滞后角，并与负荷、压气机进口可转导叶(IGV)开度有关。机组运行一阶段后，对法兰密封垫要及时检查、更换，总结运行小时数，减少此类故障。

2.3 燃烧室燃料歧管破损，管道法兰漏气

将造成进入该燃烧室的燃料量减少，排气分散度高，燃机透平间内燃料外漏可以结合透平间危险气体监测系统进行综合判断。

图2 燃烧室喷嘴内的法兰垫碎片Fig.2 Flange debris in combustion chamber nozzle

2.4 燃烧室破裂，喷嘴烧蚀

燃烧室喷嘴烧蚀将造成火焰偏斜，火焰中心偏离设计区域，可能引起局部超温，排气分散度高。喷嘴组件发生故障后，会造成火焰筒、过渡段等部位变形、烧穿，一级喷嘴破裂损伤，而透平热通道部件超温危害极大，会直接缩短部件工作寿命。

2.5 火焰筒、过渡段变形、烧蚀

若火焰筒产生鼓包、凹陷变形、烧穿、过量空气漏入，同样会造成透平入口温度场不均匀，排气分散度高。联合循环机组负荷降低，并不意味着燃烧温度也降低，因为要保证最高的联合循环热效率，必须保持较高的余热锅炉入口烟温，因此，机组在部分负荷时通过IGV温控减少压气机空气流量，维持最高的排气温度。某厂同类型机组因天然气量少，为维持机组连续运行，经常维持180 MW负荷连续运行，结果在机组燃烧室检查时发现大部分火焰筒变形、开裂，如图3所示。因为机组在180 MW负荷运行时，燃烧方式为先导预混模式，此时大部分燃料仍以扩散方式燃烧，扩散燃烧火焰稳定，燃烧强度大，常用于机组低负荷运行。但在联合循环机组中，低负荷通过IGV温控减少压气机空气流量，维持最高排气温度，使得压气机排气压力降低，燃烧室部件掺冷空气量减少，冷却效果变差。经验表明，GE公司9FA机组在200 MW以下运行小时增加，造成火焰筒严重变形的概率大大增加。

2.6 一级喷嘴烧损、开裂，冷却空气流道堵塞

若排气分散度高是由燃烧系统故障引起的，造成的局部超温对透平一级喷嘴损伤很大，也直接影响其工作寿命。一级喷嘴根部裂纹如图4所示。

2.7 压气机进气加热系统故障

9FA燃机压气机进气加热系统(IBH)与IGV相互配合，具有扩大DLN 2.0+燃烧室预混燃烧工作范围和限制压比超限的作用，因此在部分负荷时，IBH控制阀参与压气机空气流量调节。当IBH控制阀发生故障，MARK VI逻辑判断IBH阀位与指令偏差超过15%，且持续时间超过15 s时，IBH将故障全开。当控制系统燃机复位后，IBH控制阀恢复正常开度，但此时压气机流量的突然改变会使燃空比瞬间变化，火焰稳定性突降，导致排气分散度大。

2.8 机组启停时，天然气控制阀调节品质差

机组启停过程中，由于燃料控制阀调节品质差，流量非线性，导致燃料量波动，燃烧品质下降，造成排气分散度增大。

图3 火焰筒受损Fig.3 Damaged combustion liner

图4 一级喷嘴根部裂纹Fig.4 Crack in the root of primary nozzle

2.9 燃烧切换

9FA机组在190～200 MW负荷进行燃烧切换过程中，切换点附近发生燃烧不稳定、燃烧振荡或燃料清吹阀故障，导致燃烧切换失败，此时燃料控制阀频繁动作，造成天然气流量波动，从而使排气分散度增大越限，引起机组遮断。

2.10 机组燃烧调整

机组进行燃烧调整时，调整不当使燃烧安全裕度低。同时，季节性的大气温度、湿度变化，天然气的热值变化以及燃料控制阀精度等抵消了安全裕量，造成机组排气分散度大，从而导致燃烧故障。

3 燃机透平排气分散度高采取的对策

燃机带负荷运行时，一旦出现排气分散度大报警，应引起足够重视，一般从以下几方面进行处理。

(1)如果排气分散度在增大，应持续减负荷运行；此时如果排气分散度继续增大，应考虑停机检查。

(2)IBH控制阀故障，应减负荷至180 MW，待燃烧切换后，D5供气环管重新投入，燃烧稳定后再进行控制系统复位，及时检查阀门定位器。

(3)定期检查燃烧部件、热电偶的问题，查明各燃料喷嘴燃料分配不均匀的原因。

(4)根据数据的趋势分析，停机前记录热电偶状况。

(5)停机后对火焰筒和过渡段进行孔窥检查或者拆出进行目视检查。

(6)检查燃料喷嘴、旋流器和各燃料支管，查明有无堵塞和烧坏。

排气分散度是燃机运行时表征燃烧状况好坏的重要参数，排除测量原因，一般排气分散度大都预示着燃烧系统发生了故障[3]。新安装或燃烧室更换后的机组，运行中的排气分散度都较小，但随着机组运行小时数和启停次数增加，热通道部件受热疲劳、热冲击、高温蠕变的影响，特别是在规定的燃烧部件检查(CI小修)前期，排气分散度大，说明透平入口温度场已出现了不均匀。国内同类型机组平时运行时排气分散度高，其热通道部件损伤概率较高。有些机组虽然排气分散度接近报警值，机组并无遮断，但热通道部件损伤已十分严重。

可以看到，采用单一的排气分散度对燃烧状况监测有一定局限性。GE公司在9FA基础上升级完善，采用了DLN2.6+燃烧室，该燃烧系统不仅有透平排气分散度监测系统，还配备了先进的燃烧压力波动监测系统CDM(combustion dynamics monitoring)和基于模型控制(model-based control)的燃烧自动调整(DLN Auto tuning)。在每个DLN 燃烧器上安装有导压管，在导压管处连接高频响的压电式压力变送器，就可以采集到燃烧压力的脉动信号[4]。采集到燃烧压力脉动信号后，应用频谱分析工具，例如快速傅里叶变换等，对燃烧压力脉动的特征频率和幅值等进行记录和分析(如图5所示)，若某一频段出现燃烧室脉动高，则进行燃烧自动调整。需要指出的是，燃烧调整不是针对某一个燃烧室，而是改变燃烧室喷嘴的燃料配比。燃烧压力脉动超过报警限值会进行报警，18个燃烧室脉动测量值的中值(不是最高值) 超过了临界值则自动降负荷, 直到脉动正常或退出自动燃烧调整功能，从而改善了燃烧动态品质。

图5 CDM监测显示界面Fig.5 CDM monitoring interface

安装了CDM和负荷快减保护后，系统就会在燃烧压力波动的初期监测到变化。该系统比单独采用排气分散度监测具有提前性，能在排气分散度增大前通过燃烧自动调整，来减小燃烧振荡，保护透平热通道部件，降低因排气分散度大引起的机组跳闸风险。

4 结束语

本文对GE公司PG9351FA型燃机透平排气分散度高的原因进行了全面分析，提出了一系列解决措施并简要介绍了更为先进的DLN2.6+燃烧室的CDM。从某公司10多年的运行情况来看，DLN2.0+燃烧室的稳定性及环保排放控制性能都相当好。若通过技术改造升级加装CDM，一定能够有效降低由于透平排气分散度高引发的故障频率，从而确保机组安全、高效运行。