干式低氮燃燒系統火焰丟失原因分析

江　嘯

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516025)

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干式低氮燃燒系統火焰丟失原因分析

江嘯

(惠州深能源豐達電力有限公司， 廣東惠州 516025)

針對9E型燃氣輪機干式低氮(DLN1.0)燃燒系統的火焰不穩定和丟失的問題，從設計安裝、燃燒調整和硬件故障等方面對影響火焰的因素進行分析，并結合現場關鍵運行參數進行綜合考慮;根據分析結果，制定具有針對性的預防和處理措施。運行結果表明：采取針對性的預防和處理措施后，可以有效防止9E型燃氣輪機火焰丟失故障，確保機組的安全運行。

燃氣輪機； 干式低氮； 火焰丟失； 燃燒調整

國內在役的9E型燃氣輪機，由于原來配置的擴散燃燒系統難以達到國家規定的排放要求，因此都進行了干式低氮(DLN1.0)燃燒系統升級改造，采用預混燃燒方式實現氮氧化物的低排放。機組進行DLN1.0燃燒系統升級改造后，其燃燒系統在硬件及軟件方面均進行了更換。在設備安裝過程中，燃燒系統設備的安裝情況，以及調試時燃燒調整的情況均對火焰的穩定性造成重要影響。總體來說，當燃氣輪機出現火焰不穩定或火焰丟失，一般可分為兩類情況：因點火器故障、燃料調整不當，或天然氣控制閥故障等原因造成的火焰實際丟失，以及因火焰探測器故障或安裝不當造成的探測不到火焰。筆者結合DLN1.0燃燒系統的特點和現場運行檢修經驗，分析影響火焰穩定性的因素。

1　DLN1.0燃燒系統

DLN1.0燃燒系統燃燒模式見圖1。

圖1　干式低氮燃燒系統燃燒模式

DLN1.0燃燒系統由14只干式低氮燃燒室組成。燃燒室中有燃燒一區和燃燒二區。從啟動到基本負荷燃燒室依次按以下四種模式運行：(1)擴散模式。從點火至50%基本負荷階段，燃料全部在燃燒一區燃燒，火焰為擴散燃燒火焰。(2)貧-貧模式。50%～80%基本負荷，70%燃料進入一區燃燒，30%燃料進入二區燃燒，火焰為擴散燃燒火焰和部分預混火焰。(3)過渡模式。該模式中進入一區的燃料量逐漸減少，二區燃料量逐漸增大，直至一區熄火，該過程一般持續20多秒，火焰為部分預混火焰。(4)預混模式。80%～100%基本負荷，81%燃料進入一區與空氣進行預混，并隨后進入二區燃燒，19%燃料直接進入二區燃燒，火焰為預混火焰。在四個不同模式下，天然氣通過三個燃料控制閥(GCV1、GCV2和GCV3)對進入兩個燃燒區的燃料量進行分配。

2　故障分析

導致DLN1.0燃燒系統出現火焰丟失的原因很多，一般可分為硬件原因、程序控制原因和燃料原因。DLN1.0燃燒系統并未配置進氣加熱系統(IBH)，故本文所提的工況均為無IBH條件下的數據。

2.1 點火器

1號機組在DLN1.0燃燒系統下運行到1 500 h時，在停機由預混模式(80%基本負荷)向貧-貧模式切換過程中，曾出現燃燒一區點不著火導致熄火跳機的情況，此時機組運行參數沒有任何異常狀況。對點火電纜、點火變壓器進行檢查及更換，對點火器進行冷態點火試驗，對一級燃料噴嘴及燃燒室一區進行孔探檢查，均未發現設備異常情況。

其后機組再次啟動，并在停機前機組滿負荷時對燃燒一區進行強制點火試驗，點火未成功。之后手動降負荷，并調節進入一區和二區的燃料分配量，進行多次強制點火，均未成功。

由此認定點火器在熱態情況下點不著火。對點火器進行絕緣測量，發現兩個點火器絕緣電阻值均偏小，最低達到80 MΩ；更換點火器后，機組恢復正常。進一步檢查發現，導致點火器絕緣下降的原因是：點火器安裝位置不正，導致點火器與火焰筒上插入孔之間的間隙不均勻，機組運行時造成間隙較小的一側發生刮磨，進而導致點火器絕緣下降。點火器點不著火的情況僅在機組停機階段發生，在機組啟動和冷態點火試驗時，點火器均能正常工作，說明點火器的絕緣電阻在冷態與熱態下存在明顯差異。

另外，與老式伸縮式點火器不同，DLN1.0燃燒系統配備的點火器的點火電極位置是固定的，點火器的安裝位置對燃氣輪機啟動時點火的成功率有很大影響。點火器插入火焰筒內深度太淺會導致機組啟動時點不著火；插入火焰筒內深度太深會導致點火電極燒損，并可能在點火電極絕緣層上形成積碳，造成點火電極與其金屬外套管導電，進而導致絕緣下降而點不著火。點火電極端面與火焰筒外壁的正確間距為8.89～10.41 mm(見圖2)，由于火焰筒壁厚為2.5 mm，因此點火電極實際深入火焰筒內6.39～7.91 mm。

圖2　點火器的安裝

2.2 火焰探測器

DLN1.0燃燒系統共有8個火焰探測器，其中4個分別安裝在1、2、3、14號燃燒室上，監測燃燒一區火焰，另外4個也分別安裝在上述燃燒室上，監測燃燒二區火焰。一區火焰探測器安裝在燃燒室外套上，其探測視線通過火焰筒上摻混空氣孔來監測一區火焰(見圖3)；二區火焰探測器安裝在二級燃料噴嘴上，其探測視線通過火焰筒上二級旋流器二片葉片之間的開口來監測二區火焰情況(見圖4，此二片葉片的間距較大)。

圖3　一區火焰探測器探測視線

圖4　二區火焰探測器探測視線孔

從圖3、圖4中可以看出：一區及二區的火焰探測器均通過火焰筒上設置的視線孔來監測火焰。當火焰筒或火焰探測器未能正確安裝，或火焰筒在運行一段時間后出現火焰筒變形或結垢等缺陷時，可能會造成火焰探測器探測視線受阻，進而出現火焰探測器探測不到火焰的情況。

火焰探測器鏡頭結露或積垢是導致其探測不到火焰的另一種常見原因。由于燃氣輪機在啟動過程中(尤其是熱態啟動時)，壓氣機排氣壓力和排氣溫度快速上升，導致空氣中的水蒸氣的密度也迅速增加，其露點溫度也隨之升高。高壓的濕空氣接觸到溫度較低的火焰探測器鏡頭時，空氣中的水蒸氣會凝結造成鏡頭表面結露，從而影響火焰探測器的探測精度，導致出現火焰閃爍或丟失的情況。同樣，在天然氣雜質較多時，燃燒后產生的灰分雜質會慢慢積累在火焰探測器鏡頭表面，造成鏡頭表面積垢，影響火焰探測器的探測精度。

針對上述兩種情況，在進行新的DLN1.0燃燒系統改造中，配備了火焰探測器清吹管路。該管路從壓氣機排氣引出空氣，出口位于火焰探測器鏡頭處(見圖5)。在燃氣輪機啟動時，通過從壓氣機排氣引來的高溫空氣加熱火焰探測器鏡頭附近的空間，從而防止鏡頭表面結霧；另外在燃氣輪機運行過程中，此處始終有氣流吹過，從而防止了天然氣燃燒產生的灰分雜質進入火焰探測器污染鏡頭。

圖5　火焰探測器清吹管線

按照制造廠的設計，在安裝火焰探測器清吹管路時，需在火焰探測器和二級燃料噴嘴之間加裝隔離閥和三通接頭，如此就增加了火焰探測器鏡頭和火焰中心之間的距離，導致火焰探測視角減小，對火焰的監測會造成一定影響。實際上，在燃氣輪機運行時，配備清吹管線后,測得的火焰強度值是比沒有配備的略低。

2.3 燃燒調整

為保證機組運行時的火焰穩定性和排放值，按照制造廠的要求，在燃燒系統經過檢修、燃料熱值或成分大幅變化等情況下，需對機組進行燃燒調整，調整相關燃燒模式下燃燒一級、二級間燃料分配的比例。

在擴散模式下全部燃料供給一區進行擴散燃燒，火焰穩定，不存在燃料分配問題。在另外三種模式下，二區已經開始進行預混燃燒，由于預混燃燒火焰穩定范圍較窄，因此二級的燃料分配量對二區火焰強度存在明顯影響。在預混模式下，雖然燃料會全部進入二區進行預混燃燒，但二區火焰探測器視線正對二級燃料噴嘴出口處，因此其監測的火焰強度主要來自于二級燃料燃燒火焰。實際上，通過增加二級燃料的燃料分配量可以較顯著提高二區火焰的穩定性。

該2號機組曾在啟動過程中，從擴散模式切換至貧-貧模式以后，在負荷較低時，出現燃燒二區火焰弱甚至點不著火的情況。故障出現時，一區火焰強度較穩定(4個火焰探測強度均在50以上)，排氣溫度分散度也未出現明顯異常。隨著機組負荷增加，二區逐步開始出現火焰。針對該情況，提高二級燃料的分配量(由30%提高至32%)后，故障情況隨即消除[1]。

2.4 燃料的影響

按照制造廠的天然氣品質的規范要求，DLN1.0燃燒系統中天然氣的華白指數(MWI)應在40～54，且在機組運行時變化范圍小于5%；而華白指數主要受天然氣熱值、成分和溫度影響[2]。

目前，該機組使用大鵬液化天然氣和西二線管輸天然氣，兩者組分不同，熱值也有明顯差異：高位熱值分別為40.09 MJ/m3和37.40 MJ/m3，大鵬液化天然氣的華白指數也較西二線管輸天然氣更高。在進行DLN1.0燃燒系統改造后的燃燒調整中，分別在兩種燃料條件下進行，得到的燃燒調整參數是一樣的。在后期運行過程中，機組在基本負荷下燃用兩種燃料均能達到火焰穩定和排放達標的要求；但在機組啟動和停運階段，兩種燃料對火焰穩定的影響存在明顯差異。

燃燒西二線管輸天然氣時，在機組啟動階段擴散模式下，特別是點火后一段時間，一區火焰易出現短暫大幅度波動甚至丟失；而燃燒大鵬液化天然氣時，則正常。針對該異常現象，需要調整啟動階段FSR的控制，以提高機組在燃燒西二線管輸天然氣時火焰的穩定性。

另外，在貧-貧模式和預混模式下，機組在燃燒西二線管輸天然氣時，同樣易出現二區火焰偏弱的情況。由于控制系統沒有引入燃料熱值反饋，故無法根據燃料熱值變化進行動態調節。針對該現象，需要對燃料配比進行調整或人工修正。

2.5 天然氣控制閥

1號機組在DLN1.0改造完成后進入正常運行階段不久，曾出現在啟動過程進入預混模式后(負荷在90 MW以上)，燃燒二區3個火焰探測器探測的火焰強度出現大幅波動，隨后波動較大的2個火焰探測器的火焰出現丟失情況，導致熄火跳機。在出現該故障后，對火焰探測器、燃料噴嘴等設備進行檢查，均未發現異常，但天然氣小室內的3個燃料控制閥的液壓油進口濾器均出現壓差高指示，之后更換了控制閥液壓油進口濾芯，并增加了啟動時預混模式下二區燃料的分配量，機組再次啟動，故障消除。

由于燃燒調整是通過各燃料控制閥(GCV1、GCV2、GCV3)的開度控制來實現的。控制閥的液壓油進口濾芯壓差高，一方面說明進入伺服閥的液壓油雜質較多，會造成伺服閥閥芯磨損，另一方面由于高壓差導致液壓油對控制閥閥位的調整存在延時，這就造成了在啟動過程中，控制閥閥位的命令值與反饋值不符，實際的燃料分配量與設定值會存在偏差，造成機組熄火跳機。

因此，日常檢修中必須定期對控制閥及其相關設備進行檢查，以保證控制閥的安全可靠工作。

3　處理措施

由于影響火焰穩定的因素很多，因此在出現火焰不穩定或丟失的情況時，應首先根據現場相關設備狀態和關鍵運行參數判斷火焰是否存在實際丟失。通常情況下，排氣溫度分散度和氮氧化物排放量是否出現異常波動可以較準確地反映燃燒的實際情況。若排氣溫度分散度和氮氧化物排放量均異常波動，則很可能是火焰實際丟失；反之，若排氣溫度分散度和氮氧化物排放量均穩定，則火焰實際穩定，只是探測火焰存在故障。同時，可以根據現場情況對以下項目進行檢查處理：

(1) 檢查點火器，確認其已按規范正確安裝，點火器絕緣符合制造廠的規范要求。

(2) 檢查火焰探測器，確認其探測通道內無積水，探測器鏡頭無結露或積灰等異常情況，火焰探測器鏡頭已對準視線孔。

(3) 對火焰筒進行檢查，確認其無積垢或變形等異常情況，以免造成火焰探測視線受阻。

(4) 對一級、二級燃料噴嘴進行檢查，確認其天然氣通道無堵塞，天然氣出口小孔無裂紋、變形或燒損等缺陷。

(5) 對天然氣速比閥和控制閥進行檢查，確認其動作無卡澀，閥門實際開度與反饋值一致，控制油濾芯清潔、伺服閥工作正常。

(6) 天然氣華白指數存在大幅變化時(燃料熱值、成分及溫度等因素)，應及時對燃料分配量進行調整。

(7) 大氣溫度或大氣濕度等外部環境大幅度變化時，應及時對燃料分配量進行調整。

(8) 啟動前是否進行過離線水洗，造成天然氣管道內存在積水或點火電極潮濕，致使點火失敗。

(9) 若判斷為探測火焰存在故障而實際火焰穩定的情況下，為保證燃氣輪機的安全穩定運行，可以對熄火判斷的門檻值進行適當調整。

火焰丟失可能是由一種或多種因素綜合造成，在處理時應根據現場實際情況，縮小排查范圍，采用設備檢查和燃燒調整的綜合方式對故障進行處理。

4　結語

目前，火焰丟失是DLN1.0燃燒系統的一個較突出的問題，影響火焰穩定性的因素只是火焰丟失的可能原因。通過運行檢修經驗的不斷積累，逐步提高火焰丟失問題的原因分析和故障處理能力，對于保證燃氣輪機的安全穩定運行具有重要意義。

[1] 柴志紅，劉志勇，萬洪軍，等. PG9171E型燃氣輪機DLN1.0燃燒調整技術分析[J]. 燃氣輪機技術，2015,28(3):53-61.

[2] GE Energy. Specification for fuel gases for combustion in heavy-duty gas turbines: GEI 41040i[S/OL].[2005-09-06]. http://wenku.baidu.com/link?url=kQCw8drdAR7TEFd pcQG8hk3RxwYXHTg27vjFEdZhObNGp4OF0oEphgo6Ml0 dg0ZLLA4Psm6NLLqrnuhVnwOxqV1-X5aQWIj26WeH4Of TINW.

Cause Analysis on Loss of Flame in a Dry-type Low-nitrogen Combustion System

Jiang Xiao

(Huizhou SEC Fengda Electric Power Co., Ltd., Huizhou 516025, Guangdong Province, China)

To solve the problem of instable flame and flame loss occurring in the dry-type low-nitrogen (DLN1.0) combustion system of a 9E gas turbine, an analysis was conducted on factors that may influence the flame from the aspect of design, installation, combustion adjustment and hardware fault, etc., based on key operation parameters on site, after which corresponding preventative and treatment measures were proposed. Operation results show that the failure of flame loss in 9E gas turbines can be effectively avoided by taking above countermeasures and the unit safety is thus guaranteed.

gas turbine; dry-type low-nitrogen combustion system; loss of flame; combustion adjustment

2015-12-02

江嘯(1984—)，男，工程師，主要從事燃氣輪機檢修技術管理工作。

E-mail: jiangxiao@sec.com.cn

TK477

A

1671-086X(2016)04-0265-04