GE 9FA燃氣電廠燃機火焰探測器可靠性研究與應用

王小江（福建晉江天然氣發電有限公司，福建 晉江 362251）

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GE 9FA燃氣電廠燃機火焰探測器可靠性研究與應用

王小江
（福建晉江天然氣發電有限公司，福建 晉江 362251）

摘 要：介紹GE 9FA燃氣電廠燃機火焰探測器幾起故障，深入分析其故障原因并提出提高火焰探測器可靠性的措施。通過改造實例，介紹了近年來某電廠針對燃機火焰探測器所進行的可靠性研究和實際優化改造實例，為防范燃機火焰監視系統故障提供多種思路。

關鍵詞：火焰探測器；保護；改造；優化

GE 9FA燃氣電廠燃機控制系統設置有熄火保護，一般配置有4個火焰探測器，火焰探測器將火焰信號轉換為電信號，送至燃機MARKVI控制系統，監視燃機在啟動過程中是否點火成功，同時在燃機運行時進行熄火保護邏輯判斷。

一、火焰探測器的工作原理及功能

9FA燃機燃料為天然氣，主要成份為甲烷（CH4），是含氫燃料的一種，燃燒時火焰成份偏向于紫外光，色溫較高，檢測起來比紫光到紅光的可見光譜更為可靠，所以一般采用紫外原理的探測器。9FA燃機在15#、16#、17#、18#燃燒室各裝有火焰探測器，由于燃機運行時缸體溫度可達150℃左右，一般使用冷卻水盤管對火焰探測器進行冷卻，以免火焰探測器電子元器件受到高溫影響，冷卻水來源為閉式冷卻水系統。

燃機啟動過程和正常運行中，火焰探測器用來監視噴入燃燒室的燃料是否點燃，程序設計為4個火焰探測器2個及以上檢測到火焰并穩定2s，則認為燃機點火成功，否則燃機點火失敗，燃機跳閘，必須到盤車轉速后重新發啟動令，然后進行燃機清吹，避免天然氣積留在燃燒室引發爆燃。

二、火焰探測器故障案例分析

1.2#機燃機18#火焰探測器冷卻水管兩次斷裂事故

（1）事件概述。

2012年8月8日，2#機負荷330MW，3X軸振3X漲至0.228mm，機組跳閘，運行人員檢查發現透平間燃機18#火檢冷卻水接口裂開漏水，隨即關閉透平間內火檢冷卻水進、回水手動閥。8月9日夜班，運行人員發現膨脹水箱液位急劇下降，就地檢查發現18#火檢的冷卻水管斷裂，閉冷水從斷開的管道呈水柱狀噴到燃機透平缸體上，關閉火檢冷卻水進回水手動閥，并匯報省調停機。

（2）事件經過。

冷卻水管第一次斷裂后處理情況：8月9日，對18#火檢冷卻水管進行檢查，檢查發現存在兩個問題。第一，18#火檢冷卻水回水環管斷裂；第二，17#火檢冷卻水回水管與18#火檢冷卻水進水管有碰撞磨損現象。事件處理過程：更換18#火檢冷卻水管環管、17#和18#火檢磨損的冷卻水管。冷卻水管斷裂情況見圖1。

圖1　18#火檢冷卻水回水環管斷裂

冷卻水管第二次斷裂后處理情況：8月10日，對18#火檢冷卻水管進行檢查，檢查發現18#火檢冷卻水進水環管斷裂。處理過程：更換冷卻水環管，并加工固定支架，將冷卻水管固定。8月10日機組啟動后運行至今，冷卻水管正常。

（3）事件原因分析。

冷卻水管第一次斷裂的原因：燃機軸向位移波動、大軸竄動、燃機瓦振大、冷卻水管振幅大，導致冷卻水管金屬材料產生疲勞，且聯焰管法蘭泄漏導致空間溫度高，再加上冷卻水管相互之間的碰磨，這3個因素導致了第一次冷卻水管斷裂事件的發生。

冷卻水管第二次斷裂的原因：由于燃機振動大問題沒得到解決，冷卻水管仍存在振幅大問題，且冷卻水管進行了卡套接頭焊接處理，環管彎頭材料特性有可能發生變化，這兩個因素導致了第二次冷卻水管斷裂事件的發生。

2.4#機燃機18#火焰探測器冷卻水管松脫事故

（1）事件經過。

2013年4月17日，4#機缺陷處理后恢復閉式冷卻水系統時，發現燃機透平間18#火檢冷卻水管松脫，透平間地面有大量的水，透平間內燃機有異音，運行人員迅速隔離閉式冷卻水系統。

（2）事件處理過程。

事件發生時，現場有檢修人員在場，聽到燃機異音后，發現18#號火檢冷卻水進水管松脫，而卡套上的螺母未松動，仍緊固在火檢的冷卻盤管上。檢修人員重新更換火檢冷卻水進水管及卡套，開啟火檢冷卻水進水木管排氣堵頭，并恢復閉式冷卻水。

（3）事故原因分析。

冷卻水管卡套接頭主要有環形件及錐形件，正常情況下管子裝入卡套接頭后擰緊螺母，將使環形件嵌入錐形件，這樣使整個錐形件咬住水管而不會松脫。分析更換下來的卡套，發現該卡套上的環形件未嵌入錐形件，是造成此次火檢冷卻水管松脫的主要原因。

3.兩次火檢冷卻水管松脫的事故總結

從以上兩次火檢冷卻水管的接頭松脫導致冷卻水泄漏，當冷卻水噴到燃機透平缸體、壓氣機缸體時，高溫的缸體突然受冷收縮，透平、壓氣機動葉片與缸體產生動靜碰磨，嚴重時產生葉片、缸體受損，造成無法修復的故障。

兩次火檢冷卻水管接頭松脫事件，說明卡套接頭的施工工藝尤其重要，必須嚴格把關檢修方的檢修質量，必須履行專業級、部門級、廠級三級驗收制度。

4.火焰探測器存在其他故障現象及分析

4臺機組自2009年投產以來，屢次發生火焰探測器強度突然波動的現象，尤其是18#火檢尤為突出，一般采取的措施是臨時將火焰存在信號強制，機組停運兩天以上，燃機缸體冷卻后，檢修人員才能登上燃機缸體進行檢修工作。在更換火焰探測器后，火焰檢測強度波動問題基本能解決。

分析認為，火檢存在檢測強度波動問題的原因有：第一，18#火檢處于冷卻水管的末端，而冷卻水管直接暴露在透平間高溫環境中，由于輻射作用，冷卻水管中冷卻水受到加熱，冷卻效果會降低，會直接影響到火檢的使用壽命。第二，冷卻水管處于冷卻水系統的高點，長時間運行時容易積存空氣，影響冷卻效果。

三、火焰探測器可靠性研究

1.主流F級燃機的火焰探測器對比（表1）

表1　主流F級燃機電廠火檢對比情況

2.火焰探測器可靠性提升措施

（1）從3種主流F級燃機電廠火檢設計規格和使用情況來說，GE燃機本體無保溫，火檢工作環境最為惡劣，且有較高的故障率。可深入論證燃機本體保溫的可行性，如GE機型的透平間環境溫度能將至其他兩種燃機機型水平的話，火檢冷卻水管可拆除，同時可降低火檢故障率，日常點檢也可順利進行。

（2）對冷卻水管進行優化設計及改造。一是不銹鋼管安裝角度改變減少振動。二是S型管道設計緩解振動。

（3）卡套接頭進行改型。將現有螺紋卡套接頭改型為螺紋對焊活接接頭。可解決卡套接頭因卡不緊導致松脫的問題。

（4）將冷卻水管母管至各個火焰探測器的冷卻支管更換為金屬軟管，避免因冷卻水管振動在卡套接頭處產生應力。

（5）GE火檢三種冷卻方式對比如表2所示。

表2　GE火檢三種冷卻方式對比

由上表可知，GE火檢原設計并不是只可以用冷卻水進行冷卻，也可進行壓縮空氣冷卻。可在1臺機組1個火檢探頭上進行壓縮空氣冷卻方式的試驗性研究，但試驗過程中，火檢可靠性無法得到保證，需將此火檢保護信號退出。

（6）使用新型的無水冷卻的耐高溫火焰探頭，徹底取消冷卻水，永絕后患。

四、火焰探測器升級改造的實踐

根據火焰探測器的可靠性研究結果，綜合各類方案的優缺點，決定采取永久取消火檢冷卻水的方案。方案分兩步走，第一步進行火檢壓縮空氣冷卻的試驗，第二步進行新型無水冷卻火檢的試用。

1.火焰探測器空氣冷卻方式改造試驗

試驗目的：本次試驗將水冷卻方式改為空氣冷卻，并輔以相關隔熱措施，若能將火焰探測器溫度冷卻至允許溫度（-30～150℃）即可保證設備正常運行，現場通過溫度測點驗證火焰探測器空氣冷卻可行性。

試驗方案：火焰探測器外部加裝隔熱罩并刷隔熱保護涂料，火檢延長管處包裹保溫棉，防止高溫輻射。火焰探測器環管開孔并通入壓縮空氣，冷卻火焰探測器本體及周邊環境溫度。

隔熱罩內部、外部分別安裝1支溫度熱電偶，檢測空間溫度，火焰探測器本體安裝1支貼片熱電偶，測量火焰探測器本體溫度。

試驗結果：經過安裝隔熱罩和通入空氣進行冷卻，火檢探頭本體溫度始終在180℃左右，超出火檢探頭的最大允許工作問題，探頭處于故障狀態。試驗結果證明空氣冷卻方式不可行。

2.無水冷卻火焰探測器改造

對火電廠、燃機電廠的無水冷卻火焰探測器信息進行收集，目前有以下兩類。

（1）GE配套火檢，火檢由探頭、光纖、信號放大3個組件組成。探頭檢測火焰，通過光纖傳輸至信號放大器，而后將信號送至控制系統。整套火檢為兩線制4～20mA供電方式，直接代替原有火檢，探頭工作環境溫度可達200℃。

目前該型號火檢已在4臺機組中3臺18#燃燒室安裝，改造后，使用情況良好。

（2）美國FORNEY公司Flamehawk火焰檢測器。Flamehawk火焰檢測器由探頭、光纖、放大器3個部件組成。工作原理：安裝在燃機火焰筒上的探頭檢測燃燒火焰的紫外UV光譜成分，通過光纖將火焰信號傳至安裝在燃機罩殼外的放大器，經過放大器的電路部件轉換成4～20mA信號，傳至MARKVI系統。探頭：316SS、法蘭安裝、石英鏡頭、工作溫度-40～300℃。光纖：316SS雙層護套、螺紋連接、工作溫度-40～350℃。放大器：響應時間小于50ms、兩線制4 ～20mA、工作溫度-30～70℃，帶火焰強度指示。目前該型號火檢在1臺機組18#燃燒室安裝，改造后，使用情況良好。

五、結語

火焰探測器在燃機火焰監測系統上有著重要作用，冷卻水安全問題和信號穩定問題都嚴重影響燃氣輪機的安全穩定運行。通過火焰探測器的冷卻方式試驗和無水冷卻火焰探測器的改造，永久解決冷卻水的泄漏問題，同時提高火焰信號的穩定性，有利于燃氣輪機長周期穩定運行。

參考文獻：

［1］ 大型燃氣-蒸汽聯合循環發電技術叢書.控制系統分冊/中國華電集團編.北京：中國電力出版社，2009.

中圖分類號：TK16

文獻標識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）03-0047-03

收稿日期：（2016-02-18）