淺析西門子E級燃機分散度

王 輝

（江蘇華電儀征熱電有限公司，江蘇揚州211400）

0 引言

燃氣輪機主要由三大主機組成：壓氣機、燃燒室、透平。壓氣機用于對進氣增壓；燃燒室是通過對壓氣機的壓縮空氣燃燒加熱，增加工質的做功能力，增加比容（等壓、增容）；透平是通過膨脹做功，將燃氣的熱能轉變為對燃機大軸轉動的機械能。旋轉的壓氣機就像一把風扇，將進氣加壓、驅動之后進入燃燒系統；流體工質在燃燒室中被燃燒加熱；透平則可看成是一個風車，借助加熱的流體（燃氣）驅動旋轉來帶動壓氣機，并通過旋轉軸將多余的功輸出（帶動發電機）。

（1）壓氣機：軸流式，帶一級進口可轉導葉（IGV），每一組動葉和其后的一組靜葉組成壓氣機的一個級。IGV的作用：在啟、停機過程中，低轉速時，控制進氣角度（降低進氣功角，功角過大，易引起葉背面進氣氣流旋轉脫離，壓氣機喘振），防止壓氣機喘振。用在部分燃機負荷帶聯合循環中，通過關小IGV角度，減小進氣流量，提高燃機排氣溫度，從而提高整體聯合循環的熱效率。

（2）燃燒室（加熱系統）：燃燒室的作用是為壓氣機壓縮后的高溫高壓空氣提供一個穩定燃燒的場所，燃燒后，增加工質的焓，提高工質的做功能力。

（3）透平：軸流式，每一組噴嘴（NOZZLE)及其后的一組動葉（BUCKET)組成透平的一個級。在噴嘴中主要完成工質的膨脹過程（熱能向動能的轉換過程），溫度降低，壓力降低，流速增加，完成焓降的過程，工質的動能增加；在透平動葉中，主要完成由動能向機械能的轉換過程，速度下降，壓力、溫度有小幅下降（視透平的反動度）。

為了監測燃機高溫部件工作是否正常，通過安裝在排氣通道圓周上的熱電偶測溫元件來獲取排氣溫度場的分布信息。理想工況下，這些熱電偶所測得的燃機排氣溫度數據應該完全相同，但實際上總會存在一些偏差，這個偏差就是燃機排氣溫度分散度。

由于燃機是在高溫下連續工作的，燃燒器、火焰筒、熱燃氣管道等部件難免會出現氧化、裂紋、磨損、泄漏、堵塞甚至開裂等各種異常情況，而這些高溫部件在運行中無法直接進行監測，因此只能采用測量燃機排氣溫度和壓氣機排氣溫度的方法，間接地來判斷這些部件的狀態是否正常。當噴嘴堵塞、燃燒不正常時，會引起燃氣輪機進口流場和排氣溫度流場嚴重不均勻，而這些不均勻會反映到排氣溫度場的均勻程度，即排氣分散度的大小。

A公司3臺燃機為西門子SGT5-2000E型，燃燒室類型為筒形，共兩個，垂直安裝在透平兩側，每個燃燒室配8個燃燒器。外置筒形燃燒室的特點之一就是確保了均勻的燃氣溫度分布，這就是為什么西門子溫度分布測試只被推薦為運行數據記錄的一個部分，而不像分管式燃燒器那樣有嚴格的分散度保護。即使如此，由于燃機排氣分散度異常變化能有效反映燃燒熱部件的問題，所以，加強對燃機分散度的監視仍然是運行工作的重要內容。

1 燃機排氣分散度大原因分析

根據西門子產品說明書，如果代表兩個燃燒室的平均值相差40℃以上，可能是：（1）天然氣噴嘴堵塞；（2）某供氣管道堵塞（如因冷凝作用堵塞）；（3）燃燒器需更換。根據其他V94.2燃機運行經驗，單只溫度高于平均值60℃，或低于平均值100℃，是可以接受的，即（-100，+60）內可視為正常。如果個別溫度變化超過30℃，可能是：（1）熱通道的間隙發生了變化；（2）燃料噴嘴不均勻磨損。

從以上分析可以看到，造成排煙溫度分散度大的原因很多，需要認真分析、及時查找原因并消除缺陷，才能有效降低其對燃機熱部件壽命的影響。

2 燃機排氣分散度大對燃機的影響

除了測量的原因以外，排煙溫度分散度大對燃機熱部件造成的影響是很大的。如果排煙溫度分散度大是由于噴嘴系統的故障造成，很可能會造成燃燒室中火焰偏離設計區域，直接造成火焰筒或過渡段燒蝕或變形，最終還會影響燃機透平部件的壽命。其次，排煙溫度分散度大所造成的局部超溫對燃機熱部件的影響是致命的。透平部件是在高溫下運行的，雖然有冷卻但仍然承受著很大的熱負荷。當燃機進入OTC控制后，透平進氣初溫達到了允許的最高值527℃，如果溫度超過允許值，將大大影響其壽命，甚至是造成嚴重損壞。

3 燃機排氣分散度的監視與保護

A公司3臺燃機透平出口排氣擴壓段的周向上布置有6個雙重NiCrNi熱電偶（MBA22CT102、MBA22CT103、MBA22CT104、MBA22CT106、MBA22CT107、MBA22CT108），每個熱電偶有兩個輸出值：A和B。A元件的溫度讀數傳送給溫度控制器用于控制，B元件的溫度讀數用于當排氣溫度過高時發出報警信號和跳機指令。

為保護燃機熱通道部件不因超溫損壞，根據西門子燃機保護配置，當任一燃燒室的三個透平出口溫度值達594℃時，三取一報警；達620℃時，三取二燃機跳閘。

當排煙溫度顯示某些點超溫報警甚至達到跳機值時，說明上游很可能出現溫度場不均勻情況。從保護熱通道部件的角度出發，應盡量避免在該情況下長時間運行，最好的方法是降低負荷，待以后查找原因，消除故障。

當短時期內排煙溫度分散度有較大的變化時，說明有新的故障產生，應認真分析，盡早排除故障，使排煙溫度分散度恢復正常。

4 對A公司燃機排氣分散度的分析

統計A公司2015年6月—8月3臺燃機排氣溫度并對比分析，得出結論如下：

4.1 #1燃機分散度分析

#1燃機#4測點溫度與總平均值偏差最大，左右側均差接近40℃的極限值。剔除#4溫度測點后，重新計算左右燃燒室平均溫度差值，發現差值降低明顯。而#5、#6溫度測點和#1、#2、#3溫度測點溫度情況相差不大，右側燃燒室故障可能性小，故#4溫度測點故障的可能性大。

4.2 #3燃機分散度分析

#3燃機#4溫度測點偏差也很大，剔除#4溫度測點重新計算，左右側均差依舊超過40℃，故#4熱電偶故障可能性不大。根據西門子產品說明書，分析發現，隨著燃機負荷的增加，此溫差也相應增大。與#4測溫點相關的管道或噴嘴堵塞的可能性較大，停機后需重點檢查噴嘴及供氣管道。

4.3 #5燃機分散度分析

#5燃機左右側均差、6個溫度測點變化均在允許范圍內，且各偏差值較小。#5燃機透平出口溫度分布情況好，變化小，較穩定。可能是因為#5燃機EOH運行小時數最少，各燃燒室磨損小，情況較好。

為防止因排氣溫度過高危及燃機熱部件的壽命，避免因過熱造成的跳閘事故，除在運行時監視排氣分散度外，在燃機停機后，可加強燃燒室、燃燒器組件等重點部位的檢查，如檢查熱電偶端子排接觸情況、燃料噴嘴法蘭及軟管情況、燃燒室外杠情況、火焰檢測器及火花塞情況、透平一級噴嘴情況等等，及時發現故障并加以消除，從而有效控制排氣分散度在允許范圍內。

5 結語

燃機溫度分散度的監視是一項長期的工作，必須將收集的數據妥善保存，不斷分析比較，特別是隨著燃機運行時間的增加，通過對分散度的監視，可實現對燃機運行狀況的有效監控，以期及時發現燃燒室、熱通道部件的異常隱患，及時進行檢查，避免較大燃機事故的發生。