燃气轮机燃烧故障原因与检修策略探究

齐立武 刘齐 霍志勇

摘要：燃气轮机是传统火力发电厂中的重要发电设备，燃气轮机机组在运行过程中燃烧室有时会出现异常故障，检修人员必须提高对异常故障的诊断技术水平，根据相关故障原因及时采取排障措施，保障燃气轮机的安全运行。本文首先对燃气轮机做出概述，并通过实例分析燃气轮机燃烧故障的原因和相应策略，以供参考。

Abstract： Gas turbines are important power generation equipment in traditional thermal power plants. Abnormal failures may sometimes occur in the combustion chamber of gas turbine units during operation. Maintenance personnel must improve the technical level of diagnosis of abnormal failures and take timely troubleshooting measures based on the causes of related failures. Ensure the safe operation of gas turbines. This article first gives an overview of the gas turbine， and analyzes the causes and corresponding strategies of the combustion failure of the gas turbine through examples for reference.

关键词：燃气轮机;燃烧故障;故障原因;检修策略

Key words： gas turbine;combustion failure;failure reason;maintenance strategy

中图分类号：U664.131                              文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0127-03

0  引言

随着我国城市化发展脚步的不断加快，为了更好的满足市民的用电需要，国家大力引进燃气轮机设备，将其当作主要的发电设施。

1  燃气轮机概述

对于燃气轮机而言，其属于旋转式动力机械，主要是把连续性流动的气体作为相应的工质，完成热能至机械能的转化。就空气及燃气的相应流程而言，只是存在燃气透平、燃烧室及其压机几个相关部件组成的相应燃气轮机循环，我们将其称作简单循环，很多的燃气轮机都是采用这样的工作模式。这主要是由于这种循环模式结构比较简单，同时可以使燃气轮机独特的重量较小、启动快速、体积较小、少用或是不用冷水等众多方面的优势得以充分展现。

2  几种燃气轮机燃烧故障分析

2.1 V94.3A燃气轮机燃烧故障

2.1.1 故障描述

在燃气轮机的基本组成中，燃烧室可以说是其“心脏”，在确保稳定燃烧的状况下才能使燃气轮机正常稳定地运转。若是发生熄火和回火等多种不良燃烧的状况，燃气轮机运转的稳定性必然会有所下降。举例说明，V93.4型燃汽轮机，燃烧室采用环形结构，共计24个混合型燃烧器，这样的结构能够使扩散燃烧与预混燃烧得到更为充分地实现。这种类型的燃气轮机尽管工作效率较高，且比较安全，具有众多方面的优势，然而经常会发生燃烧不是十分稳定的情况，且比较容易产生跳机问题。

发生事故以前，燃气轮机一切运行状态正常，而机组相关运行参数均未出现异常状况。在负荷处在260兆瓦稳定运作的状况下，燃气轮机突然间产生ACC>GW3对应的保护动作性警报，机组立即予以相应动作做出跳闸反应。为了更加良好地分析该次故障问题，需要从整体上把控相应的燃烧监测原理和保护定值概念。

2.1.2 燃烧监测原理和保护定值

在燃气轮机的内部构造中，出现较为强烈的化学反应，受到扰动的影响，比较容易产生振荡的情况，压力也随之波动的问题一般被称之为燃烧不稳定状态。通常而言，在燃烧室的测量中，包含的测量工作是动态压力和动态振动。对于动态压力来讲，通常是对压力传感器加以运用，从而获取相应的多幅值和多频段。对于动态振动来讲，通常是对ACC传感器加以运用，可以在不同外缸频率状况下调节振动变化速度相应幅值。就于燃气轮机来讲，保护限定值的主要构成包含GW1、GW2、GW3和GW4几个部分。在转速大于2850转/分时，GW1、GW2也就会将对应的监护保护加以启动，然而30秒过后会自主将完成闭锁动作。扩散及预混两种燃烧模式互为转化期间，GW1与GW2在出现延时动作的2秒过后，自动进行闭锁，但GW3始终处于可用状态中。GW4升高到基本负荷运行这一过程中，能够对加速水平的早期监测进行相应的提供。

2.1.3 故障分析

在查看故障發生时相应的频谱图后，可以有三个因素体现出在故障问题产生以前燃气轮机是一个异常的状态中。全时域中频段所对应的燃烧噪音信号通常比较强，与此同时，高、低频段相应的ACC数值较为接近。跳机动作发生时，中频段所对应的ACC信号会呈现出大幅度的变强，提示这次跳机故障问题产生的原因便是燃烧。为了进一步针对燃烧不是十分稳定的有关原因进行分析，需要针对燃气轮机所承担的负荷、大气对应的温度与湿度、OTC温度等有关的成分予以检测并做出分析，从中可知天然气的主要成分发生了一定的改变。所以，天然气成分是促使该次故障产生的原因具有比较大的概率。认真对天然气相关成分加以分析，得知氮气在其中占据的比例为1.722%，显然高于汽轮机氮气相应的设计值，这样便能够确定此次出现跳机故障问题的重要原因即是天然气气质性变化所造成。

2.1.4 检修总结

经对该次故障产生的原因进行分析确定是燃烧故障以后，分别对八个重点影响因素实施相应的信号检测，并主要对压气机紧扣、燃烧室入口位置、天然气控制模块、压气机入口位置等进行相关检测。利用负荷变化对应的曲线分析燃机负荷的实际情况，可以得到负荷和频谱中对应数值相互间的联系。使用温湿度相应变化曲线对大气的温度和湿度加以分析，通过对IGV角度位反值的应用，分析对应的开度，分析出口温度变化的相应情况，可以得到OTC温度，通过对开度和出口压力相互间关联的运用，分析压气机对应出口处的压力值，通过ARGUS频谱数值与天然气温度二者间的关系，分析天然气对应的温度。这一次的故障问题中，重点看到了燃烧噪声具有较大的波动、ACC保护被触发等问题。

2.2 9F机组燃烧故障

2.2.1 9F机组燃烧系统监测

正常工作状况中，9F机组工作过程中的温度保持为1400度。因此，燃烧室与过渡段在出现损伤问题时，亦难以对相关的高温部件实施检测，给故障问题的产生留下安全隐患。具体生产中，主要通过对排气温度的应用，间接性检测相关高温部件。如果是由于燃气轮机中出现了破损和裂纹等相对比较严重故障的问题，便有可能导致压气机和透平在出口处对应的排气温度下，使其处于不稳定状态，并导致进口位置流畅出现不均匀的情况。所以，测量相应的排气温度场，能够科学地预测9F机组燃烧故障问题。该机组为了使得到的排气场温度更加准确，在对应的排气通道中设立了31根热电偶。有所不同的热点偶通过测量对应的读数之间存在一定差异，所以需要事先进行标准的制定，确立出不同热电偶温度差是多少属于正常的范围。因此，我们在这里将温度分散度的概念引入其中，其采用S加以表示，是压气机出口处对应温度与平均排气温度之间的函数。S1代表排气温度热电偶的最高读数，S2代表排气温度热电偶的最低读数，S3代表排气温度热电偶第二小读数与第三小读数之间的差值。

2.2.2 故障报警的判断

①热电偶故障报警。

在S1∶S2>K2=5时，系统便会对外界进行信号的发射。燃气轮机在正常运转状况中，对应的排气温度S1>S。若S1>K2，排气温度分散度便是允许值的五倍之多，充分表明产生了故障问题。

②燃烧故障报警。

在S1>S，同时S1∶S>K1时，提示燃气轮机燃烧工作状态异常。换言之，出现了故障燃烧的问题，需要针对燃烧检测对应的警报信号予以发出。

③排气温度和分散度太高产生遮断问题。

在燃气轮机燃烧系统产生故障问题时，极为可能造成排气温度分散度产生一定的变化。这时，需要针对机组实施遮断处理。具体工作中通常分成如下几种情况：1）在K1K2=0.8时，第二小排气温度测点与第三小排气温测点紧邻。3）S3∶S>K4=0.75时，机组中具有的主保护系统会产生对应的动作，呈现为遮断停机的状态。4）在S1：S>1时，这时便会产生一定的通讯故障问题。

2.2.3 9F燃气轮机常见燃烧故障问题

①燃料供给故障问题。

对于燃气轮机，其燃料供给故障系统，喷嘴与流量分配器起到十分关键的作用。具体运作过程中，流量分配器极为可能产生齿轮磨损的问题，造成比较大的间隙，导致油料的供应不是十分充足，给实际燃烧过程造成一定影响，从而导致排气场温度的不均匀性，对应的分散度有所加大。燃料供给系统导致排气温度相应分散度的加大通常与负荷的实际变化之间呈现为正比例的关系，虽然9F燃气轮机暂时没有产生流量分配器受损的情况，然而曾因喷嘴发生堵塞而造成跳机问题的产生。在产生本次故障之前，机组相关数据信息如表1所示。

通过表1能够得知，相邻两个排气温度对应的温度值和其它测点相互之间存在较大偏差，但S1时大于允许值，然后又有较多次产生紧邻排气温度测点温度较低的问题。通过对燃烧监测对应结果与故障诊断有关软件的应用，并予以分析能够得知，1号及18号更加可能是导致故障问题产生的主要原因。对窥镜加以应用，检查喷嘴，最终结果为：PM3燃料气通过端盖外沿出通常存在较为主要的通道，通道数量为两个，每一通道均实施2个存在五孔喷嘴的安装，对应的孔径为2毫米大小。利用窥镜进行观察可知，通道中包含3毫米左右呈现为条状的物质，这一异物很有可能是执行缠绕垫片操作中所使用的石墨條。接下来，很多位置都产生了断裂和松脱的问题，PM4喷嘴通道中存在一些异物，导致了喷嘴的堵塞，可以使用吸尘器对其加以吸出。

②燃烧部件的问题。

该机组实际运作中，曾产生了2号机组跳机的问题。在出现这一故障问题时，S1由36.1度在短时间以较快的速度上升至72.6度，S2和S3亦都升高10度左右，但没有燃烧故障相应警报。在检查之后可知，燃汽轮机中的一些燃烧部件出现了裂纹，且为贯通性裂纹，此种状况下，很多排气便会进至火焰筒，从而经过冷却，促使进气的温度处于一个不均匀的状态，给正常燃烧过程造成了不利影响。

3  燃气轮机常规检修策略

3.1 提前准备备品备件

燃气轮机是一个由多零部件组成的机组设备，在运行状态下内部温度高且机组转速快，尽管在选材、制造工艺、冷却方式等方面都进行了相应的优化，但仍然不时有零部件因为高温环境和高转速而出现各种事故，需要检修组工作人员按照周期进行不同规模、不同覆盖面积的检修工作，及时排除影响燃气轮机运转的隐患和故障，保证燃气轮机处于安全的运行状态，尽可能延长燃气轮机的使用寿命。燃气轮机中的零部件都有其各自的代码，在制造商提供的清单中能够查找到其对应的备品备件代码，检修人员在选购、调用、更换备品备件时需要根据代码进行操作。目前，我国所使用的燃气轮机零部件并未实现全部国产，有部分部件需要从其他国家进口，运输途中耗时较长。因此在开展常规检修前，检修人员需要准备好备品备件，根据消耗情况留出备品备件运输时间，根据消耗速度进行备品备件的数量订购，避免过量积压占有流动资金，也避免备量过少影响正常检修更换使用。除了备品备件外，检修人员还需要做好燃气轮机检修所使用的专用工具和器械，准备好针对燃气轮机不同部位、不同故障的检修处理方案，确保检修工作保质保量完成。

3.2 围绕燃气轮机各个系统进行检修

3.2.1 燃烧系统检修

燃烧系统是燃气轮机的核心系统，是常规检修工作的主要检修对象。检修工作人员在燃烧系统部分的检查重点在于：一次喷嘴、二次喷嘴、火焰筒、旋流器、过渡段、一级动叶、二级动叶、三级动叶。通常情况下，检修工作人员可以根据燃烧系统中的喷嘴积碳情况、土层脱落情况、密封圈磨损痕迹、旋流器磨损情况、过渡段焊缝探伤结果、动叶磨损、叶身表面沉积物等方面的情况，判断燃烧系统中是否存在过烧等现象，并对磨损、脱落、积碳的零部件进行相应的处理，延长燃烧系统的使用寿命。

在检修过程中，检修工作人员可按照一定的周期对内部涂层进行维护喷涂;定期对容易磨损的喷嘴、动叶等部分进行备品备件更换;对容易积碳的部分进行清理。如果检修工作人员发现特殊的痕迹或情况，需要先判断原因后进行针对性处理，尽量保证检修工作在规定时间内完成。

3.2.2 各轴瓦部分检修

轴瓦是燃气轮机的重要动力装置，是保证燃气轮机动叶等部分能够正常运转的关键。检修工作人员需要定期对各轴瓦进行解体检查，检查重点在于轴瓦内的磨损情况、齿轮划痕。通常情况下，检修人员在解题的轴瓦下发现了划痕或磨损，就说明了安装问题、异物问题、润滑油系统问题、仪表问题等情况，需要引起检修人员的注意。若轴瓦解体安装时出现了安装错误，有可能引起轴承运转时内部的磨损，影响正常使用寿命。若安装或大修过程中检修人员对油系统的清洗不彻底，有可能导致轴瓦运转过程受到异物干扰，在轴承内部、轴瓦内侧形成划痕磨损，甚至可能引起危险的振动。若润滑油系统出现了问题，比如使用了有问题的润滑油，使用过程中混入了破坏油膜的物质，润滑油系统运转中油温过高或过低等，这些情况都有可能对轴瓦部分造成损伤，引起轴承故障，影响燃气轮机的正常运转。

在检修过程中，检修工作人员需要针对轴瓦部分进行解体检查，对润滑油系统的切换操作进行流程检查，对有明杆或标尺的系统阀门进行规格检查，对油位油温进行检查，对测量仪表进行校验。如果在燃气轮机工作过程中发现有任何一道轴承、轴瓦出现了冒烟、测量仪表数据异常波动报警等情况，都需要检修人员进行紧急停机检查，直到确保燃气轮机运行正常后方可投入使用。

3.2.3 冷油器部分检修

润滑油母管连接冷油器，冷油器通过各种水冷降温方式来确保润滑油母管的温度不会逼近或达到跳机值，不会威胁燃气轮机的正常运行。但在夏季，由于环境温度的整体升高，散热效率有明显下降，即使有冷油器的存在润滑油母管的温度也会出现明显的上升。检修人员需要重点进行冷油器部分的检修，确保冷油器的正常工作状态，为控制润滑油母管温度提供助力。冷油器部分检修主要通过解体检修来实现，检修工作人员需要对冷油器水侧和油侧进行分别检查，查看水侧是否存在明显结垢、管路堵塞、阀门位置不正确的问题，查看油侧是否存在进油间隙过小的问题。

在检修过程中，检修工作人员定期对冷油器水侧进行结垢清理、堵塞管路疏通或更换、检查阀门位置等操作，对冷油器油侧进行进油间隙清理或修整等操作，确保冷油器的工作效率，保证润滑油母管的温度处于较为安全的范围之内，减少因为润滑油母管温度超出安全范围而引发跳机、超温报警的的情况，保证燃气轮机轴承、轴瓦的安全。因为润滑油的温度升高是一个缓慢的过程，因此，需要检修人员在巡检过程中注意记录油温数据，将重点放在油温的变化趋势上，而不是单一时间点上的油温数值，及早发现问题，及早进行排除。如果在燃气轮机工作过程中出现润滑油母管油温长期处于高位的情况，为了避免轴承、轴瓦的高温损伤，检修人员应及时停机做临时检查，保证燃气轮机的正常运转。

3.2.4 各类阀门部分检修

在燃气轮机机组中存在着各种各样的阀门，这些阀门是调节机组转速、负荷的重要环节，一旦在燃气轮机运行中爆发出故障，会对燃气轮机产生严重的影响。在燃气轮机机组中，速比阀、控制阀、伺服阀等阀门都是检修工作人员检查的主要对象，需要定期进行检查、清洗、更换，保证阀门处于正常的工作状态。速比阀容易出現故障的位置是油滤芯，控制阀容易出现的故障情况是阀门卡死，速比阀伺服阀容易出现的故障位置是油滤网。

在检修过程中，检修工作人员需要定期检查阀门容易出现故障的位置，对阀门进行测试，对发现故障的阀门进行及时清晰、更换，确保阀门的正常使用。尤其是控制阀，作为一种平日里调节阀间天然气压力，故障停机期间进行燃料供给阶段的重要阀门，其运行状态是否敏捷十分重要。除了阀门本身出现问题外，阀门间的压力变送器故障可能导致误报警情况，油品不合格可能出现颗粒堵塞滤芯滤网的情况，都需要检修人员进行一一排除。

4  结束语

综上所述，燃气轮机的稳定性是十分关键的。燃气轮机是一种具有较强应用性的设备，在众多领域中都发挥着重要性作用，但燃气轮机相关故障问题同样是不容忽视的。实际工作中，应采取相关故障诊断技术，第一时间发现故障问题，探寻更加可靠的故障处理办法，从而使燃汽轮机具有更长的使用年限。

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