排煙溫度分散度在燃機運行監視中的應用分析

曲 毅

(上海電力股份有限公司羅涇燃機發電廠，上海 200949)

燃氣輪機的控制系統有很高的集成度。在機組正常運行中，服務器后臺不斷處理著從各處匯總而來的數據，自動監視并判斷著機組的運行狀況。在對燃燒系統的監視中，最直觀的數據則來自于排煙分散度。

燃氣輪機的效率與透平進氣初溫(T0)成正比。隨著材料技術與冷卻技術的發展，燃機透平初溫(T0)也越來越高。一般E級燃機透平初溫(T0)在1 960℉(1 071℃)左右，而最新的H級燃機則更是達到了2 550℉(1 399℃)。由于溫度太高，沒有熱電偶可以長期在如此高溫下正常運行與準確測量。但可以根據運行中排煙溫度(T1)、大氣溫度(T2)、壓氣機排氣壓力(CPD)以及給燃料量(FSR)列函數方程式來進行計算。通過對排煙溫度(T1)的測量，可以達到間接測量和控制(T0)的目的，因此本文重點討論排煙溫度分散度在燃機運行監視中的實際運用情況，可有效提高運行檢修人員的事故分析及處理能力。

1 燃機運行中排煙溫度的測量與排煙分散度

在燃機正常運行中，通過安裝于排氣擴壓段出口均勻分布的熱電偶(各型機組熱電偶數量不同，E級 24個、F級31個、H級36個)來測量燃機的排煙溫度。排煙溫度值通過排列后，刪選出最高值和最低值，最后計算其均值，便是燃機的排煙溫度。

在正常運行中，機組各排煙溫度應當是均勻而且穩定的。排煙分散度是對機組各排煙溫度分布均勻的重要指標。一旦在運行中出現各熱電偶測量值偏大的情況，說明燃燒系統很有可能已經出現故障。如在一定時間內偏差未減小甚至出現了不斷惡化的情況，對燃機的安全正常運行會帶來極大危害。因此，在燃機運行中應該加強對排煙分散度的監視，也是對燃機噴嘴、燃燒室、過渡段以及透平等高溫部件工作運行狀況的整體評估。

不同負荷下的排氣旋轉偏離圖見圖1。

圖1 不同負荷下的排氣旋轉偏離圖

2 燃機排煙溫度分散度計算及其保護動作邏輯

燃機排煙溫度分散度保護主要是指，運行中的燃機及其控制系統通過對排煙溫度分散度的檢測來反映燃機燃燒系統及透平的工作狀況。當出現排煙溫度分散度大或者排煙溫度場不均勻時，控制系統及時發出報警，提醒運行人員及時采取對應措施，若出現排煙分散度持續超過允許值時，則會由控制系統直接發出遮斷指令，以防止事故的進一步擴大。

在燃機正常運行中，控制系統始終計算著最大的三個排煙溫度分散度值。這三個排煙溫度分散度分別是：最大排煙溫度分散度(TTXSP1)、第二排煙溫度分散度(TTXSP2)和第三排煙溫度分散度(TTXSP3)。

2.1 排煙溫度分散度的計算

(1)最大排煙溫度分散度，GE燃機邏輯中通常顯示為TTXSP1，為24支(E級)熱電偶測量排煙溫度最大值減去測量排煙溫度最小值。

(2)第二排煙溫度分散度，GE燃機邏輯中通常顯示為TTXSP2，為24支(E級)熱電偶測量排煙溫度最大值減去測量排煙溫度第二小值。

(3)第三排煙溫度分散度，GE燃機邏輯中通常顯示為TTXSP3，為24支(E級)熱電偶測量排煙溫度最大值減去測量排煙溫度第三小值。

實際動作保護中，是通過這三個分散度與燃機允許排煙溫度分散度(TTXSPL)之間的比較進行的。相對于一般的排煙溫度分散度而言，允許排煙分散度(TTXSPL)的計算則復雜的多，其計算值與壓氣機排氣溫度(CTD)和燃機排煙溫度(TTXM)有關。

2.2 排煙溫度分散度保護動作邏輯

在燃機啟動、點火、暖機升速至滿負荷的過程中，其排煙溫度分散度為一個一定區間內的動態值。與之相對的，允許排煙分散度也會發生變化，但維持時間不會很長。一般當燃機運行工況穩定后，其允許排煙溫度分散度與排煙溫度分散度也會趨于平穩。

在燃機運行過程中沒有排煙溫度分散度是不可能的，但是排煙溫度分散度必須在一定范圍內。當排煙溫度分散度超過某一值時，燃機控制系統則將報警或發出遮斷信號。

當輸出以下三個邏輯信號時，控制系統將進入監視排煙溫度分散度的邏輯判定。

(1)燃機轉速≥95%額定轉速，即L14HS= 1；

(2)主保護沒有遮斷，即L4= 1；

(3)沒有發出停機令，即L94X= 0。

控制系統把計算出的三個排煙溫度分散度與排煙溫度分散度允許值進行比較，當滿足條件時即報警或發出遮斷信號。

(1)報警條件：

1)排煙熱電偶故障報警TTXSP1≥5*TTXSL；保護觸發延時(9E取K30SPTA)報警動作；

2)燃燒故障報警。TTXSP1≥TTXSPL或TTXSP3≥TTXSPL；保護觸發延時(9E取K30SPA)報警動作。

(2)燃燒故障遮斷：

1) TTXSP1≥TTXSPL同時TTXSP2≥0.8*TTXSPL；且熱電偶測出的最小值與第二小值相鄰；觸發后延時(9E取K30SPT)遮斷保護動作；

2)TTXSP1≥5*TTXSPL同時TTXSP2≥0.8*TTXSPL；且熱電偶測出的第二小值與第三小值相鄰；觸發后延時(9E取K30SPT)遮斷保護動作；

3)TTXSP3≥ TTXSPL觸發后延時(9E取K30SPT)遮斷保護動作。

在這些保護邏輯中，特定的相鄰條件約束避免了在燃機正常運行中，由于卡件及測量元器件故障所導致的測量數值階躍而引發排煙溫度分散度遮斷保護誤動作。

3 影響排煙分散度的主要因素及應對措施

3.1 由測量元器件導致的排煙分散度高

在實際運行中，燃機排氣熱電偶由于長期在惡劣工況下工作，會出現斷裂情況，就地接線箱、I/O卡件等也會由于長期運行而出現端子排松動情況。在實際運行監測中，具體表現為該點數值突然丟失、階躍頻繁或顯示異常。一般只需要更換相應熱電偶，緊固接線及卡件后，異常就會消失。同時也并不會對燃機熱通道部件造成實際影響。在影響排煙分散度的各類故障中，屬于實際影響比較小的類型。

3.2 由燃料系統所引發的排煙分散度高

這種類型故障不管是新投產燃機與投產較長時間的燃機，均有可能出現。主要表現為，實際運行中，部分火焰檢測探頭信號丟失，某一區域排煙溫度急劇下降。最終導致整體排煙分散度升高。產生這一現象的主要原因，就是燃料系統出現了各燃燒室內燃料分配不均勻的情況。一般遇到這種情況，需要對各進燃燒室的燃料金屬軟管進行仔細檢查，確認有無破裂開口等導致可能的燃料泄露情況。檢查自燃料金屬軟管至燃料噴嘴是否存在堵塞、燒蝕的現象。最后確認其內部固定元件是否已經因長期高溫工作而出現了變形及晃動。

一般在排除硬件原因之后，需要重新對燃料系統做燃料分配的調整，確保燃料分配均勻后，就可以消除這類故障。如若未仔細排查并消除此類故障，長期運行后，則會急劇影響燃機熱通道部件的使用壽命，嚴重的甚至會造成熱通道部件的燒毀。

3.3 由燃燒室內部及透平噴嘴造成的排煙分散度高

這類故障一般都出現在經過一段時間穩定運行的燃機中。在運行監視中，這類故障由于其成因較長，監視中數據變化較小，而導致最終故障發生時，已經對某些熱通道部件造成了實際損壞。在數據變化上，主要表現為排煙分散度在很長一段時間內，一直呈緩慢上升趨勢，并且最終呈階躍式的突然躥升。而造成這一現象的主要原因，就是燃燒室內部承壓部件、透平噴嘴出現了損壞。因此需要對燃燒室內各聯焰管檢查是否存在破損、燃燒筒與過渡段是否存在鼓包及燒蝕燒穿現象、燃燒室外缸及外缸附件(點火火花塞，火焰檢測器)是否存在破損泄露、透平葉片與冷卻孔是否存在燒蝕，變形及堵塞的現象。一旦在燃燒室內部出現這些情況，會造成燃機CPD排氣大量向燃燒室內部泄露、燃燒室內部氣體向外泄露及葉片冷卻嚴重不足。

一般出現了此類故障，則需立即停機并安排燃機CI檢修，否則就會對整段熱通道部件造成致命影響。

3.4 雙燃料機組由于霧化空氣系統造成的排煙分散度高

在雙燃料機組中，液體燃料系統中一般都會配置霧化空氣系統。在燃機實際運行中，霧化空氣系統加速燃油在燃燒室內的霧化，使其能夠更為快速充分的燃燒。如果霧化空氣系統出現壓力、流量和溫度的急劇變化，會使得液體燃料在燃燒室中因為結露等情況在噴嘴、燃燒筒和過渡段內壁及透平葉片上附著，造成在燃燒中局部超溫，從而導致排煙分散度的急劇變化。一旦出現此類情況，需要馬上對霧化空氣系統整體進行重新調試，通過對其冷卻器檢查、變送器重新校驗及各管道逆止門和氣動控制閥動作情況的確認，尋找參數變化的原因，保證其能夠在額定參數下正常運行。

一般霧化空氣系統故障造成的排煙分散度高，如不及時處理，會很快成為熱通道承壓部件損壞的誘因。

3.5 由于其他原因造成的排煙分散度高

因為燃機的集成化水平相當高，在日常對機組的檢修、調試與維護中，常常會出現對部分邏輯進行強制的情況。在每次強制恢復過程中，應當重點檢查涉及燃燒部件氣控回路的邏輯，各氣動閥門(尤其是涉及清吹氣源管道與霧化空氣系統管道)啟閉回座是否正常。在每次的燃機水洗中，應當檢查各閥門狀態是否滿足水洗所需條件，水洗過程是否依照正常順控進行，尤其是88TK風機是否動作正常。在部分現場中，曾出現過由于水洗中88TK風機未啟，使得TK風機風道內積水，最終導致燃機啟動后長時間排煙分散度高的故障情況。

這類故障對燃機本身不會造成太大影響，但會嚴重影響機組整套啟動相應的時間，增加機組啟動失敗的幾率，對相關精益性考核指標造成較大影響。

羅涇燃機燃燒室內窺鏡檢查見圖2。羅涇燃機噴嘴內窺鏡檢查見圖3。

圖2 羅涇燃機燃燒室內窺鏡檢查

圖3 羅涇燃機噴嘴內窺鏡檢查

由此可見，當發現機組運行過程中，排煙分散度不斷提高時，需要做到認真分析、及時查找原因并進行消除，同時部分故障是由于長時運行后累計而來。因此，對于運行數據的定期分析，對明顯出現劣化惡化趨向的數據進行重點分析，才能真正有效地降低排煙分散度高對于燃機熱部件壽命的影響。

4 排煙溫度分散度在實際運行中的數據分析

在燃機實際運行中，會出現由于不同故障的緣故而導致監視數據的不同。針對各種可能的工況，唯有通過監視數據與現場實際相結合的分析方式，方能準確判斷當前機組真實的運行狀況。

當機組以穩定負荷(或滿負荷)狀態下運行時，

應當始終保證將排煙溫度分散度控制在較小的區間內。一旦排煙溫度分散度出現持續性的劣化情況，則表明該機組的熱通道部件已經出現了一定的損壞。如若不加強對數據的定期分析，很容易造成檢修周期的不合理規劃。以至于在最終檢修時，才發現熱通道部件的損壞已經到了十分嚴重的地步。因此經常性地對排煙溫度分散度數據進行分析，控制其在較低的范圍內，有助于更為科學、經濟合理地安排機組熱通道部件的檢修周期。

對于機組運行中出現過的排煙溫度分散度瞬時超限等情況，也應當記錄下發生超限的時間與機組工況，具體分析其可能的成因。這類型的故障需要通過對燃機報警盤的及時監視才能發現，否則很容易在運行監視中被忽略。如果放任這類故障，則很有可能給燃機安全運行埋下隱患。唯有通過認真分析，仔細排查，消除可能的隱患后，方能保障燃機的安全運行。

5 結語

隨著社會對環境保護的重視，具有大功率、快速響應及優秀排放指標的發電機組，燃氣輪機勢必將會越發普及。排煙溫度分散度作為燃機安全運行的重要監視指標，直接影響著燃機的運行壽命。由于燃機熱通道部件均為進口，其檢修更換的價格高昂，如若發生故障檢修費用很高。通過對排煙溫度分散度保護與其監測數據的分析，不僅能夠提高運行檢修人員在面對各類事故的分析及處理能力，同時也能更為科學合理地規劃燃機熱通道部件的檢修周期，減少不必要的開支。

因此，只有通過對相關數據與運行經驗的不斷積累，方能不斷提高燃機的運維水平，并為未來國產化燃機的投產，提供寶貴的實踐以及技術支持。