燃氣輪機燃燒故障原因與檢修策略探究

齊立武 劉齊 霍志勇

摘要：燃氣輪機是傳統火力發電廠中的重要發電設備，燃氣輪機機組在運行過程中燃燒室有時會出現異常故障，檢修人員必須提高對異常故障的診斷技術水平，根據相關故障原因及時采取排障措施，保障燃氣輪機的安全運行。本文首先對燃氣輪機做出概述，并通過實例分析燃氣輪機燃燒故障的原因和相應策略，以供參考。

Abstract： Gas turbines are important power generation equipment in traditional thermal power plants. Abnormal failures may sometimes occur in the combustion chamber of gas turbine units during operation. Maintenance personnel must improve the technical level of diagnosis of abnormal failures and take timely troubleshooting measures based on the causes of related failures. Ensure the safe operation of gas turbines. This article first gives an overview of the gas turbine， and analyzes the causes and corresponding strategies of the combustion failure of the gas turbine through examples for reference.

關鍵詞：燃氣輪機;燃燒故障;故障原因;檢修策略

Key words： gas turbine;combustion failure;failure reason;maintenance strategy

中圖分類號：U664.131? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0127-03

0? 引言

隨著我國城市化發展腳步的不斷加快，為了更好的滿足市民的用電需要，國家大力引進燃氣輪機設備，將其當作主要的發電設施。

1? 燃氣輪機概述

對于燃氣輪機而言，其屬于旋轉式動力機械，主要是把連續性流動的氣體作為相應的工質，完成熱能至機械能的轉化。就空氣及燃氣的相應流程而言，只是存在燃氣透平、燃燒室及其壓機幾個相關部件組成的相應燃氣輪機循環，我們將其稱作簡單循環，很多的燃氣輪機都是采用這樣的工作模式。這主要是由于這種循環模式結構比較簡單，同時可以使燃氣輪機獨特的重量較小、啟動快速、體積較小、少用或是不用冷水等眾多方面的優勢得以充分展現。

2? 幾種燃氣輪機燃燒故障分析

2.1 V94.3A燃氣輪機燃燒故障

2.1.1 故障描述

在燃氣輪機的基本組成中，燃燒室可以說是其“心臟”，在確保穩定燃燒的狀況下才能使燃氣輪機正常穩定地運轉。若是發生熄火和回火等多種不良燃燒的狀況，燃氣輪機運轉的穩定性必然會有所下降。舉例說明，V93.4型燃汽輪機，燃燒室采用環形結構，共計24個混合型燃燒器，這樣的結構能夠使擴散燃燒與預混燃燒得到更為充分地實現。這種類型的燃氣輪機盡管工作效率較高，且比較安全，具有眾多方面的優勢，然而經常會發生燃燒不是十分穩定的情況，且比較容易產生跳機問題。

發生事故以前，燃氣輪機一切運行狀態正常，而機組相關運行參數均未出現異常狀況。在負荷處在260兆瓦穩定運作的狀況下，燃氣輪機突然間產生ACC>GW3對應的保護動作性警報，機組立即予以相應動作做出跳閘反應。為了更加良好地分析該次故障問題，需要從整體上把控相應的燃燒監測原理和保護定值概念。

2.1.2 燃燒監測原理和保護定值

在燃氣輪機的內部構造中，出現較為強烈的化學反應，受到擾動的影響，比較容易產生振蕩的情況，壓力也隨之波動的問題一般被稱之為燃燒不穩定狀態。通常而言，在燃燒室的測量中，包含的測量工作是動態壓力和動態振動。對于動態壓力來講，通常是對壓力傳感器加以運用，從而獲取相應的多幅值和多頻段。對于動態振動來講，通常是對ACC傳感器加以運用，可以在不同外缸頻率狀況下調節振動變化速度相應幅值。就于燃氣輪機來講，保護限定值的主要構成包含GW1、GW2、GW3和GW4幾個部分。在轉速大于2850轉/分時，GW1、GW2也就會將對應的監護保護加以啟動，然而30秒過后會自主將完成閉鎖動作。擴散及預混兩種燃燒模式互為轉化期間，GW1與GW2在出現延時動作的2秒過后，自動進行閉鎖，但GW3始終處于可用狀態中。GW4升高到基本負荷運行這一過程中，能夠對加速水平的早期監測進行相應的提供。

2.1.3 故障分析

在查看故障發生時相應的頻譜圖后，可以有三個因素體現出在故障問題產生以前燃氣輪機是一個異常的狀態中。全時域中頻段所對應的燃燒噪音信號通常比較強，與此同時，高、低頻段相應的ACC數值較為接近。跳機動作發生時，中頻段所對應的ACC信號會呈現出大幅度的變強，提示這次跳機故障問題產生的原因便是燃燒。為了進一步針對燃燒不是十分穩定的有關原因進行分析，需要針對燃氣輪機所承擔的負荷、大氣對應的溫度與濕度、OTC溫度等有關的成分予以檢測并做出分析，從中可知天然氣的主要成分發生了一定的改變。所以，天然氣成分是促使該次故障產生的原因具有比較大的概率。認真對天然氣相關成分加以分析，得知氮氣在其中占據的比例為1.722%，顯然高于汽輪機氮氣相應的設計值，這樣便能夠確定此次出現跳機故障問題的重要原因即是天然氣氣質性變化所造成。

2.1.4 檢修總結

經對該次故障產生的原因進行分析確定是燃燒故障以后，分別對八個重點影響因素實施相應的信號檢測，并主要對壓氣機緊扣、燃燒室入口位置、天然氣控制模塊、壓氣機入口位置等進行相關檢測。利用負荷變化對應的曲線分析燃機負荷的實際情況，可以得到負荷和頻譜中對應數值相互間的聯系。使用溫濕度相應變化曲線對大氣的溫度和濕度加以分析，通過對IGV角度位反值的應用，分析對應的開度，分析出口溫度變化的相應情況，可以得到OTC溫度，通過對開度和出口壓力相互間關聯的運用，分析壓氣機對應出口處的壓力值，通過ARGUS頻譜數值與天然氣溫度二者間的關系，分析天然氣對應的溫度。這一次的故障問題中，重點看到了燃燒噪聲具有較大的波動、ACC保護被觸發等問題。

2.2 9F機組燃燒故障

2.2.1 9F機組燃燒系統監測

正常工作狀況中，9F機組工作過程中的溫度保持為1400度。因此，燃燒室與過渡段在出現損傷問題時，亦難以對相關的高溫部件實施檢測，給故障問題的產生留下安全隱患。具體生產中，主要通過對排氣溫度的應用，間接性檢測相關高溫部件。如果是由于燃氣輪機中出現了破損和裂紋等相對比較嚴重故障的問題，便有可能導致壓氣機和透平在出口處對應的排氣溫度下，使其處于不穩定狀態，并導致進口位置流暢出現不均勻的情況。所以，測量相應的排氣溫度場，能夠科學地預測9F機組燃燒故障問題。該機組為了使得到的排氣場溫度更加準確，在對應的排氣通道中設立了31根熱電偶。有所不同的熱點偶通過測量對應的讀數之間存在一定差異，所以需要事先進行標準的制定，確立出不同熱電偶溫度差是多少屬于正常的范圍。因此，我們在這里將溫度分散度的概念引入其中，其采用S加以表示，是壓氣機出口處對應溫度與平均排氣溫度之間的函數。S1代表排氣溫度熱電偶的最高讀數，S2代表排氣溫度熱電偶的最低讀數，S3代表排氣溫度熱電偶第二小讀數與第三小讀數之間的差值。

2.2.2 故障報警的判斷

①熱電偶故障報警。

在S1∶S2>K2=5時，系統便會對外界進行信號的發射。燃氣輪機在正常運轉狀況中，對應的排氣溫度S1>S。若S1>K2，排氣溫度分散度便是允許值的五倍之多，充分表明產生了故障問題。

②燃燒故障報警。

在S1>S，同時S1∶S>K1時，提示燃氣輪機燃燒工作狀態異常。換言之，出現了故障燃燒的問題，需要針對燃燒檢測對應的警報信號予以發出。

③排氣溫度和分散度太高產生遮斷問題。

在燃氣輪機燃燒系統產生故障問題時，極為可能造成排氣溫度分散度產生一定的變化。這時，需要針對機組實施遮斷處理。具體工作中通常分成如下幾種情況：1）在K1K2=0.8時，第二小排氣溫度測點與第三小排氣溫測點緊鄰。3）S3∶S>K4=0.75時，機組中具有的主保護系統會產生對應的動作，呈現為遮斷停機的狀態。4）在S1：S>1時，這時便會產生一定的通訊故障問題。

2.2.3 9F燃氣輪機常見燃燒故障問題

①燃料供給故障問題。

對于燃氣輪機，其燃料供給故障系統，噴嘴與流量分配器起到十分關鍵的作用。具體運作過程中，流量分配器極為可能產生齒輪磨損的問題，造成比較大的間隙，導致油料的供應不是十分充足，給實際燃燒過程造成一定影響，從而導致排氣場溫度的不均勻性，對應的分散度有所加大。燃料供給系統導致排氣溫度相應分散度的加大通常與負荷的實際變化之間呈現為正比例的關系，雖然9F燃氣輪機暫時沒有產生流量分配器受損的情況，然而曾因噴嘴發生堵塞而造成跳機問題的產生。在產生本次故障之前，機組相關數據信息如表1所示。

通過表1能夠得知，相鄰兩個排氣溫度對應的溫度值和其它測點相互之間存在較大偏差，但S1時大于允許值，然后又有較多次產生緊鄰排氣溫度測點溫度較低的問題。通過對燃燒監測對應結果與故障診斷有關軟件的應用，并予以分析能夠得知，1號及18號更加可能是導致故障問題產生的主要原因。對窺鏡加以應用，檢查噴嘴，最終結果為：PM3燃料氣通過端蓋外沿出通常存在較為主要的通道，通道數量為兩個，每一通道均實施2個存在五孔噴嘴的安裝，對應的孔徑為2毫米大小。利用窺鏡進行觀察可知，通道中包含3毫米左右呈現為條狀的物質，這一異物很有可能是執行纏繞墊片操作中所使用的石墨條。接下來，很多位置都產生了斷裂和松脫的問題，PM4噴嘴通道中存在一些異物，導致了噴嘴的堵塞，可以使用吸塵器對其加以吸出。

②燃燒部件的問題。

該機組實際運作中，曾產生了2號機組跳機的問題。在出現這一故障問題時，S1由36.1度在短時間以較快的速度上升至72.6度，S2和S3亦都升高10度左右，但沒有燃燒故障相應警報。在檢查之后可知，燃汽輪機中的一些燃燒部件出現了裂紋，且為貫通性裂紋，此種狀況下，很多排氣便會進至火焰筒，從而經過冷卻，促使進氣的溫度處于一個不均勻的狀態，給正常燃燒過程造成了不利影響。

3? 燃氣輪機常規檢修策略

3.1 提前準備備品備件

燃氣輪機是一個由多零部件組成的機組設備，在運行狀態下內部溫度高且機組轉速快，盡管在選材、制造工藝、冷卻方式等方面都進行了相應的優化，但仍然不時有零部件因為高溫環境和高轉速而出現各種事故，需要檢修組工作人員按照周期進行不同規模、不同覆蓋面積的檢修工作，及時排除影響燃氣輪機運轉的隱患和故障，保證燃氣輪機處于安全的運行狀態，盡可能延長燃氣輪機的使用壽命。燃氣輪機中的零部件都有其各自的代碼，在制造商提供的清單中能夠查找到其對應的備品備件代碼，檢修人員在選購、調用、更換備品備件時需要根據代碼進行操作。目前，我國所使用的燃氣輪機零部件并未實現全部國產，有部分部件需要從其他國家進口，運輸途中耗時較長。因此在開展常規檢修前，檢修人員需要準備好備品備件，根據消耗情況留出備品備件運輸時間，根據消耗速度進行備品備件的數量訂購，避免過量積壓占有流動資金，也避免備量過少影響正常檢修更換使用。除了備品備件外，檢修人員還需要做好燃氣輪機檢修所使用的專用工具和器械，準備好針對燃氣輪機不同部位、不同故障的檢修處理方案，確保檢修工作保質保量完成。

3.2 圍繞燃氣輪機各個系統進行檢修

3.2.1 燃燒系統檢修

燃燒系統是燃氣輪機的核心系統，是常規檢修工作的主要檢修對象。檢修工作人員在燃燒系統部分的檢查重點在于：一次噴嘴、二次噴嘴、火焰筒、旋流器、過渡段、一級動葉、二級動葉、三級動葉。通常情況下，檢修工作人員可以根據燃燒系統中的噴嘴積碳情況、土層脫落情況、密封圈磨損痕跡、旋流器磨損情況、過渡段焊縫探傷結果、動葉磨損、葉身表面沉積物等方面的情況，判斷燃燒系統中是否存在過燒等現象，并對磨損、脫落、積碳的零部件進行相應的處理，延長燃燒系統的使用壽命。

在檢修過程中，檢修工作人員可按照一定的周期對內部涂層進行維護噴涂;定期對容易磨損的噴嘴、動葉等部分進行備品備件更換;對容易積碳的部分進行清理。如果檢修工作人員發現特殊的痕跡或情況，需要先判斷原因后進行針對性處理，盡量保證檢修工作在規定時間內完成。

3.2.2 各軸瓦部分檢修

軸瓦是燃氣輪機的重要動力裝置，是保證燃氣輪機動葉等部分能夠正常運轉的關鍵。檢修工作人員需要定期對各軸瓦進行解體檢查，檢查重點在于軸瓦內的磨損情況、齒輪劃痕。通常情況下，檢修人員在解題的軸瓦下發現了劃痕或磨損，就說明了安裝問題、異物問題、潤滑油系統問題、儀表問題等情況，需要引起檢修人員的注意。若軸瓦解體安裝時出現了安裝錯誤，有可能引起軸承運轉時內部的磨損，影響正常使用壽命。若安裝或大修過程中檢修人員對油系統的清洗不徹底，有可能導致軸瓦運轉過程受到異物干擾，在軸承內部、軸瓦內側形成劃痕磨損，甚至可能引起危險的振動。若潤滑油系統出現了問題，比如使用了有問題的潤滑油，使用過程中混入了破壞油膜的物質，潤滑油系統運轉中油溫過高或過低等，這些情況都有可能對軸瓦部分造成損傷，引起軸承故障，影響燃氣輪機的正常運轉。

在檢修過程中，檢修工作人員需要針對軸瓦部分進行解體檢查，對潤滑油系統的切換操作進行流程檢查，對有明桿或標尺的系統閥門進行規格檢查，對油位油溫進行檢查，對測量儀表進行校驗。如果在燃氣輪機工作過程中發現有任何一道軸承、軸瓦出現了冒煙、測量儀表數據異常波動報警等情況，都需要檢修人員進行緊急停機檢查，直到確保燃氣輪機運行正常后方可投入使用。

3.2.3 冷油器部分檢修

潤滑油母管連接冷油器，冷油器通過各種水冷降溫方式來確保潤滑油母管的溫度不會逼近或達到跳機值，不會威脅燃氣輪機的正常運行。但在夏季，由于環境溫度的整體升高，散熱效率有明顯下降，即使有冷油器的存在潤滑油母管的溫度也會出現明顯的上升。檢修人員需要重點進行冷油器部分的檢修，確保冷油器的正常工作狀態，為控制潤滑油母管溫度提供助力。冷油器部分檢修主要通過解體檢修來實現，檢修工作人員需要對冷油器水側和油側進行分別檢查，查看水側是否存在明顯結垢、管路堵塞、閥門位置不正確的問題，查看油側是否存在進油間隙過小的問題。

在檢修過程中，檢修工作人員定期對冷油器水側進行結垢清理、堵塞管路疏通或更換、檢查閥門位置等操作，對冷油器油側進行進油間隙清理或修整等操作，確保冷油器的工作效率，保證潤滑油母管的溫度處于較為安全的范圍之內，減少因為潤滑油母管溫度超出安全范圍而引發跳機、超溫報警的的情況，保證燃氣輪機軸承、軸瓦的安全。因為潤滑油的溫度升高是一個緩慢的過程，因此，需要檢修人員在巡檢過程中注意記錄油溫數據，將重點放在油溫的變化趨勢上，而不是單一時間點上的油溫數值，及早發現問題，及早進行排除。如果在燃氣輪機工作過程中出現潤滑油母管油溫長期處于高位的情況，為了避免軸承、軸瓦的高溫損傷，檢修人員應及時停機做臨時檢查，保證燃氣輪機的正常運轉。

3.2.4 各類閥門部分檢修

在燃氣輪機機組中存在著各種各樣的閥門，這些閥門是調節機組轉速、負荷的重要環節，一旦在燃氣輪機運行中爆發出故障，會對燃氣輪機產生嚴重的影響。在燃氣輪機機組中，速比閥、控制閥、伺服閥等閥門都是檢修工作人員檢查的主要對象，需要定期進行檢查、清洗、更換，保證閥門處于正常的工作狀態。速比閥容易出現故障的位置是油濾芯，控制閥容易出現的故障情況是閥門卡死，速比閥伺服閥容易出現的故障位置是油濾網。

在檢修過程中，檢修工作人員需要定期檢查閥門容易出現故障的位置，對閥門進行測試，對發現故障的閥門進行及時清晰、更換，確保閥門的正常使用。尤其是控制閥，作為一種平日里調節閥間天然氣壓力，故障停機期間進行燃料供給階段的重要閥門，其運行狀態是否敏捷十分重要。除了閥門本身出現問題外，閥門間的壓力變送器故障可能導致誤報警情況，油品不合格可能出現顆粒堵塞濾芯濾網的情況，都需要檢修人員進行一一排除。

4? 結束語

綜上所述，燃氣輪機的穩定性是十分關鍵的。燃氣輪機是一種具有較強應用性的設備，在眾多領域中都發揮著重要性作用，但燃氣輪機相關故障問題同樣是不容忽視的。實際工作中，應采取相關故障診斷技術，第一時間發現故障問題，探尋更加可靠的故障處理辦法，從而使燃汽輪機具有更長的使用年限。

參考文獻：

[1]李德兵.燃氣輪機燃燒室部件故障研究[J].熱力透平，2020，49（02）：80-82.

[2]毛志偉，鄭添，顧正皓，等.重型燃氣輪機故障燃燒筒定位的方法：，CN109342066A[P].2019.

[3]周緒強.燃氣輪機故障診斷技術探討[J].化工管理，2019（16）：186-187.

[4]李振華.燃氣輪機檢修存在技術問題及防范措施[J].機械工程與自動化，2021（02）：187-188.

[5]孔舒尹.燃氣輪機燃燒故障原因與檢修策略探究[J].現代制造技術與裝備，2017（06）：87-88.