某廠西門子F級燃氣輪機排氣溫度偏差大處理分析

陳強峰

(浙江浙能電力股份有限公司蕭山發電廠，浙江 蕭山 311251)

某廠西門子F級燃氣輪機排氣溫度偏差大處理分析

陳強峰

(浙江浙能電力股份有限公司蕭山發電廠，浙江 蕭山 311251)

介紹了西門子F級燃氣輪機排氣溫度冷點、熱點保護原理，討論了某電廠5號機組因燃氣輪機排氣溫度冷點、熱點保護動作而跳閘的事件經過和燃燒器清洗過程，對引起燃氣輪機排氣溫度偏差的原因進行了分析，提出了相應的防范措施，可為今后同類型燃氣輪機解決此類問題提供借鑒。

燃氣輪機；排氣溫度偏差；冷點保護；熱點保護

1 排氣溫度的冷點和熱點保護

西門子F級燃氣輪機在排氣擴散段上布置有24個三支型熱電偶用于排氣溫度的測量和保護。為防止燃氣輪機熱通道因過熱而損壞，需要監控各燃燒器的燃燒工況。燃氣輪機不但設置有排氣溫度高保護，還設置排氣溫度冷點、熱點保護[3]。

排氣溫度冷點保護用于檢測一個或多個燃燒器是否存在熄火現象，防止爆燃損壞熱通道。排氣溫度冷點保護：相鄰2個三支型熱電偶的B和C的溫度同時低于24個B和C平均溫度50 K，則“排氣溫度冷點保護低”報警；如果相鄰3個三支型熱電偶的B和C的溫度同時低于24個B和C平均溫度50 K，則燃氣輪機執行自動停機程序；如果相鄰4個三支型熱電偶的B和C的溫度同時低于24個B和C平均溫度50 K，則燃氣輪機跳閘。

排氣溫度熱點保護用于防止一個或多個燃燒器噴入了較多燃料，使燃氣輪機熱通道由于溫度過高而損壞。排氣溫度熱點保護：任意1個三支型熱電偶的B和C的溫度同時超過24個B和C平均溫度30 K，則“排氣溫度熱點溫度高”報警；如果任意1個三支型熱電偶的B和C的溫度同時超過24個B和C平均溫度50 K，則燃氣輪機跳閘。

2 排氣溫度冷、熱點保護動作事件經過

某電廠5號機組為西門子SGT5-4000F(6)型燃氣輪機，燃燒室由一個環型的燃燒區和24個干式低NOx混合型燃燒器組成。為降低機組NOx排放濃度，西門子采用了改進型HR3燃燒器，取消了擴散燃燒，采用值班與預混燃燒模式。

5號機組經C修后冷態啟動，機組單循環運行，燃氣輪機負荷55 MW，燃氣輪機排氣溫度熱點報警，經檢查發現排氣溫度50MBA26CT118較排氣溫度平均值偏高了56 K，排氣溫度50MBA26CT103/104較排氣溫度平均值偏低60 K，運行人員立即撤出機組單元協調控制，調整機組負荷與負荷加載速率后排氣溫度偏差略有降低。機組負荷繼續加載至67 MW，排氣溫度50MBA26CT118突升至585℃，平均排氣溫度為514℃，排氣溫度熱點保護動作，燃氣輪機跳閘。

熱工人員將燃氣輪機的排氣溫度熱點保護值由70 K暫時修改至100 K，再次啟動5號機組。在機組負荷加載至71 MW后，排氣溫度50MBA26CT103/104/105/106出現不正常下降趨勢，50MBA26CT103降至426℃，50MBA26CT104降至404℃，50MBA26CT105降至446℃，50MBA26CT106降至460℃，而平均排氣溫度為532℃，排氣溫度冷點保護動作燃氣輪機跳閘。

實際上該燃氣輪機一直存在排氣溫度偏差大的情況，圖1為機組C修前的排氣溫度分布。從圖1中可以看出，排氣溫度在機組負荷50～90 MW階段出現了不規則的排列，排氣溫度偏差非常大。本次機組啟動前已經將排氣溫度熱點和冷點保護動作值由50 K修改為70 K，并由德國西門子資深燃燒調試專家來廠進行冷點、熱點燃燒優化調試。

圖1 機組C修前燃氣輪機排氣溫度分布

3 處理過程

考慮5號燃氣輪機在啟、停及低負荷過程中排氣溫度冷點、熱點問題已無法通過燃燒調試來解決，為進一步分析燃氣輪機排氣溫度偏差大原因，以提供相應處理方案。首先對燃燒器進行了內窺鏡檢查，如圖2所示。

圖2 燃燒器結垢情況

從圖2中可以看出，預混燃燒器的結垢、結焦、堵銹、蝕塞等情況較為嚴重。西門子進一步對24個預混和值班燃燒器進行了壓縮空氣流量測試。測試結果發現，只有16號、18號預混燃燒器流量測試合格，絕大部分的預混燃燒器均不合格。由于沉積物容易在環形燃燒器的下部沉積，處于下半圈的7號～17號預混燃燒器流量明顯偏小，說明下半部分的預混燃燒器堵塞較為嚴重，造成部分測點的排氣溫度明顯偏低。

由于5號機組燃燒器結垢嚴重，必須對燃燒器進行拆卸、清洗。西門子檢修人員對預混燃燒器進行了2～4次超聲波清洗，對值班燃燒器也進行了1次清洗，經過徹底清洗，全面清除了燃燒器內的結垢(見圖3)。

圖3 5號燃氣輪機燃燒器清洗后狀態

燃燒器清洗結束后再次進行了壓縮空氣流量測試。根據流量大小穿插排列使排氣溫度分布較為均勻的原則，對值班和預混燃燒器的相對位置分布進行了大范圍的調整。圖4為清洗后重新排布的預混燃燒器的流量測試結果，改變了清洗前7號～17號預混燃燒器流量集中偏低的情況。

圖4 重新分布的預混燃燒器流量測試結果

圖6 11號預混燃燒器異物樣品

5號燃氣輪機燃燒器清洗工作結束后，結合排氣溫度的分布均勻性、燃燒穩定性和排放控制要求等，西門子調試人員對5號機組進行了單循環和聯合循環運行工況下的燃燒調試。圖5為燃燒器清洗后排氣溫度分布圖。圖5中可以看出，各個階段的排氣溫度偏差較清洗前明顯改善，并且沒有出現排氣溫度冷、熱點報警。

圖5 燃燒器清洗后排氣溫度分布圖

4 原因分析

在進行燃燒器清洗工作的同時，該廠將燃燒器中發現的異物委托專門機構進行了成分分析，同時采用NITON XL2 800手持式合金分析儀對新的預混燃燒器備件材質進行光譜檢驗。結果顯示：預混燃燒器下部噴口為鎳基高溫合金，Cr含量為19.19%，Ni含量為73.63%；而上部直管段及環形腔室為碳鋼，Cr含量僅為0.159%，不含Ni。

5號燃機11號預混燃燒器中取出的異物，主要為片狀氧化皮，此外也包含一些顆粒狀物，為便于區分，分別標記為1號樣品、2號樣品(見圖6)。1號樣品為紅褐色片狀物，片層大小為1～10 mm；2號樣品為銀灰色顆粒物，大小為3～5 mm。

根據樣品特性，采用掃描電鏡對1號樣品、2號樣品的微觀形貌進行分析，用掃描電鏡附帶的能譜儀對1號樣品、2號樣品的化學元素進行半定量分析；采用X射線衍射分析儀對1號樣品的物相進行分析；采用碳硫分析儀對1號樣品的硫元素含量進行精確定量分析。

1號樣品為片層狀，片層厚度約為119 μm。能譜分析顯示，其化學成分主要為Fe元素和O元素，此外還含有少量S元素。X射線衍射分析結果顯示，1號樣品的主要成分為α—Fe2O3。碳硫分析儀的檢測結果顯示，1號樣品的硫含量為11.0%(測量精度±2.0%)。

2號樣品含有大量氣孔，局部有樹枝晶，呈現出類似焊接熔渣的顯微組織。能譜分析顯示，其成分主要為Fe元素，此外還含有O元素以及少量C、S、Na、K元素。

由于預混燃燒器入口帶有精細濾網，并且燃燒器上游濾網如前置模塊精細濾網、ESV閥前濾網檢查情況均良好，可判斷這些異物不是由天然氣所帶入，而是在預混燃燒器內部生成的。綜合預混燃燒器垢樣檢測結果發現， 5號燃氣輪機預混燃燒器的環形腔室產生較多的氧化皮且發生剝脫，可能有以下原因。

(1)燃燒器組件在高溫區域以外使用了碳鋼材質，導致抗氧化性能不強。

(2)5號機組配有性能加熱器，較高的進氣溫度(120℃)會導致高分子化合物如烴類物質的析出，這種烴類物質會產生結焦現象。

(3)機組長時間停機狀態下，天然氣控制閥組后仍然積聚了一些殘余氣體，隨著溫度的下降，會凝結出一些水分子，導致預混燃燒器內部銹蝕。

(4)天然氣中含微量的硫成分，起到了加速腐蝕的可能。

5 防范措施

針對預混燃燒器結垢現象及原因分析，對機組停機后保養和運行中的操作提出了一些防范措施。

(1)做好燃氣輪機停機后的保養工作，確保壓氣機進口干燥裝置正常投運，以降低壓氣機進口的空氣濕度。

(2)機組長時間停機，選擇晴朗干燥的天氣進行定期盤車，確保熱通道內干燥。

(3)機組長時間停機，為避免天然氣滯留在預混、值班氣管道內，可采用氮氣置換的方式趕凈殘余天然氣。

(4)壓氣機離線水洗后應及時啟動燃氣輪機進行烘干操作。

(5)加強天然氣調壓站、前置模塊及ESV閥前天然氣管道的疏水工作，確保天然氣系統內的水分不帶入燃燒器組件內。

(6)加強正常運行中燃氣輪機排氣溫度的監視，當排氣溫度分布不均勻時，必要時進行燃燒器內窺鏡檢查，一旦異物生成，及時進行清除、清洗。

(7)加強機組大小修管理，定期進行燃燒器檢查、清潔。

6 結語

燃氣輪機燃燒器的結垢現象，不但影響了排氣溫度分布的均勻性，而且導致機組跳閘；同時燃燒器的清洗產生了昂貴的檢修費用，也不可避免影響了燃燒器的壽命。隨著燃氣輪機調停時間的增加，加強機組停機后的保養工作顯得尤為重要。

[1]盧廣法.西門子F級燃氣—蒸汽聯合循環發電機組[M].杭州:浙江大學出版社，2014.

[2]盧廣法.西門子F級燃氣輪機技術問答[M].杭州:浙江大學出版社，2015.

[3]張棟芳，崔耀欣，何磊.SGT5-4000F型燃氣輪機燃燒室介紹[J].熱力透平，2010，39(4):248-250.

ZHANG Dongfang, CUI Yaoxin, HE Lei. Introduction of combustor for Siemens SGT5-4000F gas turbine[J]. Thermal Turbine,2010,39(4):248-250.

(本文編輯：趙艷粉)

電力簡訊

中國國家電網公司入股希臘國家電網公司

繼入股葡萄牙國家能源網公司、意大利能源網存貸款公司后，中國國家電網公司成功投資收購希臘國家電網公司24%股權項目。

希臘電網是環地中海電網的重要組成部分，已與阿爾巴尼亞、馬其頓、保加利亞、土耳其和意大利等鄰國實現了聯網，遠期規劃與塞浦路斯、以色列、北非等環地中海國家實現互聯，是實現亞歐乃至亞歐非聯網的重要樞紐。希臘國家電網公司擁有并負責運營、維護希臘全國的輸電網。除董事會席位外，國家電網公司將向希臘國家電網公司派駐管理團隊，擔任副首席執行官、首席財務官等要職，參與該公司規劃、財務、建設、技術等方面的經營管理。

(本刊訊)

Treatment of Large Exhaust Temperature Deviation of Siemens F-Class Gas Turbine in a Factory

CHEN Qiangfeng

(Xiaoshan Power Plant, Zhejiang Zheneng Electric Power Co., Ltd., Xiaoshan 311251，China)

This paper introduces the exhaust temperature cold and hot spot protection principle for Siemens F Class Gas Turbine，emphatically in one plant #5 unit a trip event caused by exhaust temperature cold and hot spot protection and burner cleaning process. It analyzes the reasons of high deviation for gas turbine exhaust temperature，and proposes corresponding preventive measures，providing reference for solving the similar problems.

gas turbine；deviation of exhaust temperature；cold spot protection；hot spot protection

10.11973/dlyny201703031

陳強峰(1973—)，男，工程師，從事發電廠生產管理工作。

TK473

A

2095-1256(2017)03-0354-04

2017-02-13