燃氣輪機熱反吹在燃燒器雜質(zhì)處理中的應(yīng)用

陳開勝，邱 偉，張敏杰

(江蘇鎮(zhèn)江燃氣熱電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和透平三大部件組成。其中燃燒室的作用是將來自壓氣機的部分高壓空氣與燃料噴嘴噴入的燃料混合并經(jīng)過等壓燃燒，把燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為熱能，形成高溫高壓燃氣進入透平進行作功[1]。

目前F級燃氣輪機燃燒室都采用低NOx燃燒技術(shù)，擁有擴散燃燒和預(yù)混燃燒兩種模式。在點火和升速期間以擴散燃燒為主，隨后預(yù)混燃燒逐步介入，在穩(wěn)定運行時以預(yù)混燃燒為主，既能保證低的污染排放，又能保證燃燒的穩(wěn)定和溫度場的均勻。

隨著燃氣輪機的運行，燃燒系統(tǒng)中或多或少會進入些雜質(zhì)，而燃燒器的噴嘴孔徑較小，若雜質(zhì)較大會立即堵塞噴嘴，若雜質(zhì)較小也會在噴嘴上日積月累形成堵塞。本文詳細記錄了一次機組啟動后發(fā)現(xiàn)燃燒器被雜質(zhì)堵塞并在停機后利用熱反吹進行故障處理的過程。

1 燃燒器異物堵塞現(xiàn)象

1.1 機組概況

江蘇鎮(zhèn)江燃氣熱電有限公司一期建設(shè)2套F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，采用“一拖一”單軸布置。其中燃氣輪機采用的是上海電氣燃氣輪機有限公司和安薩爾多聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)的AE94.3A型[2]燃氣輪機，#1機組于2021年01月25日投產(chǎn)。該機型燃氣輪機采用環(huán)形燃燒室，燃燒室一圈分布24個低NOx干式燃燒器，呈圓周均勻布置，燃燒器布置見圖1。

圖1 燃燒器布置圖(從壓氣機向透平側(cè)看)

每個燃燒器都設(shè)計外預(yù)混、值班和內(nèi)預(yù)混噴嘴。天然氣通過外預(yù)混燃料控制閥、值班燃料控制閥和內(nèi)預(yù)混燃料控制閥進入三個天然氣環(huán)管，三個天然氣環(huán)管再分別引出24個金屬波紋軟管連接至24個燃燒器。其中外預(yù)混管路天然氣量較大，管道較粗；值班和內(nèi)預(yù)混管路天然氣量較小，管道較細。

在燃氣輪機的排氣擴散段均勻布置24個熱電偶(每個熱電偶有a，b，c三個通道)，用于透平排氣溫度的測量和保護。其中a通道(計算溫度)的平均值用于控制，b和c通道用于保護。24個熱電偶的排列位置同燃燒器一樣。

1.2 故障現(xiàn)象

2021年2月4日，#1機組再次啟動后，隨著時間的推移和負荷的變化，燃氣輪機排氣溫度的偏差越來越大，取樣24個排氣溫度熱電偶數(shù)據(jù)，作玫瑰圖以便分析，詳見圖2。

圖2 不同負荷下排氣溫度玫瑰圖

統(tǒng)計出這四個時刻及負荷下排氣溫度的平均值、最低值以及偏差值，見表1。

表1 四個時刻及負荷下排氣溫度

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，在負荷增加或減少的過程中，排氣溫度最低值會向相鄰熱電偶轉(zhuǎn)移，由此可排除熱電偶本身問題，排氣溫度偏差大的原因為燃燒室火焰溫度場分布不均。排氣溫度的偏差隨著時間的推移在加大，說明燃燒室內(nèi)的故障在變得越來越嚴重。

就地用可燃氣體檢測儀檢查燃燒系統(tǒng)，無天然氣外漏，初步判斷為某一個或相鄰幾個燃燒器有異物堵塞的可能。

隨著排氣溫度偏差繼續(xù)增大，17:05，燃氣輪機冷點順停保護動作(相鄰3個排氣熱電偶B或C溫度中取大值低于24個排氣溫度B、C平均值60 ℃[3])，機組執(zhí)行自動停機程序，經(jīng)主機廠駐場負責人確定，機組需停機檢查，機組執(zhí)行停機操作。

2 故障原因

根據(jù)經(jīng)驗，此燃氣輪機燃燒器和排氣熱電偶的對應(yīng)關(guān)系為:基本負荷時，排氣熱電偶數(shù)據(jù)順時針偏移2個熱電偶可對應(yīng)同位置燃燒器的燃燒狀況，同時負荷越小偏移越大。例如：15:45，機組負荷452 MW時(接近基本負荷)，21號排氣熱電偶溫度最低，順時針偏轉(zhuǎn)2～3個熱電偶即23號或24號熱電偶所對應(yīng)的23號或24號燃燒器可能存在問題，有異物堵塞可能。

燃氣輪機停機24 h后停運盤車，打開燃燒室人孔門，以及23號、24號和1號三個燃燒器的內(nèi)預(yù)混和外預(yù)混燃料金屬波紋軟管，用內(nèi)窺鏡對這三個燃燒器進行檢查，發(fā)現(xiàn)24號燃燒器內(nèi)預(yù)混管路有大約5～8 mm的異物，見圖3，24號燃燒器外預(yù)混管路通道內(nèi)部有疑似金屬碎屑反光的白色亮點，見圖4。

圖3 24號燃燒器內(nèi)預(yù)混通道異物堵塞

圖4 24號燃燒器外預(yù)混通道金屬軟管內(nèi)部

根據(jù)內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果確定此次燃氣輪機排氣分散度大的原因是燃燒器有異物堵塞。

3 故障處理

因為燃燒器結(jié)構(gòu)精密、間隙狹小，若按照常規(guī)方法，需拆除燃燒器進行檢查清理，至少需要10 d時間。然而當時臨近春節(jié)，為了不影響春節(jié)期間機組備用，需要快速處理問題。經(jīng)過和主機廠討論，確定對天然氣預(yù)混管道進行熱反吹[4]。

3.1 熱反吹準備工作

3.1.1 運行準備

(1) 許可“拆除燃燒室外預(yù)混、內(nèi)預(yù)混環(huán)管側(cè)法蘭”工作票，執(zhí)行以下安全措施：① 燃氣輪機盤車停運；② 前置模塊出口至燃氣模塊置換為氮氣；③ 發(fā)電機轉(zhuǎn)冷備用；④ 燃氣輪機液壓油停運。

(2) 測試集控室操作臺和燃氣輪機罩殼消防門口的“燃氣輪機跳閘”按鈕。

(3) 將燃氣輪機罩殼門口的消防鑰匙開關(guān)置于“BLOCK”位置，燃氣輪機罩殼門口手持CO2滅火器(禁止使用泡沫和干粉滅火器)，發(fā)現(xiàn)火苗及時撲滅，無法控制火勢的情況下按罩殼門口的“手動噴放”按鈕，噴放CO2。

3.1.2 機務(wù)檢修準備

(1) 拆除燃燒器處的保溫。

(2) 按照燃燒器的序號在對應(yīng)的金屬波紋軟管上標號。

(3) 拆除外預(yù)混燃氣和內(nèi)預(yù)混燃氣金屬波紋軟管環(huán)管側(cè)法蘭，共計48個。

(4) 在波紋管的法蘭處綁扎100%棉質(zhì)收集器(白色厚棉襪)，每個棉襪按對應(yīng)燃燒器波紋軟管進行標號。

(5) 在內(nèi)預(yù)混和外預(yù)混環(huán)管側(cè)的法蘭處安裝盲法蘭(需準備48個)，目的是防止預(yù)混閥誤開，天然氣噴入燃氣輪機罩殼內(nèi)。

3.1.3 熱控檢修準備

(1) 將燃氣輪機TCS控制系統(tǒng)邏輯備份，用于熱反吹后邏輯恢復(fù)。

(2) 拔掉外預(yù)混閥、內(nèi)預(yù)混閥跳閘電磁閥插頭，修改預(yù)混介入(預(yù)混閥打開)邏輯，預(yù)混介入轉(zhuǎn)速由29.5 Hz改為60 Hz，目的是保證在熱反吹過程中天然氣外預(yù)混閥和內(nèi)預(yù)混閥不打開。

(3) 在汽輪機DEH控制中強制解除火災(zāi)跳汽機保護邏輯。在燃氣輪機TCS控制中強制解除火災(zāi)跳燃氣輪機保護邏輯。

(4) 在汽輪機DEH控制中強制解除“汽輪機跳燃氣輪機”保護邏輯，目的是滿足燃氣輪機啟動條件。

(5) 就地天然氣泄漏檢測保護控制柜，將天然氣泄漏檢測保護置于“停用”位置，并派人觀測可燃氣體的檢測情況。(如沒有停用功能，則在燃氣輪機TCS控制中強制解除“天然氣泄漏跳燃氣輪機”保護邏輯。)

3.2 熱反吹過程

壓回“拆除燃燒室外預(yù)混、內(nèi)預(yù)混環(huán)管側(cè)法蘭”工作票，恢復(fù)工作票內(nèi)安全措施。檢查各輔助系統(tǒng)，使燃氣輪機滿足啟動條件(盤車需連續(xù)運行3 h以上)。

3.2.1 第一次熱反吹

正常啟動燃氣輪機，當燃氣輪機轉(zhuǎn)速達到2 684 r/min,壓氣機出口壓力674 kPa時，手動按下集控室操作臺的“燃氣輪機跳閘”按鈕進行停機。

正常停機后，現(xiàn)場檢查綁扎在48根預(yù)混波紋管接口處的棉襪：24號內(nèi)預(yù)混管的棉襪中發(fā)現(xiàn)兩塊5～8 mm大小的木塊，24號外預(yù)混管的棉襪中有不少1～3 mm大小不等的金屬和木屑碎片，1號和23號的內(nèi)、外預(yù)混管的棉襪中也有些許金屬和木屑碎片，見圖5，其余綁扎的棉襪內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯異物。

圖5 棉襪內(nèi)雜質(zhì)

3.2.2 第二次熱反吹

在拆除棉襪的法蘭處重新綁扎新的棉襪，標號，進行第二次熱反吹。

正常啟動燃氣輪機，當燃氣輪機轉(zhuǎn)速達到2 706 r/min,壓氣機出口壓力663 kPa時，手動按下集控室操作臺的“燃氣輪機跳閘”按鈕進行停機。

正常停機后，現(xiàn)場檢查綁扎在48根預(yù)混波紋管接口處的棉襪：僅1號、23號、24號的外預(yù)混管路反吹出少量1 mm大小的金屬碎片，其余棉襪內(nèi)都未發(fā)現(xiàn)明顯異物。同時再次使用內(nèi)窺鏡檢查1號、23號和24號的燃燒器及內(nèi)、外預(yù)混通道，內(nèi)部無異物，同時疑似金屬碎屑反光的白色亮點也基本消失。內(nèi)窺鏡檢查后再用吸塵器吸附金屬軟管內(nèi)部，也未吸出異物等雜質(zhì)。經(jīng)主機廠駐場負責人確認，燃燒器及預(yù)混管路內(nèi)部已經(jīng)吹掃干凈，熱反吹結(jié)束。

3.3 熱反吹工作恢復(fù)

3.3.1 運行工作

(1) 重新許可“拆除燃燒室外預(yù)混、內(nèi)預(yù)混環(huán)管側(cè)法蘭”工作票，執(zhí)行相關(guān)安全措施。

(2) 將燃氣輪機罩殼門口的消防鑰匙開關(guān)置于“自動”位置。

(3) 按照機組情況恢復(fù)備用。

3.3.2 機務(wù)檢修恢復(fù)工作

(1) 拆除波紋管法蘭處所有棉襪。

(2) 拆除環(huán)管側(cè)法蘭處所有盲法蘭。

(3) 按照編號將所有波紋管和環(huán)管的法蘭連接恢復(fù)，共計48根。

(4) 恢復(fù)燃燒器處的保溫。

3.3.3 熱控檢修恢復(fù)工作

(1) 預(yù)混閥打開，轉(zhuǎn)速改回為29.5 Hz，恢復(fù)外預(yù)混閥、內(nèi)預(yù)混閥跳閘電磁閥插頭。

(2) 恢復(fù)汽輪機DEH控制中火災(zāi)跳汽機保護邏輯。恢復(fù)燃氣輪機TCS控制中火災(zāi)跳燃氣輪機保護邏輯。

(3) 恢復(fù)汽輪機DEH控制中“汽輪機跳燃氣輪機”保護邏輯。

(4) 恢復(fù)就地天然氣泄漏檢測保護控制柜，將天然氣泄漏檢測保護置于“啟用”位置。(如在燃氣輪機TCS控制邏輯中強制解除“天然氣泄漏跳燃氣輪機”保護邏輯，則恢復(fù)其強制邏輯。)

3 結(jié)語

燃氣輪機熱反吹是在燃氣輪機點火初期機組升速這段時間內(nèi)，利用壓氣機接近700 kPa的排氣壓力和擴散燃燒產(chǎn)生的溫度，對燃燒器的預(yù)混噴嘴及預(yù)混管路進行反向吹掃，可對燃燒器內(nèi)的脫落銹蝕物及雜物進行有效的清理。

燃燒系統(tǒng)進入雜質(zhì)是比較常見的一種故障，本文中燃氣輪機為新安裝投產(chǎn)的機組，其預(yù)混管道在安裝調(diào)試過程中拆裝過多次，管道內(nèi)的木屑屬于安裝外來物，若使用常規(guī)拆解進行處理，至少需要10 d時間，而使用熱反吹，只用了3 d時間即處理了故障，大大減少了機組的檢修時間，快速響應(yīng)了電網(wǎng)和用戶的需求。