9E級燃機燃燒切換不成功的多種情況及伴隨現象淺談

吳徐宇 顧振華

摘要：9E級燃氣輪機由三種基本的燃燒切換模式，初級燃燒，貧貧燃燒和預混合燃燒，機組啟動時燃機升負荷，燃燒模式根據溫度基準切換。其中貧貧模式切換至預混燃燒模式最為復雜。本文以江蘇華電吳江熱電有限公司E級燃氣蒸汽聯合循環機組為對象，收集歸納了一些運行中出現過的9E級燃機在燃燒切換過程中，貧貧模式至預混燃燒模式切換不成功的原因。

Abstract： The 9E gas turbine has 3 main combustion modes， primary mode， lean-lean mode， premix stead-state. When the gas turbine increases load， the combustion mode will switches according to the TTRF1. The most complex switching is from lean-lean mode to premix mode. This paper according to the gas turbine from ?Jiangsu huadian wujiang thermal power plant concludes some cases of the faults about combustion mode switching from lean-lean mode to premix mode.

關鍵詞：燃氣輪機;燃燒切換;預混合燃燒;故障處理

Key words： gas turbine;combustion mode switching;premix stead-state;fault treatment

1 ?設備簡介

1.1 燃氣輪機簡介

燃氣輪機設備采用的是GE公司生產的PG9171E型燃氣輪機燃機由一個啟動馬達、一個17級的軸流式壓氣機、一個由14個分管式燃燒室組成的燃燒系統、一個3級透平轉子組成。

1.2 燃燒室簡介

燃燒器型號為DLN1。燃燒室的外殼材料為ASTM A516 （16MnR） GR55，燃燒器和火焰筒材料為Hastolly X，過渡段材料為Nimonic 263。燃燒室為分管逆流式結構。共有14個燃燒室，呈圓周布置，順氣流方向看為逆時針排列，12點位置為14號燃燒器。每個燃燒室主要包括燃料噴嘴、聯焰管、火焰筒、過渡段等。

單燒氣的DLN燃燒系統的每一個燃燒室都含有主燃料噴嘴和次燃料噴嘴，分別將氣體燃料噴入一次燃燒區和二次燃燒區，以滿足機組從點火到額定負荷低排放燃燒的要求。主燃料噴嘴與燃燒室端蓋為一整體，次燃料噴嘴通過法蘭安裝在燃燒室端蓋上。

1.3 燃料系統簡介

1.3.1 一個速比閥（FRS）和三個控制閥（VGC-1、VGC-2、VGC-3）

速度比例截止閥作用是：當機組事故緊急停機或正常停機時，該閥負責切斷機組的氣體燃料供應;調整氣體燃料控制閥前的燃料氣壓力（即P2壓力）使之保持在希望的數值。

氣體燃料控制閥作用保證氣體燃料的質量流量只與該閥的開度有關，便于燃燒控制。因為氣體燃料控制閥閥前的壓力和溫度都將影響氣體燃料，即使閥門處在同一開度，當溫度和壓力發生變化時，質量流量也將發生變化。那么，在機組并網運行時，會引起負荷的波動，在單機運行時，會引起機組轉速的波動。串接了速度比例截止閥以后，就可以使控制閥前的壓力是一個定值，而控制閥前的溫度基本不變。這樣就實現了FSR與控制閥開度以及燃料質量流量的一一對應關系。

1.3.2 電磁閥20VG-1

為防止燃氣輪機停機后，有一定數量的天然氣泄漏到燃燒室中去，在啟動過程中沒有排盡，而致使點火后引起爆炸，當機組停運時，上述兩道閥門后的天然氣管道應立即自動地旁通大氣，即使有泄漏現象，也只允許把漏氣排向高空，從而嚴防排入燃燒室。

2 ?燃燒方式及切換步驟

2.1 燃燒方式

燃機的DLN正常運行方式有三種，即PRIMARY（初級燃燒）;LL-POS（貧貧燃燒）;PM-SS（預混燃燒）。還有幾種不正常的燃燒方式，如LL-NEG、LL-EXT等。

2.1.1 初級燃燒

燃料只送往一級噴嘴，只在燃燒室一區中有火焰，這種運行模式用來點火、加速，使燃燒運行在低、中負荷，直到透平入口溫度TTRF1達到的899℃/1650°F。

DLN1.0模式之PRIMARY MODE說明：初級燃燒模式下，燃料只送往一級噴嘴。只在燃燒室1區中有火焰。這種運行模式用來點火、加速，使燃機運行在低、中負荷，直到燃燒溫度TTRF1達到898.9℃（1650）。這種模式下，DLN1與標準燃燒系統的氮氧化物和一氧化碳排放水平相似，因為在此范圍內這兩種系統都是作為擴散火焰燃燒室運行的。

2.1.2 貧-貧燃燒

燃料送往一級和二級噴嘴。在一級區、二級區中都有火焰。這種運行模式用于在透平入口溫度在899℃/1650°F與1077℃/1970°F之間時。

DLN1.0模式之LEAN-LEAN MODE說明：貧-貧燃燒模式下，燃料送往一級和二級噴嘴。在1區、2區中都有火焰，是介于PRIMARY MODE和SECONDARY TRANSFER MODE之間的模式。這種運行模式出現于燃燒溫度TTRF1在898.9℃（1650）與1077℃（1970）之間。此運行模式下VGC1與VGC2給定的閥門開度相同。

2.1.3 預混合燃燒

燃料送往一級和二級噴嘴。只在二級區中都有火焰。TTRF1達到1077℃/1970°F時開始切換，直到將機組負荷帶入溫控，這是最佳的排放運行模式。

DLN1.0模式之PREMIX STEAD-STATE說明：在預混合穩定模式下，燃料同時進入一級和二級噴嘴。1區徹底混合燃料和空氣，并把均勻的、貧的、還未燃燒的混合物送往2區去燃燒，因此只在2區中有火焰。該模式是NOX和CO最佳排放的運行模式。

2.2 燃燒切換簡介

燃燒切換的基本過程步驟。正常的LL-POS至PM-SS的燃燒切換過程為：

①TTRF1達到1077℃;

②清吹閥VA13、VA14關閉;

③清吹放散閥20VG-1開啟;

④VGC3打開;

⑤VGC1關閉5s，將1區火焰熄滅;

⑥VGC2關小，使通過VGC1的燃料量增加，關至1.3%后再開啟;

⑦VGC3關閉（在這一步可能已經顯示燃燒方式為PM-SS，但切換過程未結束）;

⑧清吹放散閥20VG關閉;

⑨清吹閥VA13、VA14開啟;

⑩燃燒方式進入PM-SS，切換完成。

3 ?燃燒切換不成功的情況及原因

3.1 Lean-Lean Base 按鈕選擇為“On”

在機組啟動之前，如果Lean-Lean Base選擇為On，將直接造成無法正常燃燒切換。對此在《9E熱電聯產發電機組培訓教材（燃機分冊）》上有明確寫出，會導致機組進入EXTENDED LEAN-LEAN MODE燃燒。此種燃燒在TTRF1達到1096℃（2005）時，1區和2區同時有火焰，此模式下NOX和CO排放很高，無法達到嚴格的排放指標。在此模式運行將大幅縮短燃燒部件壽命，特別是在高負荷時，燃燒部件的維修系數是預混合穩定模式下的10倍。對此可制定啟動前檢查卡明確要求Lean-Lean Base按鈕選擇“OFF”，保證不會因此原因導致切換不成功。

3.2 燃料管道或清吹管道內有積水

在水洗后，由于燃料管道或清吹管道內若存有積水未排盡，在切換時，水會進入燃料閥，造成高溫焰氣回流，形成回火，導致燃燒切換失敗，甚至可能導致熄火。此種情況可能由于水洗前相關閥門沒有按要求關閉，水洗后未嚴格執行烘干程序。對此可以強化水洗檢查管理，制作標準的水洗準備檢查卡，或者在水洗前在燃料閥后管道加裝堵板，防止水洗時有水進入，水洗完成和拆除即可。

3.3 由于清吹電磁閥VA13、VA14故障或卡澀或者清吹放散閥20VG-1卡澀或故障

如果這幾個閥門發生卡澀或者故障未能正常開關也會導致燃燒切換不成功，此時由于負荷一般設置預選較高（躲過燃燒切換溫度，以免導致因切換溫度不滿足而導致切換失?。?，燃燒切換會立即終止進程并切換至不正常狀態。

從前文所述燃燒切換步驟，VA13、VA14及20VG-1的動作在第2、3步，此種情況下時，不會跳至燃料閥相關的過程?？梢酝ㄟ^燃燒切換進程檢查是否為此原因。在此基礎上，在進行判斷，由于吹掃起源未壓氣機排氣溫度約為360℃，可以通過用測溫槍來查看，20VG-1閥前后溫度，如果閥后溫度明顯較低則說明是20VG-1未能正常開啟導致了燃燒切換失敗。

3.4 升負荷時燃機預選負荷較低

由于9E級燃機的貧貧燃燒切換預混合燃燒的溫度在1077℃，開始進入過度切換模式——SECONDARY TRANSFEMODE。如果升負荷時，設置的負荷過低導致切換溫度不夠，即溫度維持在了1077℃附近時，進入了切換條件滿足的溫度，但是由于負荷的波動，導致溫度的波動，在切換過程中又使燃燒溫度過低，導致燃燒切換失敗。

3.5 由于清吹閥VA13、VA14管道的孔徑過大

在上文描述的切換步驟第9步，清吹閥VA13、VA14會開啟，在開啟過程中清吹空氣會從吹掃管道通入，從系統圖中可見，會直接通入VGC-3（與2區噴嘴相通）。如果VA13、VA14孔徑過大，清吹空氣流量過大，會直接導致短時吹滅火焰（導致排氣分散度瞬時偏差大），從而導致燃燒切換不成功。這種情況發生在燃燒切換的最后一步，大約TTRF1在1100℃左右，此時已完成基本燃燒切換流程且所有閥門均能正常開關，燃燒模式已顯示PM-SS（PREMIX STEAD-STATE），但是由于最后排氣分散度大，火焰被吹滅等導致了燃燒切換失敗lean-lean base按鈕自動切換至“on“。從火檢和排氣溫度，排氣分散度檢查看出是否為此種原因。對此可在管道加裝截流孔板，控制清吹氣流量。

4 ?總結

本文總結歸納了吳江熱電有限公司近3年發生的幾次燃燒切換不成功事件，同時匯入了2個常見的燃燒切換不成功原因。發生燃燒切換失敗時，應首先降負荷，避免在故障的燃燒模式下長時間高負荷運行。針對燃燒切換步驟順序，查看燃燒切換失敗發生的節點，來查找燃燒切換失敗原因。

參考文獻：

[1]宋傳教.9E燃氣輪機燃燒模式切換失敗原因分析處理.儀器儀表用戶2016 No.4.

[2]胡程斌，等.PG9171E燃氣輪機燃燒模式切換過程中負荷突變的原因分析[J].燃氣輪機技術，2018年9月.

[3]江蘇華電吳江熱電有限公司集控運行規程.

[4]2*9E燃機熱電聯產發電機組培訓教材（燃機部分）.