燃气轮机热反吹在燃烧器杂质处理中的应用

陈开胜，邱 伟，张敏杰

(江苏镇江燃气热电有限公司，江苏 镇江 212028)

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。其中燃烧室的作用是将来自压气机的部分高压空气与燃料喷嘴喷入的燃料混合并经过等压燃烧，把燃料中的化学能转化为热能，形成高温高压燃气进入透平进行作功[1]。

目前F级燃气轮机燃烧室都采用低NOx燃烧技术，拥有扩散燃烧和预混燃烧两种模式。在点火和升速期间以扩散燃烧为主，随后预混燃烧逐步介入，在稳定运行时以预混燃烧为主，既能保证低的污染排放，又能保证燃烧的稳定和温度场的均匀。

随着燃气轮机的运行，燃烧系统中或多或少会进入些杂质，而燃烧器的喷嘴孔径较小，若杂质较大会立即堵塞喷嘴，若杂质较小也会在喷嘴上日积月累形成堵塞。本文详细记录了一次机组启动后发现燃烧器被杂质堵塞并在停机后利用热反吹进行故障处理的过程。

1 燃烧器异物堵塞现象

1.1 机组概况

江苏镇江燃气热电有限公司一期建设2套F级燃气-蒸汽联合循环机组，采用“一拖一”单轴布置。其中燃气轮机采用的是上海电气燃气轮机有限公司和安萨尔多联合研发生产的AE94.3A型[2]燃气轮机，#1机组于2021年01月25日投产。该机型燃气轮机采用环形燃烧室，燃烧室一圈分布24个低NOx干式燃烧器，呈圆周均匀布置，燃烧器布置见图1。

图1 燃烧器布置图(从压气机向透平侧看)

每个燃烧器都设计外预混、值班和内预混喷嘴。天然气通过外预混燃料控制阀、值班燃料控制阀和内预混燃料控制阀进入三个天然气环管，三个天然气环管再分别引出24个金属波纹软管连接至24个燃烧器。其中外预混管路天然气量较大，管道较粗；值班和内预混管路天然气量较小，管道较细。

在燃气轮机的排气扩散段均匀布置24个热电偶(每个热电偶有a，b，c三个通道)，用于透平排气温度的测量和保护。其中a通道(计算温度)的平均值用于控制，b和c通道用于保护。24个热电偶的排列位置同燃烧器一样。

1.2 故障现象

2021年2月4日，#1机组再次启动后，随着时间的推移和负荷的变化，燃气轮机排气温度的偏差越来越大，取样24个排气温度热电偶数据，作玫瑰图以便分析，详见图2。

图2 不同负荷下排气温度玫瑰图

统计出这四个时刻及负荷下排气温度的平均值、最低值以及偏差值，见表1。

表1 四个时刻及负荷下排气温度

根据统计数据得出，在负荷增加或减少的过程中，排气温度最低值会向相邻热电偶转移，由此可排除热电偶本身问题，排气温度偏差大的原因为燃烧室火焰温度场分布不均。排气温度的偏差随着时间的推移在加大，说明燃烧室内的故障在变得越来越严重。

就地用可燃气体检测仪检查燃烧系统，无天然气外漏，初步判断为某一个或相邻几个燃烧器有异物堵塞的可能。

随着排气温度偏差继续增大，17:05，燃气轮机冷点顺停保护动作(相邻3个排气热电偶B或C温度中取大值低于24个排气温度B、C平均值60 ℃[3])，机组执行自动停机程序，经主机厂驻场负责人确定，机组需停机检查，机组执行停机操作。

2 故障原因

根据经验，此燃气轮机燃烧器和排气热电偶的对应关系为:基本负荷时，排气热电偶数据顺时针偏移2个热电偶可对应同位置燃烧器的燃烧状况，同时负荷越小偏移越大。例如：15:45，机组负荷452 MW时(接近基本负荷)，21号排气热电偶温度最低，顺时针偏转2～3个热电偶即23号或24号热电偶所对应的23号或24号燃烧器可能存在问题，有异物堵塞可能。

燃气轮机停机24 h后停运盘车，打开燃烧室人孔门，以及23号、24号和1号三个燃烧器的内预混和外预混燃料金属波纹软管，用内窥镜对这三个燃烧器进行检查，发现24号燃烧器内预混管路有大约5～8 mm的异物，见图3，24号燃烧器外预混管路通道内部有疑似金属碎屑反光的白色亮点，见图4。

图3 24号燃烧器内预混通道异物堵塞

图4 24号燃烧器外预混通道金属软管内部

根据内窥镜检查结果确定此次燃气轮机排气分散度大的原因是燃烧器有异物堵塞。

3 故障处理

因为燃烧器结构精密、间隙狭小，若按照常规方法，需拆除燃烧器进行检查清理，至少需要10 d时间。然而当时临近春节，为了不影响春节期间机组备用，需要快速处理问题。经过和主机厂讨论，确定对天然气预混管道进行热反吹[4]。

3.1 热反吹准备工作

3.1.1 运行准备

(1) 许可“拆除燃烧室外预混、内预混环管侧法兰”工作票，执行以下安全措施：① 燃气轮机盘车停运；② 前置模块出口至燃气模块置换为氮气；③ 发电机转冷备用；④ 燃气轮机液压油停运。

(2) 测试集控室操作台和燃气轮机罩壳消防门口的“燃气轮机跳闸”按钮。

(3) 将燃气轮机罩壳门口的消防钥匙开关置于“BLOCK”位置，燃气轮机罩壳门口手持CO2灭火器(禁止使用泡沫和干粉灭火器)，发现火苗及时扑灭，无法控制火势的情况下按罩壳门口的“手动喷放”按钮，喷放CO2。

3.1.2 机务检修准备

(1) 拆除燃烧器处的保温。

(2) 按照燃烧器的序号在对应的金属波纹软管上标号。

(3) 拆除外预混燃气和内预混燃气金属波纹软管环管侧法兰，共计48个。

(4) 在波纹管的法兰处绑扎100%棉质收集器(白色厚棉袜)，每个棉袜按对应燃烧器波纹软管进行标号。

(5) 在内预混和外预混环管侧的法兰处安装盲法兰(需准备48个)，目的是防止预混阀误开，天然气喷入燃气轮机罩壳内。

3.1.3 热控检修准备

(1) 将燃气轮机TCS控制系统逻辑备份，用于热反吹后逻辑恢复。

(2) 拔掉外预混阀、内预混阀跳闸电磁阀插头，修改预混介入(预混阀打开)逻辑，预混介入转速由29.5 Hz改为60 Hz，目的是保证在热反吹过程中天然气外预混阀和内预混阀不打开。

(3) 在汽轮机DEH控制中强制解除火灾跳汽机保护逻辑。在燃气轮机TCS控制中强制解除火灾跳燃气轮机保护逻辑。

(4) 在汽轮机DEH控制中强制解除“汽轮机跳燃气轮机”保护逻辑，目的是满足燃气轮机启动条件。

(5) 就地天然气泄漏检测保护控制柜，将天然气泄漏检测保护置于“停用”位置，并派人观测可燃气体的检测情况。(如没有停用功能，则在燃气轮机TCS控制中强制解除“天然气泄漏跳燃气轮机”保护逻辑。)

3.2 热反吹过程

压回“拆除燃烧室外预混、内预混环管侧法兰”工作票，恢复工作票内安全措施。检查各辅助系统，使燃气轮机满足启动条件(盘车需连续运行3 h以上)。

3.2.1 第一次热反吹

正常启动燃气轮机，当燃气轮机转速达到2 684 r/min,压气机出口压力674 kPa时，手动按下集控室操作台的“燃气轮机跳闸”按钮进行停机。

正常停机后，现场检查绑扎在48根预混波纹管接口处的棉袜：24号内预混管的棉袜中发现两块5～8 mm大小的木块，24号外预混管的棉袜中有不少1～3 mm大小不等的金属和木屑碎片，1号和23号的内、外预混管的棉袜中也有些许金属和木屑碎片，见图5，其余绑扎的棉袜内未发现明显异物。

图5 棉袜内杂质

3.2.2 第二次热反吹

在拆除棉袜的法兰处重新绑扎新的棉袜，标号，进行第二次热反吹。

正常启动燃气轮机，当燃气轮机转速达到2 706 r/min,压气机出口压力663 kPa时，手动按下集控室操作台的“燃气轮机跳闸”按钮进行停机。

正常停机后，现场检查绑扎在48根预混波纹管接口处的棉袜：仅1号、23号、24号的外预混管路反吹出少量1 mm大小的金属碎片，其余棉袜内都未发现明显异物。同时再次使用内窥镜检查1号、23号和24号的燃烧器及内、外预混通道，内部无异物，同时疑似金属碎屑反光的白色亮点也基本消失。内窥镜检查后再用吸尘器吸附金属软管内部，也未吸出异物等杂质。经主机厂驻场负责人确认，燃烧器及预混管路内部已经吹扫干净，热反吹结束。

3.3 热反吹工作恢复

3.3.1 运行工作

(1) 重新许可“拆除燃烧室外预混、内预混环管侧法兰”工作票，执行相关安全措施。

(2) 将燃气轮机罩壳门口的消防钥匙开关置于“自动”位置。

(3) 按照机组情况恢复备用。

3.3.2 机务检修恢复工作

(1) 拆除波纹管法兰处所有棉袜。

(2) 拆除环管侧法兰处所有盲法兰。

(3) 按照编号将所有波纹管和环管的法兰连接恢复，共计48根。

(4) 恢复燃烧器处的保温。

3.3.3 热控检修恢复工作

(1) 预混阀打开，转速改回为29.5 Hz，恢复外预混阀、内预混阀跳闸电磁阀插头。

(2) 恢复汽轮机DEH控制中火灾跳汽机保护逻辑。恢复燃气轮机TCS控制中火灾跳燃气轮机保护逻辑。

(3) 恢复汽轮机DEH控制中“汽轮机跳燃气轮机”保护逻辑。

(4) 恢复就地天然气泄漏检测保护控制柜，将天然气泄漏检测保护置于“启用”位置。(如在燃气轮机TCS控制逻辑中强制解除“天然气泄漏跳燃气轮机”保护逻辑，则恢复其强制逻辑。)

3 结语

燃气轮机热反吹是在燃气轮机点火初期机组升速这段时间内，利用压气机接近700 kPa的排气压力和扩散燃烧产生的温度，对燃烧器的预混喷嘴及预混管路进行反向吹扫，可对燃烧器内的脱落锈蚀物及杂物进行有效的清理。

燃烧系统进入杂质是比较常见的一种故障，本文中燃气轮机为新安装投产的机组，其预混管道在安装调试过程中拆装过多次，管道内的木屑属于安装外来物，若使用常规拆解进行处理，至少需要10 d时间，而使用热反吹，只用了3 d时间即处理了故障，大大减少了机组的检修时间，快速响应了电网和用户的需求。