燃气轮机燃烧室部件故障研究

李德兵

(福建晋江天然气发电有限公司，晋江 362251)

S109FA联合循环机组在标准工况(ISO)下可输出功率395.48 MW，其中燃气轮机功率为255.6 MW，压气机压比为15.4，配有18个干式低NOx分管燃烧室。在满负荷工况下燃气轮机排气温度可达605.5 ℃，而透平入口燃气初温可达1 327 ℃，控制系统MARK Ⅵ通过测量透平排气温度的间接监测方法来判断高温部件的工作是否有异常。基于此，引入了排气分散度作为判断燃烧是否异常的依据。燃烧部件出现异常或燃烧不正常，将导致排气温度流场严重不均匀，排气分散度大。因此运行中时刻需要对排气分散度进行监视[1]。

以往出现燃气轮机燃烧室分散度大故障时，无法准确地判断故障点，往往在分散度大导致跳闸后被迫进行处理，处理时间长且低效，未能在故障初期提前预判。某电厂在运行中发生一起分散度大故障，本文通过对分散度数据进行收集、分析，结合燃烧室结构，建立三级预警机制，对燃气轮机的燃烧室故障进行精准判断。从本文实例可以看出，加强对燃气轮机分散度的监视及分析，对燃气轮机的安全运行具有重要的意义。

1 DLN 2.0+燃烧室简介

燃气轮机燃烧室是一种用高温合金材料制作的燃烧设备，在整台燃气轮机中位于压气机与燃气透平之间，主要作用是进行有效的燃烧、控制燃烧初温及控制NOx的生成[2]。

GE公司配套的F级燃气轮机燃烧室型号为干式低氮DLN 2.0+，燃烧室为分管逆流式结构。总计有18个燃烧室，每个燃烧室主要包括燃料喷嘴、联焰管、火焰筒、过渡段等。DLN 2.0+燃烧室结构见图1。

2 分散度大事件经过

2018年8月至2018年9月，3号机组负荷从280 MW升至满负荷345 MW后，呈现几个特点：

图1 DLN 2.0+燃烧室结构示意图

1)第一分散度由25 ℃升高至43 ℃，最低温度点由TTXD1_13转变为TTXD1_12；

2)TTXD1_11、TTXD1_12、TTXD1_13存在一个温度比TTXM低约10 ℃左右的低温区；

3)低温区存在一定的偏转规律[3]，符合升负荷时低温区逆时针移动的规律，分散度数据见表1。

表1 机组变负荷期间分散度采样数据

3 故障分析

机组分散度异常主要有几点原因：(1)热电偶故障；(2)燃烧喷嘴堵塞；(3)火焰筒空气短路；(4)过渡段空气短路；(5)火焰筒鼓包烧穿。根据3号机组分散度现状进行逐步排查及分析，过程如下：

1)排气热电偶低温点随负荷的增减有一定的偏转规律，因此，热电偶测点故障的可能性较小，可以排除。

2)机组燃烧切换前分散度良好，燃烧切换升负荷后，随着D5的退出，PM4燃料加大，分散度逐渐加大。 PM4刚投入时分散度之所以未有明显变化，可能原因是此时以D5扩散燃烧为主。因此， 3号、4号、5号燃烧室的PM4燃料喷嘴存在异物或堵塞的可能性较大。

3)机组启、停过程中在PM模式切换前分散度良好，切换后分散度快速上升，负荷稳定后分散度缓慢下降至一稳定值，因此，3号、4号、5号燃烧室的火焰筒空气短路的可能性较大。

4)3号机组启动至280 MW负荷时分散度突升，因启动时加载较快，当负荷趋于稳定时，分散度也下降，高负荷时分散度逐渐增大。

5)根据偏转角的偏转规律[3]，3号、4号燃烧室故障的概率大，但其脉动正常。

6)从3号机组满负荷的玫瑰图(见图2)可以发现一处存在明显的低温点。

图2 3号机组满负荷玫瑰图

4 分散度异常处理经过

针对3号机组分散度大的问题，其处理方案主要结合机组运行方式，见缝插针地进行针对性的检查，主要检查及处理工作如下：

1)9月份对3号机组燃气轮机进行压排缸及燃烧室检查，未发现异常，机组开机后分散度与检查前一致，未改善。

2)11月份利用机组停机机会再次对3号机组燃气轮机进行孔探检查，重点检查2号、3号、4号、5号燃烧器PM1、PM4内外通道，发现5号燃烧器中有少许石墨碎片，遂将碎片吸出。机组开机后分散度与检查前一致，未改善。

3)12月份结合机组D级检修，第三次对3号机组燃气轮机进行孔探检查，并扩大排查范围，检查发现4号燃烧器火焰筒密封圈缺失(见图3)，加装密封圈后，机组开机后分散度最大为25 ℃，分散度正常。

图3 缺失密封圈的火焰筒

通过检查、分析认为，引起3号机组分散度异常的主要原因为火焰筒密封圈缺失。

5 分散度异常小结

燃烧部件故障产生原因复杂，但其共同的特征是产生低温区或高温区，同时低温区或高温区的分布会随着负荷的变化而呈现规律性的变化。不同的燃烧故障表现出来的特征略有区别，可能同时呈现不同的故障特征，只有通过大量、细致的数据观察和分析，才能作出合理的判断。根据近年来的DLN 2.0+燃烧故障，不同燃烧故障引起的分散度异常快速判断及特征总结见表 2。

表2 分散度异常快速判断及特征

6 防范措施

为避免分散度大影响机组正常启停，建议采取以下防范措施：

1)建立合理的压排缸检查及燃烧室孔探周期，提前发现燃烧部件异常。

2)机组日常运行时加强对分散度的监视、分析，根据实践经验，建立DLN 2.0+燃烧室稳定工况时的分散度三级预警、跟踪、处理机制，以机组C级及以上检修后首次启动后正常的第一分散度为基准：(1)设立第一分散度增加10 ℃的报警机制，此时为故障的初期阶段，常规检查一般很难发现故障点，运行人员应加强监视；(2)设立第一分散度增加15 ℃的分析、跟踪机制，此时为故障的发展阶段，各级专业人员应加强分析、跟踪、对比，为机组停机后检查做好检查方向的判断；(3)第一分散度增加25 ℃的处理机制，此时为故障的快速恶化阶段，应结合机组运行方式尽快停机检查。

3)机组检修期间应加强对天然气管道及燃烧室燃料环管的清洁度监督，防止异物进入管道引起分散度异常。

7 结 论

本文针对燃烧室部件故障引起的分散度大的问题，对其处理过程进行了分析、提炼，为同类型电厂的燃烧室部件故障分析提供了快速判断的简便方法。本文针对分散度大的问题提出经验总结和措施，研究成果可为F级燃气轮机燃烧室的安全运行提供一定的借鉴。