天然氣電廠燃燒器輔助噴嘴積碳問題分析與處理

林森

摘 要：天然氣電廠燃燒器輔助噴嘴積碳是導致燃燒不穩定和透平部件損傷的主要原因之一，危害極大。燃料噴嘴主要包括輔助噴嘴和主燃料噴嘴，在機組啟動、負荷劇烈變化時，為防止火焰熄滅，輔助燃料噴嘴進行擴散燃燒穩定火焰，當輔助噴嘴頂部積碳堵塞燃料孔時，燃燒情況將變得非常不穩定，并且碳顆粒脫落后會隨著高溫煙氣向透平方向流動，附著在動、靜葉環冷卻涂層上使葉片冷卻效果極具惡化，帶來破壞性的后果。本文通過對輔助噴嘴積碳原因進行分析，提出解決方法，消除安全隱患，確保機組安全穩定運行。

關鍵詞：燃機透平;燃燒器;積碳;強化冷卻型噴嘴

1 引言

某電廠安裝2臺M701F4型燃氣——蒸汽聯合循環發電機組，采用單軸一拖一布置，額定出力為452MW，燃氣輪機采用環管型預混多噴嘴干式低NOx燃燒室結構，燃料噴嘴采用了混合運行方式，配有兩級燃燒器組件，包括1個輔助燃料噴嘴、8個主燃料噴嘴和16個頂環噴嘴。輔助噴嘴位于燃燒器中心，采用擴散燃燒方式;8個主燃料噴嘴彼此獨立環繞在輔助噴嘴周圍采用預混燃燒方式。由于輔助噴嘴與主燃料噴嘴火焰燃燒方式不同，所以兩個噴嘴的空氣旋流器在設計上有所差異，當空氣通過輔助噴嘴旋流器后，與輔助噴嘴噴出的燃氣直接混合燃燒，而流經主燃料噴嘴旋流器的空氣形成渦流，在一個喇叭口形組件中與來自主噴嘴的燃氣預混合但并不燃燒，然后從側邊射入輔助噴嘴火焰所在的燃燒區域被點燃，此時混合的可燃氣體燃燒溫度較低，氮氧化物排放明顯減少。在機組高負荷時，控制輔助噴嘴的燃料保持火焰穩定，增加主噴嘴的燃料提升機組出力，同時增加預混燃燒的比重，維持NOx的排放在合理范圍，可見輔助噴嘴在整個燃燒過程中起到至關重要作用。

2 輔助燃料噴嘴頂部積碳情況

為了提高燃氣輪機機組效率，目前F級燃機透平燃氣初溫已高達1400℃以上，因此確保透平部件得到良好的冷卻效果尤為重要。2019年該廠燃機透平部位進行T級檢修，在缸內解體時發現一級動、靜葉片涂層上附著大量黑色顆粒，堵塞了葉片冷卻孔，聚積處的涂層已經大面積脫落，少量葉片金屬存在被燒穿現象。由于在一級動、靜葉片上最為明顯，并且燃燒器內高溫高壓氣體通過過渡段后直接進入一級靜葉環，所以有必要將全部燃燒器進行解體檢查，結果發現輔助燃料噴嘴頂部存在積碳情況，涂層不同程度脫落、冷卻孔部分被堵塞，并且聚積的碳粒子會隨著高溫高壓煙氣向透平方向流動，附著在動、靜葉環冷卻涂層上。將相關情況與廠家溝通、分析后確認，輔助噴嘴頂部積碳會造成噴嘴本身及透平葉片涂層脫落、裂紋、高溫氧化開孔等損傷現象。

3 輔助噴嘴積碳情況的原因分析

（1）燃料系統過濾精度不夠，導致系統內存在雜質。燃氣電廠燃料系統管線長、設備多，包括管網輸送管道、調壓站、前置模塊、燃料調節閥等設備，如果管道、設備內部存在鐵銹等顆粒，同時系統內過濾器過濾精度不夠，那么沒有被清除干凈的固體顆粒就可能會在燃燒后殘留在噴嘴的頂部，長時間累積形成積碳現象。

（2）燃氣氣源中硫化物等固體顆粒含量超標。該廠使用的天燃氣氣源來自管網，燃氣成分不可避免存在多樣化，且不確定性較高，超標的固體顆粒燃燒后吸附在輔助燃料噴嘴頂部，形成積碳現象。因此氣源中存在固體顆粒可能是原因之一。

（3）壓氣機轉子及缸體內部長時間未清理，存在鐵銹等固體顆粒。該廠機組為調峰機組，全年運行小時數相對較少，導致檢修周期較長，且缸體內零部件冷熱狀態變化頻繁，易形成銹蝕，長時間不檢查清理，鐵銹等固體顆粒會隨著壓縮空氣進入燃燒器的輔助噴嘴，堵塞頂部燃料孔形成堆積現象。

（4）進氣系統內存在固體顆粒。進氣系統包括粗濾和精過濾兩部分，氣源取自外界空氣，機組運行時，參與燃燒的壓縮空氣通過進氣系統過濾后進入燃燒器內，如果濾芯精度等級不夠、失效導致過濾效果差，或者系統設備銹蝕存在固體顆粒，那么氣源中就會攜帶雜質進入燃燒器輔助噴嘴，長時間未清理也會形成堆積現象。

（5）輔助噴嘴材質及頂部結構形式原因。燃氣輪機運行時，輔助燃料噴嘴起到穩定燃燒作用，因此始終處于高溫狀態，特別是噴嘴頂部靠近火焰位置溫度最高，如果材質選用不當或者結構形式設計存在隱患，不能及時將熱量散發，那么金屬材質及表面涂層就一直在超過額定溫度的環境中工作，導致輔助噴嘴本身結構破壞產生固體碳粒子，隨著運行時間的延長，固體碳粒子逐漸增多聚積在頂部形成積碳現象。

4 輔助噴嘴積碳問題的處理

（1）燃料系統、缸體內部存在鐵銹等固體顆粒問題的處理方法，要對缸體內部、轉子、以及系統設備管道進行解體檢查，存在底部積水、大面積銹蝕情況，必須打磨清除干凈，保持潔凈度。并且在運行維護方面加強監督，停機后及時排放疏水，定期對設備進行內窺鏡檢查確保狀況良好。根據該廠機組檢修經驗，最好能夠在每次燃氣輪機檢修時，同時進行附屬系統以及過濾器的解體檢查清理，確保在一個檢修周期內潔凈度處于良好狀態，消除隱患。

（2）針對燃料系統、進氣系統過濾器濾芯精度達不到要求這一問題的解決方法，可以選擇系統上檢修位置方便的過濾器，對其內部結構形式進行改進提高過濾效果，同時提高濾芯精度等級，來滿足過濾精度要求。該廠對燃氣終端過濾器進行改進，濾網由原來水平放置改成垂直放置，同時提高精度等級，取得較好的過濾效果。

（3）燃氣氣源中硫化物等固體顆粒含量超標問題的處理方法，首先要對氣源氣體成分進行化驗分析，明確成分占比是否符合規定要求，如果固體顆粒含量超標，那么需要有針對性的對燃氣中顆粒進行分離或者吸附處理，保證燃氣成分含量達到合格標準。

（4）該廠在處理本次輔助噴嘴頂部積碳現象過程中，通過對可能造成積碳原因逐一排查，最后得出結論，現有的輔助噴嘴材質及頂部結構形式不佳是導致積碳現象的主要原因。正在使用的輔助噴嘴頂部冷卻孔分布較少、散熱冷卻效果差，隨著運行時間增加，導致大量固體顆粒聚積在噴嘴頂部，在高溫作用下形成積碳現象。處理方法是更換為冷卻強化型輔助噴嘴，改變頂部結構形式，增加冷卻空氣孔降低頂部溫度，減少碳粒子生成，并通過冷卻空氣將碳粒子吹散，避免積碳現象產生。更換冷卻強化型噴嘴后，對輔助噴嘴、透平設備進行內窺鏡檢查，并未發現積碳現象，運行至今效果良好。

5 結論

燃燒器輔助噴嘴積碳問題主要與噴嘴頂部結構形式有關。積碳現象是較為嚴重的設備隱患，不僅影響燃燒效果和設備使用壽命，而且會危及機組安全運行，造成巨大經濟損失，所以對于透平燃燒器噴嘴等高溫通道部件的檢查要全面細致，重點查看表面冷卻通道是否完好以及內部結構是否發生變化，同時提高冷卻空氣品質，保證附屬設備潔凈度，出現異常情況全面分析，找到主要原因消除隱患，確保機組安全穩定運行。

參考文獻

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