9H燃機燃燒系統排氣分散度高原因分析及對策

潘超宇，索志城，張駿利

(天津軍糧城發電有限公司，天津 300300)

0 引言

某機組控制系統采用GE公司的Mark VIe集成控制系統，其網絡系統的兼容性好，便于系統中各設備之間信號聯系及邏輯查詢升級。從實際運行情況來看，采用DLN2.6e燃燒器的9H燃氣輪機具有良好的燃燒穩定性和機組經濟性。

在燃氣輪機運行過程中，很難直接監測高溫部件。為了及時發現故障，只有通過間接測量的方法，才能判斷高溫元件是否正常工作[1]。透平排氣溫度作為燃氣輪機的重要監測參數，為燃氣輪機的性能、燃燒系統的運行以及熱通道部件的狀態提供了豐富的信息[2]。檢測到不正常的排氣溫度偏差時，保護燃氣輪機的方式通常是運行輔機故障減負荷(runback)指令。機組實際運行過程中也出現了由于排氣分散度高引起的runback案例。

1 燃氣輪機排氣溫度的測定

在對燃燒系統的監控過程中，最直觀的數據則來自于排氣分散度[3]。如果在運行過程中熱電偶之間的讀數差別太大，燃燒系統故障的可能性就更大。加強燃機排氣運行監測，反映燃燒室燃燒情況，便于對過渡段和透平性能進行評價。

燃氣輪機的溫度控制建立在對燃氣輪機排氣溫度的準確測量的基礎上。9H型燃氣輪機的排氣溫度是通過安裝在輪機后缸的39支K分度熱電偶獲取的，排氣熱偶位于燃機排氣擴散段排氣集流室下游，其插入深度要能夠滿足測量排氣氣流溫度要求。39支熱電偶分布在排氣集流室周圍，每支熱電偶都安裝在輻射套管中，套管末端在熱氣流通道中末敞開以使探頭端部位于排氣氣流中。39個傳感器平均值為燃機排氣溫度值。

2 燃氣輪機排氣溫度分散度保護控制

燃機排氣溫度分散度保護主要是指，運行過程中通過對排氣溫度進行監測，當出現排煙溫度分散度大或者排煙溫度場不均勻時，提醒運行人員及時采取措施。若分散度超過允許值時，則會引起跳機，防止事故進一步擴大。排氣溫度的分散度包括排氣溫度的最大分散度(TSpread1)、排氣溫度的第二分散度(TSpread2)和排氣溫度的第三分散度(TSpread3)，單位為華氏溫度℉（Tf=32+1.8t，t為攝氏溫度，Tf為華氏溫度）。在操作過程中，控制器始終監控上述三個差值。

2.1 排煙溫度分散度邏輯計算

Mark VIe系統是利用燃氣輪機排氣在實際工況下的三個分散度值(TSpread1、TSpread2、TSpread3)，與理論計算出的三個最大允許值來判斷燃燒器內的燃燒狀態，從而確定當前工況。

39個排氣溫度由高到低進行排列，順序編號為0～38，即0號溫度為最高溫度，38號為最低溫度。

則有：

T1：編號為1的溫度值(℉)，也稱為次高溫度。

T38：編號為38的溫度值(℉)，也稱為最低溫度。

T37：編號為37的溫度值(℉)，也稱為次低溫度。

T36：編號為36的溫度值(℉)，也稱為次次低溫度。

以上計算得出當前機組運行的實時分散度，為保障穩定運行，還需得到最大允許排氣分散度(TTXSPR)。

式中:TTXSP為最大允許分散度值，℉;TTXM為排氣平均溫度，℉;TCTDA為壓氣機最高排氣溫度，℉;TTKSPL5為壓氣機排氣溫度補償值，為60℉。

通過最大允許排氣分散度(TTXSPR)，可以得到分散度保護高一值(TH)、高二值(THH)、高三值(THHH)[4]。運行初期GE公司對于H級機組相關邏輯進行技術保密，故需要參考現已開放的E級機組的邏輯。

由此可以得到燃機運行實時排氣分散度會出現如下幾種狀態。

狀態1：TSpread1≥TTXSPR。

狀態2：TTXSPR＞TSpread1≥0.8TTXSPR。

狀態3：0.8TTXSPR＞TSpread1≥0.5TTXSPR。

狀態4：TSpread2≥TTXSPR。

狀態5：TTXSPR＞TSpread2≥0.8TTXSPR。

狀態6：0.8TTXSPR＞TSpread2≥0.5TTXSPR。

狀態7：TSpread3≥TTXSPR。

狀態8：TTXSPR＞TSpread3≥0.8TTXSPR。

狀態9：0.8TTXSPR＞TSpread3≥0.5TTXSPR。

在實際運行中僅會出現以上幾種狀態，并不會9種狀態全部出現。對于出現溫度壞點的情況，在計算當中，會首先將壞點溫度進行屏蔽，不參與分散度計算。在去除壞點溫度之后，繼續將剩下的好點溫度由高到低排序，此時編號總數便不再是0～38，而是去除掉壞點后尚存的好點數量，此時分散度為次高值減最低值的計算，這里不再贅述。

2.2 排煙溫度分散度保護動作邏輯

隨著燃機啟動、點火、加速預熱至全負荷，允許的排煙分散度會隨之發生變化，其排煙溫度分散度會呈現在一個動態區間內。但是這種變化維持的時間不會太久。通常在燃機運行狀態穩定后，其允許的排氣溫度分散度也會漸漸平穩。

排煙溫度分散度必然隨燃機運行過程而產生，但是排煙溫度分散度一定保持在特定范圍內。若排煙溫度分散度大于最高值時，燃機Mark VIe系統會立刻發出警報或遮斷信號[5]。

在分散度保護動作的邏輯中，39個排氣溫度的壞點位置與分散度的溫度位置會直接影響到保護動作。所以Mark VIe系統會實時記錄壞點位置及分散度位置，分散度位置即為計算中涉及的最低溫度位置、次低溫度位置、次次溫度位置。

當燃機轉速大于2 850 r/min時，延時30 s之后，若滿足以下任意條件，即觸發燃機分散度主保護動作。具體條件如下：

1) 排氣分散度滿足狀態1與狀態5，并且T38的溫度測點位置與T37的溫度測點位置相鄰。

2) 排氣分散度滿足狀態1與狀態8，并且T38的溫度測點位置與T36的溫度測點位置相鄰。

3) 排氣分散度滿足狀態4與狀態8，并且T37的溫度測點位置與T36的溫度測點位置相鄰。

4) 排氣分散度滿足狀態7。

5) 排氣分散度滿足狀態2與狀態6，并且T38的溫度測點位置與T37的溫度測點位置相鄰，并且高值單側相鄰兩支溫度測點均故障。

6) 排氣分散度滿足狀態2與狀態9，并且T38的溫度測點位置與T36的溫度測點位置相鄰，且高值單側相鄰兩支溫度測點均故障。

7) 排氣分散度滿足狀態5與狀態9，并且T37的溫度測點位置與T36的溫度測點位置相鄰，且高值單側相鄰兩支溫度測點均故障。

8) 排氣分散度滿足狀態6與狀態1，并且T38的溫度測點位置與T37的溫度測點位置相鄰，且T38相鄰一支溫度測點故障。

9) 排氣分散度滿足狀態9與狀態1，并且T38的溫度測點位置與T36的溫度測點位置相鄰，且T38相鄰一支溫度測點故障。

10) 排氣分散度滿足狀態9與狀態4，并且T37的溫度測點位置與T36的溫度測點位置相鄰，且T37相鄰一支溫度測點故障。

11) 排氣分散度滿足狀態1，并且T38相鄰兩支溫度測點故障。

12) 排氣分散度滿足狀態4，并且T37相鄰兩支溫度測點故障。

13) 排氣分散度滿足狀態3，并且T38旁有兩支溫度測點相鄰故障。

14) 排氣分散度滿足狀態6，并且T37旁有兩支溫度測點相鄰故障。

3 排氣分散度高跳閘案例經過

2021-09-30 T09:10，12號機組開機升負荷過程中負荷在40 MW，排氣分散度高runback。當事故發生后，機務專業人員對透平和燃燒筒均進行了孔探檢驗，從而確認無燒毀和堵塞問題。

在運行過程中，若長期在惡劣工況下工作，燃機排氣熱電偶將發生斷裂問題；同樣，若I/O卡件、接地線箱等長期運行，也會產生端子排松動問題[6]，熱工專業對排氣熱電偶檢查均正常。

4 排氣分散度高原因分析

燃燒異常的因素有硬件故障和非硬件故障。硬件故障包括燃燒筒破裂、形變、噴嘴阻塞等；非硬件故障包括燃燒參數設計不當、空氣濕度溫度變化、燃料成分變化等引起的熄火等。當燃燒異常、燃燒室開裂時，或過渡段損壞引起透平進口溫度場不均勻時，都會引起透平的進口流場和排氣溫度流場的異常混亂[7]。機組在進行燃燒模式更換過程中，轉換點附近容易發生燃燒波動，容易造成燃燒模式切換失敗。燃料控制閥流量持續變動，導致天然氣流量總是變化，進而加劇排氣溫度更加分散，引起機組遮斷[8]。

前面提到燃燒異常的案例中，通過孔窺檢查確認硬件設備正常，可判斷為非硬件故障引起。

隨后對9H燃機夏季燃燒調整數據進行分析，研究發現9H機組在夏季燃燒調整時，66～100 MW負荷期間需要進行燃燒模式切換，切換點排氣分散度增大[9]。

燃機各負荷狀態下，分散度和排氣溫度的平均值如圖1、圖2所示。將分散度較高時的各排氣溫度測點進行繪圖分析，如圖3～5所示。

圖1 燃燒調整時各負荷分散度

圖2 燃燒調整時各負荷排氣溫度

圖3 燃機負荷74.85 MW時排氣溫度(°F)

圖4 燃機負荷79.86 MW時排氣溫度(°F)

圖5 燃機負荷90.16 MW時排氣溫度(°F)

燃燒調整時各負荷最大允許排氣分散度如圖6所示。

當時燃燒調整完以后，79.86 MW時最大允許排氣分散度最低，74.85 MW和90.16 MW時最大允許排氣分散度較高，隨著機組長時間運行及季節性的變化，從而容易在79.86 MW負荷附近因排氣分散度超標引起跳機問題。

5 措施及對策

進入冬季以后再次做燃燒調整，這次加大對燃燒模式切換節點的優化處理，結合壓力脈動監測，通過結合神經網絡算法重新設置燃燒時各燃料閥的基礎氣量，從而將燃燒切換過程中的排氣分散度進一步降低，增加安全裕量。同時需要提前與電網調度進行溝通，增加66～100 MW負荷的調試時間。對于長期運行的排氣熱電偶加強監測和檢查，定期更換新熱電偶。

通過研究排氣分散度對燃燒系統異常進行分析是一種傳統的間接方法，存在一定的延遲。結合在16只燃燒室中安裝的在線燃燒脈動監測探頭(CDM)監測到的數據，當探測到的脈動壓力偏高時，降低燃機負荷，并及時進行燃燒調整，有助于快速檢測異常燃燒情況，有效控制燃燒脈動狀態，從而避免燃燒故障的產生[10]。

6 結束語

排氣溫度分散度作為燃氣輪機穩定運行的重要監測指標，通過監測排氣溫度分散度可以直觀分析燃機運行狀態，可以提升運維人員在面對各類突發事故時的分析和處理能力，降低運營成本。

因此，需要持續對運維數據與運行經驗進行分析和總結積累，加強對于燃機燃燒調整在理論和數據上的重視。燃機電廠需增加對于燃燒調整的優化力度，只有燃燒調整做優，才能使燃機在今后的運行中少出現問題，提高燃氣渦輪發動機的使用和維護水平。