F4 機組燃料噴嘴升級改造的可行性研究

張 衛

（浙江浙能金華燃機發電有限責任公司，浙江金華 321025）

0 引言

某燃機電廠2014 年7 月22 日通過168 h 試運轉商業運行，該型燃機為東方汽輪機有限公司生產的三菱M701F4 型燃氣輪機。

1 燃燒器改造升級的必要性

M701F4 燃機的壓氣機、燃燒室和透平為燃氣輪機三大部件，其中燃燒器是燃燒室的主要部件。燃燒室內燃燒溫度高達1400 ℃，其冷卻效果直接影響機組燃燒效率和排放，以及機組穩定運行。根據廠家維護手冊要求，機組運行每12 000 EOH必須檢查燃燒器。

（1）燃機目前使用的燃燒器噴嘴是傳統型噴嘴。2015 年以來國內的F4 型燃機陸續開始進入首次C 檢，根據廠家技術函和檢修現場信息反饋，多臺機組已發現傳統型燃燒器輔助噴嘴燃料比較低，先端部溫度較高，先端均存在不同程度的高溫氧化減肉現象（圖1）。高負荷下長時間運行時，減肉會發展，容易造成機組燃燒不穩定，嚴重時會導致機組遮斷，熱通道部件損壞。新型的輔助噴嘴，可以降低噴嘴先端的金屬溫度，提升運行可靠性，降低噴嘴維護成本，如圖2 所示。

圖1 先端部的高溫氧化減肉現象

（2）新型輔助噴嘴降低機組開機時NOx的排放量。值班燃料噴嘴按擴散燃燒使用大約5%天然氣的情況下保持火焰穩定，其余天然氣供給主燃料噴嘴和頂環燃料噴嘴。主燃料噴嘴和頂環燃料噴嘴通過空氣與天然氣預混合在燃燒器中形成均勻低溫火焰。新型輔助噴嘴向噴嘴先端部提供氣模空氣，從而抑制碳附著現象產生，可以提升噴嘴可靠性和緩和對后流側的影響。NOx生成量可明顯減少，一定程度上解決1#機組在開機時NOx超標現象，同時提高燃燒器的使用壽命。

除去燃燒器外，燃燒室另外兩大部件火焰筒（內筒）、過渡段（尾筒）MHPS 也采取了最新材料和冷卻技術，保證機組最大壽命周期一起更換改造升級。改造后的過渡段側密封更加合理，解決過渡段漏氣現象，提高安全性和經濟性。

最大程度保證燃機透平的安全性能。高溫的燃氣穩定是保證燃機三級透平的重要保證，通過改造能提高燃燒的穩定性能。三級透平的總造價高達1.4 億元人民幣，占燃機總費用的70%。其中兄弟電廠出現透平涂層脫落或損壞現象，葉片燒損嚴重。保證聯合循環效率前提下，提高聯合循環出力。經過燃燒器改造，IGV 控制優化、TCA 流量優化、旁通閥（主A、值班噴嘴）控制優化，在現有聯合循環效率下，可以提高機組總出力，提高機組經濟性。

2 燃燒器改造的可行性

為確保機組長期安全穩定運行，三菱公司開發出具有良好性能的燃燒器，可以延長燃燒器壽命周期，并且在壽命周期內成本最小化。同時新型燃燒器部件價格與舊型燃燒器價格等同，三菱提供二級燃料噴嘴免費升級服務。

（1）燃燒器輔助噴嘴采用改善的冷卻強化型輔助噴嘴，改善冷卻效果，減少出現裂紋的可能性。

（2）燃燒器內筒采用更加先進、焊接性優越、高強度材料的HASTELLOY-X 鎳基耐蝕合金。

（3）燃燒器尾筒采用高溫強度和維修性兼優的TOMILLOY材料，為提升高溫強度，通過添加Al、Ti，提升了HASTELLOY-X材料的析出效果，增加了Mo、W、Co 的總量等，強化了固溶、提升了高溫強度，具體蠕變溫度增加50 ℃，LCF（多因素鎳基單晶合金）壽命和耐氧化性大大提高。

（4）燃燒器采用成熟的熱處理技術，使材料可恢復蠕變強度增強，延長燃燒器使用壽命，降低成本。改造后可以增加燃燒穩定性，NOx排放更加環保。

圖2 新型冷卻強化型輔助噴嘴

（5）先進的TBC 涂層和高性能的冷卻技術和空力技術在改造的燃燒器上得到更深入應用。

據了解，目前國內M701F4 型燃機已有十幾臺燃燒器部件改造成功的實機驗證，在商業運行模式下可以確保機組長期穩定安全運行。

3 燃燒器升級改造費用經濟分析

通過對燃燒器部件改造，可以有效地降低燃機運行時燃料噴嘴先端的金屬溫度，改善火焰筒和過渡段涂層，從而提高其使用周期，提升其可靠性，從而保證燃機在壽命期內的長期穩定安全運行。降低NOx排放，延長機組檢修EOH 小時數，降低維護成本。在保證現有效率和同等環境溫度前提下，提高機組總出力。