PG9171E型燃氣輪機異常熄火分析及技術改造

姚書恒，陳志超，范洪武，柏 盛

(1. 上海電力哈密宣力燃氣發電有限公司，新疆 哈密 839000；2. 上海電力股份有限公司羅涇燃機發電廠，上海 200949)

國內某燃氣輪機電廠安裝有2臺19萬kW燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，燃氣輪機發電機組是由南京汽輪電機(集團)有限責任公司生產的PG9171E型燃氣輪機和QFR-135-2J型發電機配套組成。燃氣輪機主要由額定功率為1 000 kW的啟動馬達、17級的軸流式壓氣機、14個燃燒室組成的 DLN1.0燃燒系統、3級燃氣輪機透平組成。自2015年投產以來，它一直作為調峰機組。2臺機組在運行過程中，均發生過火焰信號丟失故障，本文針對該現象進行分析，并提出改進方法。

1 故障現象

2017年1月22日，2號機組正在運行，燃氣輪機負荷134.02 MW，從10:14開始1區4個火焰檢測器檢測火焰強度從0%緩慢下降并最終穩定在-25%。在機組停機過程中，燃氣輪機負荷降至90 MW左右時，燃氣輪機進行燃燒模式切換，1區點火繼電器動作，進行1區點火，但1區4個火焰檢測器一直未收到火焰信號。MARK VI控制系統發出報警顯示DLN燃燒系統故障。

2 原因分析

燃氣輪機在不同燃燒模式下，燃料控制閥對燃料噴嘴的流量分配不同，如圖1所示，列出了DLN1.0燃燒切換過程中重要的四個階段。

(a) 初始燃燒模式

(b) 貧貧燃燒模式

(c) 過渡模式

(d) 預混穩定模式圖1 9E燃氣輪機不同燃燒模式示意圖

9E燃氣輪機DLN1.0燃燒系統產生火焰丟失的原因可能涉及到設計安裝、燃燒工況和硬件故障等方面，如火焰探測器產生誤信號、鏡頭結露或積垢、點火器安裝不到位等[1]。其中，在火焰檢測器出現誤信號時，如在1區無火焰的情況下判斷有火焰，造成燃料流量控制閥出現流量分配誤差，造成1區自燃，可能造成天然氣噴嘴損壞或變形，天然氣噴嘴出現泄漏等嚴重后果[2]。

9E燃氣輪機配置的DLN1.0燃燒系統需要8個紫外線火焰檢測器分別對1區、2區燃燒區進行火焰檢測，紫外線火焰檢測器利用含氫燃燒火焰具有高能量紫外光輻射的特點來判別火焰的存在，其光電器件為紫外光敏管，可不受可見光和紅外光的影響，對相鄰燃燒器火焰有較高的鑒別力，一般使用在燃油、燃氣設備上[3]。

在GE燃氣輪機上使用的火焰檢測器輸出一個脈沖信號，其頻率正比于被檢測的火焰強度[4]。來自火焰檢測器的強火焰指示信號將具有0～250 Hz的頻率，經過檢測回路轉換后，將對應的4～20 mA信號送入燃氣輪機控制系統進行百分比轉化后，將其與一個門檻值比較，以指示在燃燒室中是否有火焰。當數值高于組態中的設定值時即確認火焰已存在[5]。

火焰檢測系統安裝位置如圖2所示，圖中所示的火焰檢測系統中有8個火焰檢測通道，1區火焰檢測器28FD-1P、28FD-2P、28FD-3P、28FD-14P，2區火焰檢測器28FD-1S、28FD-2S、28FD-3S、28FD-14S。

圖2 9E燃氣輪機火檢設備示意圖

圖3為9E燃氣輪機閉冷水系統結構，閉冷水泵出口而來的冷卻水通過一個溫控閥，一部分去冷卻潤滑油，一部分直接去后段冷卻火檢等設備。而在實際運行中，由于此溫控閥調節性能極差，無法滿足調節需求，因此將此三通閥旁路全關，通過調節板換冷卻水進口閥來調節冷卻水流量[6]。通過潤滑油母管溫度來調節進入潤滑油板換閉冷水的流量，從而達到調節潤滑油溫度的作用。當環境溫度較低時，燃氣輪機冷卻水進口閥開度較小，導致進入火檢冷卻水流量低，所以對火檢的冷卻效果產生負面影響。又因為火檢冷卻水進出口連接至同一母管，在小流量時進出口壓差更小，更加劇了火檢處冷卻水的節流效果，影響火檢正常運行。

圖3 9E燃氣輪機火焰探測系統閉冷水系統圖

機組當日運行過程中，燃燒室1區4個火焰檢測器顯示火焰強度相繼降為負值，說明1區4個火檢均失去檢測作用。 燃氣輪機在停機過程中， 需要首先從預混穩定模式切換至貧貧燃燒模式，1區點火時由于檢測不到1區火焰，導致切換失敗。由于2號機組火檢冷卻水未安裝放空門，火檢冷卻水管路內可能會集聚空氣，冷卻水管道內的空氣及高溫下部分汽化的水蒸氣積聚在管道中，使得火檢冷卻效果差,失去檢測作用[7]。

3 改進措施

(1) 將火檢的冷卻水管的進出口改到燃氣輪機冷卻水的進水和回水管上，增大火檢的冷卻水管的進出口壓差，加快水流速，增大換熱冷卻效果。

(2) 在火檢的冷卻水管道上增加放空門。

(1)和(2)兩種措施實施后極大的減少了火檢因冷卻水原因產生的故障，但并沒解決根本問題。同時，火焰檢測系統的8個火焰檢測器分別安裝在1#、2#、3#、14#噴嘴位置，位于燃氣輪機透平缸的頂部[8]。火焰檢測器的冷卻介質為閉冷水，在機組運行時，如火焰檢測器的冷卻水發生泄漏，滴落在高溫的透平缸上，易造成透平缸體開裂。啟動期間火焰的錯誤指示可能導致裝置中未燃燒的燃料積聚，并可能導致火災或爆炸事故。漏掉應有的跳機現象具有重大的安全隱患，而錯誤的跳機現象會由于計劃外的停機時間導致很大的收入損失。

4 干式火檢改造方案

干式火焰檢測器是一款用于測量燃氣輪機燃燒室內火焰強度的紫外(UV)光敏探測器。該傳感器使用與GE Reuter Stokes火焰傳感器相同的碳化硅(SiC)光電二極管技術，已有20多年的歷史。由于碳化硅材料對于火焰所產生的低頻段紫外線非常敏感，因此干式火焰檢測器充分利用其可以穿透燃燒室內液體燃料霧滴的特點來檢測火焰(圖4)。同樣它可以應用于檢測具有高強度OH鍵的天然氣和其他烴類燃燒所產生的火焰[9]。

圖4 干式火檢紫外光譜響應圖

將現有水冷式火焰檢測器改造成干式碳化硅火焰跟蹤器 325(FTD 325)轉換套件，以取代燃氣輪機現有的水冷傳感器火焰檢測系統。干式火焰檢測探頭將鏡片和檢測系統分離(圖5)。更換燃氣輪機8個水冷式火焰檢測器，現有電纜利舊繼續使用，換裝干式火焰檢測器，只需拆除原水冷式火焰檢測器的冷卻水管。

圖5 干式碳化硅火檢示意圖

干式火檢非水冷熱端傳感器在沒有冷卻水進行冷卻的情況下，最高可以耐受325 ℃的高溫，這一特性確保設備可以在惡劣的環境中工作，并且快速響應時間少于 175 ms。當所檢測的火焰強度低于6.25%，火檢向燃氣輪機主控制系統快速發出“火焰熄滅”信號。當所檢測火焰強度高于12.5%，火檢向燃氣輪機主控系統快速發出“火焰存在”信號。將檢測系統通過光纖(可配9 m左右的鎧裝光纖電纜)連接，遠離高溫環境。這樣的安裝方式徹底解決了由于冷卻水溫度高可能導致的探頭出現超溫的問題。

5 結論

通過本次改造消除了設備存在的重大隱患，避免了冷卻水滴落在高溫透平缸上的風險，同時減少因冷卻水的原因，造成火焰檢測器發出誤信號、機組非計劃停機及對天然氣燃料噴嘴的損傷，保證機組安全正常的運行。燃氣輪機經干式火檢改造后，探頭靈敏度至今沒有明顯下降，未發生過火焰信號異常。

干式火檢改造可推廣于GE同類型9E機組以及9F型機組的火焰檢測裝置改造，可以有效提高火焰信號的獲取、傳輸、處理質量，同時延長了火焰探頭使用壽命，易損部件(主要是鏡片和信號光纖)的更換也更加靈活和經濟[10]。