某型燃氣輪機燃料噴嘴故障研究

王廣順 郭 越

（1.北京黎明航發(fā)動力科技有限公司，遼寧 沈陽 110043；2.沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

某型燃氣輪機是在航機基礎(chǔ)上研發(fā)設(shè)計而成，填補了國產(chǎn)10MW功率級燃氣輪機的空白，取得了多項技術(shù)專利，并獲得了遼寧省新產(chǎn)品鑒定及中航工業(yè)科技進步一等獎。作為我國第一臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的燃氣輪機，可廣泛應(yīng)用于發(fā)電、熱電冷聯(lián)供、應(yīng)急電源、管輸增壓等動力裝置。對該型燃氣輪機中熱值型機組停機進行熱通道孔探儀檢查，以確保燃氣輪機始終處于完好、可用狀態(tài)，保證用戶安全、可靠運行。

1 故障描述

分解下燃料噴嘴并通過孔探儀檢查，發(fā)現(xiàn)噴嘴頭部有塊狀積炭，同時浮動環(huán)部件一側(cè)跟隨燃料噴嘴脫離原安裝位置，而另一側(cè)擋邊則掉入燃燒室內(nèi)部。分別檢查15個燃料噴嘴及浮動環(huán)，發(fā)現(xiàn)均燒蝕嚴重，且部分噴嘴頭部有過燒現(xiàn)象如圖1、圖2所示。

2 原因分析

2.1 燃料噴嘴設(shè)計尺寸。燃料噴嘴設(shè)計為加注蒸汽的雙通道噴嘴，燃料及蒸汽從噴嘴頭部的12個孔道進入燃燒室火焰筒。由于加注蒸汽，因此噴嘴孔道流通面積較僅注入燃料氣的流通面積有相應(yīng)加大。噴嘴浮動環(huán)由渦流器襯套和渦流器擋圈焊接組成（如圖3所示），燃料噴嘴頭部安裝在浮動環(huán)內(nèi)，浮動環(huán)對噴嘴起支撐和限制作用，同時對進入燃燒室內(nèi)腔的空氣起到引流的作用，從而使部分氣流對渦流器起到冷卻保護的作用。

2.2 浮動環(huán)金相檢查。在實體顯微鏡下觀察噴嘴浮動環(huán)襯套，發(fā)現(xiàn)斷口氧化現(xiàn)象嚴重，斷口邊緣部位的晶粒增大，中心部位的組織強化相析出增多，未見斷裂特征，為燒蝕形貌。除此之外，經(jīng)實體顯微鏡觀察，兩個浮動環(huán)襯套的壁厚均有不同程度的薄厚不均現(xiàn)象，分析此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，應(yīng)為浮動環(huán)襯套與噴嘴之間局部溫度過高，導(dǎo)致襯套材料變軟，工作過程中在振動應(yīng)力的作用下，致使襯套壁厚減薄。同時在壁薄處可見明顯的顏色變化。綜上金相分析結(jié)果及試件外觀變化，判斷浮動環(huán)襯套的斷口為高溫?zé)g斷口，浮動環(huán)襯套損傷均為高溫?zé)g所致。

圖1 燃料噴嘴

圖2 浮動環(huán)

圖3 浮動環(huán)焊接組件

2.3 運行條件。在GB/T 13674-92《輕型燃氣輪機燃料使用規(guī)范》中，明確提出燃氣輪機對氣體燃料中液態(tài)碳氫物和水合物的要求是：“液態(tài)碳氫化合物和氣體燃料的水合物——最高凝結(jié)溫度應(yīng)比燃料系統(tǒng)的最低溫度低一個安全溫度范圍（一般為25℃～30℃）”。而用戶燃料里明顯含液態(tài)物質(zhì)，導(dǎo)致進入燃料噴嘴的氣體燃料中出現(xiàn)液體燃料。在氣體燃料噴嘴設(shè)計時，采用直射方式，當氣體燃料中含有液體燃料時，注入的含液體的燃料不能夠霧化處理，則在局部形成射流燃燒區(qū)，對火焰筒可造成局部過燒故障；同時，當火焰后移至渦輪導(dǎo)向器時，可造成導(dǎo)向器葉片和渦輪的燒蝕或?qū)е聼嵬ǖ啦考氖褂脡勖蠓档?，甚至造成重大安全事故?/p>

3 結(jié)論

經(jīng)過對噴嘴及浮動環(huán)故障形貌以及機組運行條件進行分析，聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠燃料噴嘴為燃用氣體燃料噴嘴，由于加注蒸汽致使噴嘴的燃氣噴口孔徑變大；在實際應(yīng)用中，加注蒸汽系統(tǒng)一直未投入使用；燃料氣供氣溫度較低未達到規(guī)范要求，導(dǎo)致氣體燃料中冷凝析出較多液體燃料。以上因素綜合影響，噴嘴的燃氣噴口孔徑變大，使進入氣體燃料噴嘴的燃料氣噴射速度減弱導(dǎo)致火焰燃燒距離變小，火焰前移至噴嘴頭附近燃燒致使局部溫度過高；同時由于燃料氣所含液態(tài)燃料不能充分燃燒，聚集在噴嘴頭部形成積炭導(dǎo)致燃料噴口全部或部分堵塞，進一步降低了燃料流速使噴嘴頭部火焰形成回流。這種情況積累到一定程度，在運行振動應(yīng)力等的作用下，逐漸使噴嘴頭與支撐和限制噴嘴頭部的浮動環(huán)組件之間局部超溫，最終回流的燃氣燃燒后導(dǎo)致浮動環(huán)組件燒蝕并分離脫落。

4 建議措施

為滿足聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠機組繼續(xù)運行的迫切需求，機組排故措施分為近期措施和遠期措施兩個階段。

4.1 近期措施

4.1.1 燃料氣去液。首先消除燃料氣中含液態(tài)燃料問題，可采取的措施有：在燃料氣供氣管線出口至燃氣輪機燃料進口范圍內(nèi)，增加管線伴熱裝置，以保證燃料氣供氣溫度要求，消除燃料氣中液體燃料含量；或在氣體燃料進入燃氣輪機前加設(shè)氣液分離裝置，以消除液體燃料。

4.1.2 浮動環(huán)臨時改制。更換15個噴嘴浮動環(huán)，臨時將噴嘴浮動環(huán)結(jié)構(gòu)進行更改，改制后的浮動環(huán)將渦流器襯套與渦流器擋邊以整體方式加工，取消渦流器襯套內(nèi)擋邊，密切關(guān)注運行狀態(tài)以確保機組的運行安全。

4.2 遠期建議。在消除液態(tài)燃料進入燃氣輪機的前提下，盡快將加濕和注蒸汽系統(tǒng)投入運行，以保證噴嘴工作在設(shè)計狀態(tài)；或?qū)⑷剂蠂娮旄倪M設(shè)計，將噴嘴頭部燃氣噴口尺寸縮小，以提高燃氣從噴嘴孔向火焰筒的噴射速度，使燃燒火焰后移，減小火焰前移的可能性，避免此類故障再次發(fā)生。

[1]劉凱，張寶誠，馬洪安，等.某重型燃氣輪機雙燃料噴嘴組試驗器研制及流量試驗[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21（02）：48-52.