燃氣輪機燃燒脈動現象及抑制方法研究

汪劍波

（福能集團晉江天然氣發電有限公司，福建 晉江 362251）

燃氣輪機因啟停迅速、調峰優越，越來越多地受到發電企業的重視，近年來更是呈現快速增長勢頭。燃機電廠一般采取兩班制運行模式，由于啟停頻繁，也給發電企業帶來燃機使用壽命縮短、附屬輔助設備疲勞老化、機組運行維護周期變短、維護費用增高、生產成本上升等諸多問題。

某燃氣輪機電廠一期工程建有4臺S109FA燃氣—蒸汽聯合循環機組，由MS9001FA型燃氣輪機、純凝式汽輪機、全氫冷發電機和NG-109FA-R型自然循環余熱鍋爐組成。機組投產運行后常因燃燒脈動異常導致燃燒部件損壞，在每次檢修后，均要由GE公司技術人員進行燃燒調整才能保證設備后續穩定運行。燃機燃燒部件頻繁損壞已成為影響燃機安全、穩定運行的重要因素。

1 燃燒脈動機理

為降低NOx排放并提高燃燒效率，燃機燃燒室越來越多地采用預混燃燒模式。但預混燃燒穩定范圍窄，不能適應燃氣輪機大范圍變工況運行，在低負荷工況下容易出現熄火。預混燃燒也容易產生因聲波、流體和放熱之間相互作用所引起的振蕩現象［1］。

燃燒脈動發生在燃燒器的火焰區域。燃燒產生的熱量以聲光模式釋放出來［2］。當有外界因素干擾時，劇烈的聲光釋放又會產生大量的熱量，反過來加劇聲光的釋放，激發脈動產生。

燃燒振蕩時，會伴隨著放熱量和壓力的大幅波動［3］，使系統性能下降并降低燃燒室使用壽命。燃燒脈動會引起燃燒不穩定，影響機組正常運行，嚴重超限的燃燒脈動會導致燃燒部件的損壞。火焰筒和過渡段等燃燒部件都位于高溫區域，如這些部位受到嚴重損壞，脫落的碎片會隨氣流進入透平段，造成次生破壞。

2 燃燒脈動和部件損壞情況

2010年12月以來，3號燃氣輪機排氣溫度分散度逐漸變大，最大值達到57.3℃。2010年12月31日檢查發現過渡段后支撐螺栓共斷裂8顆，5號、6號、7號過渡段上兩顆固定螺栓全斷，9號、3號過渡段上各斷裂1顆螺栓，過渡段位移導致浮動密封被撕裂。

2011年1月10日，4號燃氣輪機因排氣溫度分散度高進入壓排缸檢查。發現7號過渡段后支撐螺栓斷裂兩顆，過渡段位移導致浮動密封撕裂，過渡段本體后支撐出現裂紋。

2011年2月26日，3號燃氣輪機排氣溫度分散度突然變大。2011年3月3日檢查發現過渡段后支撐螺栓斷裂5顆，10號過渡段上2顆全斷，8號、12號、17號過渡段各斷裂1顆，10號過渡段位移導致浮動密封撕裂，如圖1和圖2所示。

圖1 過渡段螺栓斷裂處

2011年3月6日，4號燃氣輪機滿負荷運行排氣溫度分散度突變到約40℃。2011年3月8日進入壓排缸檢查，發現6號過渡段后支撐螺栓斷裂兩顆，過渡段位移導致浮動密封撕裂。

圖2 過渡段密封條破損處

2011年9月4日，進入3號燃氣輪機壓排缸檢查，發現壓排缸加強筋根部拐彎處出現裂紋，有4處長達50mm左右的裂紋縱深整個加強筋。

2011年10月10日進入4號燃氣輪機壓排缸檢查，發現8號過渡段支耳固定螺栓斷裂。

2012年2月15日，進入2號機組壓排缸檢查發現7號過渡段支架有一裂紋。

2012年4月23日，檢查3號燃氣輪機燃燒部件。發現1號～4號、7號、9號、11號～18號火焰筒的彈性密封片變形翹曲嚴重，其余4個火焰筒彈性密封片輕度磨損及變形；2號、4號～9號、12號～16號過渡段均發現不同程度缺陷。

2012年5月10日，對2號機組壓排缸目視檢查發現，除1號過渡段外，其余過渡段過橋筋板斷裂。6號、15號、18號過渡段筒體有裂紋，8號-9號／9號-10號／11號-12號過渡段處壓排缸筋板裂紋補焊后再次開裂。

由統計數據可以看出：燃燒脈動異常導致燃燒部件破損后，機組排氣分散度變大；絕大部分燃燒部件損壞發生在過渡段，并且大多為固定螺栓斷裂致部件移位損壞浮動密封或側密封，冷介質漏入致出現低溫區；故障大多發生在2～5月以及9、10、12月，即冬季和夏季燃燒調整時期。

3 燃機動壓監測抑制燃燒脈動

燃氣輪機燃燒監測大多是根據排氣溫度分散度的變化來進行的。影響排氣溫度分散度變化的因素很多，如燃料分配均勻程度、燃燒室結構差異、葉片結垢程度、燃料噴嘴工作情況等。排氣溫度分散度只是間接反映了透平、燃燒部件以及燃料供給系統的工作狀況。為了有效防止異常燃燒脈動，保證燃燒部件在維護周期內的安全運行，GE公司為用戶設計配置了燃氣輪機連續動壓監測系統（CDM），但國內大多數用戶并未安裝。

某燃氣輪機電廠為有效解決燃燒脈動異常致燃燒部件損壞問題，安裝了CDM系統。首套CDM系統在4號機組C修時安裝，并于2012年4月5日正式投入使用。第2套CDM系統于2012年6月26日在3號機組上投入使用，其余兩臺機組CDM系統相繼安裝并投入運行。

3.13 號機組應用情況

2013年4月7日，對3號機組進行壓排缸目視檢查，發現4號過渡段拉力螺栓和螺母斷裂缺失，8號過渡段1號件斷裂。

2013年5月6日，檢查發現3號機組14號、15號過渡段之間的側密封破損。

3號燃氣機組上半年PM模式下9號、10號、11號火焰筒L頻脈動相較于其他火焰筒略大。2013年7月26日，GE控制TA對3號機組進行季節性燃燒調整，將VA13-2清吹閥開度從7%提高至9%，以確保遠離壓力開關動作點，避免出現預混閉鎖，同時達到降低9號、10號、11號火焰筒L頻脈動的目的。燃燒調整后9號、10號、11號火焰筒L頻脈動略有降低，但仍高于其他火焰筒L頻脈動。

2013年10月B修期間，檢查發現11號火焰筒密封圈處涂層掉塊燒蝕，18號火焰筒密封圈處涂層鼓包，18只火焰筒密封圈軸向部位均有不同程度磨損。更換處理后，2013年10月16日燃燒調整發現，9號、10號、11號火焰筒L頻脈動略大問題得到較大改善，與其他火焰筒L頻脈動基本一致。

3.22 號機組應用情況

2013年9月7日至9月22日，2號機組B低頻脈動上漲，其中9月9日至9月11日期間B脈動異常升高，最高達到0.089 6MPa。經分析，認為2號機組脈動異常升高是液化天然氣站2013年9月7日新到一船高熱值天然氣所引起。通過CDM系統發現該故障后，立即聯系GE公司控制TA處理。但GE技術人員在2013年9月23日才到現場對機組進行燃燒調整。燃燒調整后，先導預混模式下低頻B脈動降至合理水平，但高頻H脈動上漲，最高達到0.025 5MPa，之后維持此狀態運行。2013年10月1日臨檢時，進入壓排缸檢查，發現10號過渡段的固定螺栓斷裂，進行更換處理。通過分析表明，因為機組脈動異常運行時間長達半個月，致10號過渡段固定螺栓被振斷。

通過借助CDM系統對燃燒室進行實時動壓監測，對提前發現燃燒故障并及時進行燃燒調整有很大幫助，可在一定程度上避免或緩解燃燒故障對設備帶來的影響。

4 結論

（1）從安裝CDM系統以前的幾次燃燒異常情況可以看出，GE燃燒監測保護存在明顯的事后監測問題。當S109FA燃機本身的燃燒監測系統發出“燃燒故障”報警時，燃機的燃燒系統已經損壞的比較嚴重。

（2）CDM系統能實時監測燃機各燃燒室的脈動情況，還包括燃燒旋轉角度顯示以及溫度場的顯示，能預先判斷燃燒系統的健康狀況。CDM系統只是一個監測裝置，不具有聯鎖保護功能。在運行中應加強脈動監測，以及時采取措施，避免燃燒系統發生嚴重故障。

（3）在燃燒脈動波動初期監測其壓力變化，監視燃燒狀態變化趨勢，有利于及時調整燃料氣溫度。在燃燒偏差值尚未達到報警或跳閘前，應及時調停機組對燃燒系統進行檢查，實現對燃燒系統的狀態檢修。

（4）在運行中應加強對CDM系統的維護，確保該系統正常投用。運行人員應高度重視CDM系統對燃燒室脈動情況的監測結果，在發現脈動異常后應及時采取燃料氣溫度和燃燒調整等措施。

［1］ 韓昭儀.燃料與燃燒［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

［2］ 許晉源，徐通模.燃燒學［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［3］ 汪軍.工程燃燒學［M］.北京：中國電力出版社，2008.