海上平臺燃氣輪機燃燒不均勻的分析處理

［摘 要］輕型工業燃氣輪機作為一種功率密度大、反應速度快、可靠性高、體積小、自重輕的發動機，在各種工業領域都有廣泛使用。燃氣輪機通常有單燃料模式和雙燃料模式，在油田開采等領域，多采用油田的伴生天然氣作為燃料，以降低燃料成本。如果燃氣輪機燃燒不充分、不均勻，常會出現T5 溫度與T5 平均溫度差值過大，此時機組有關停危險，嚴重影響了機組的安全運行和油田電力的穩定供應。文章針對典型輕型工業燃氣輪機燃燒不均勻情況，通過總結實踐情況與舉一反三擴展分析的方式，進行原理分析、原因探討及措施研究，介紹典型的實用處理技術，旨在為此類輕型燃氣輪機燃燒不均勻情況的應對提供實踐經驗。

［關鍵詞］燃氣輪機；燃燒；不均勻；燃料氣

［中圖分類號］TM314 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0069–03

在海上油氣田開采過程中，燃氣輪機發電機組通常用于海上油氣田的電力供應。海上油氣田常會產生大量伴生天然氣，經過凈化和加壓處理后可直接用于燃氣輪機燃燒，所以油氣田使用的工業燃氣輪機多為雙燃料發電機組，可使用柴油和天然氣2 種燃料。但是油田伴生天然氣會隨采油量的波動、地層情況變化等發生壓力、流量及組分的變化，所以機組在使用天然氣作為燃料運行時，隨著使用時間的加長，常會出現不同程度的燃燒不均勻情況，嚴重時甚至會造成機組停車或機組熱部件損壞，影響機組的安全運行和油田電力的穩定供應。

1 燃氣輪機結構

燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室及燃氣渦輪（即透平）發動機3 大部件組成。燃氣輪機在結構設計上分成單軸、分軸、套軸、三軸等軸系結構。燃氣輪機在發展過程中分為輕型結構和重型結構，輕型結構又分為航機改型和工業型。

以Taurus 70 型輕型工業燃氣輪機作為分析對象，其是一臺軸流式簡單循環、單軸布置的輕型工業燃氣輪機，整臺燃氣輪機由下列部件所組成。

（1）壓氣機。壓氣機從外部吸入空氣并將其壓縮，提高空氣的壓力和密度. 其有14 級葉片，在其進氣導流葉片和前4 級靜定子葉片上安裝有可變幾何形狀的控制機構。

（2）燃燒室。燃燒室通常由外殼、火焰管、火焰穩定器、燃料噴嘴、點火設備及觀察孔等組成。燃燒室按布置方式可分為分管型、環形、環管型、管頭環形、雙環腔型及圓筒形等。按氣流通過燃燒室的流程可分為直流式、回流式、角流式及旋風式等。本機型采用的燃燒室是環形、直流式燃燒室，環形空間中旋流器和噴油嘴排成一圈。本機型采用的燃氣渦輪發動機為雙燃料發動機，可以使用柴油和天然氣作燃料，環繞燃燒室的周圍安裝有12 個雙燃料噴嘴。

（3）燃氣渦輪。本機型由3級葉片的燃氣渦輪組成，包括3 級動葉片和3 級靜葉片總成。

（4）輸出軸。燃氣渦輪與燃氣輪機的輸出軸相連，將機械能轉化為軸功率輸出。

（5）進氣管路。其帶有柔性連接法蘭的空氣進氣集管。

（6）排放系統。其包括尾氣消音裝置與排放管道等。

（7）減速齒輪箱。其帶有輔助驅動法蘭的高速行星式減速齒輪箱。

以上這些部件之間采用法蘭進行精確對中，再用強力螺栓連接在一起，形成剛性很強的組合體，依次安裝在用重型鋼結構焊接而成的底座上，形成撬裝結構，底座再與使用場地采用三點支撐的方式連接，最大限度減少振動的傳遞。

2 燃氣輪機工作原理

燃氣輪機是一種通過燃燒燃料產生高溫氣流，推動燃氣輪機的旋轉葉片連續旋轉做功，最終將燃料的熱能轉變為旋轉機械能的高速旋轉熱機。

以Taurus 70 型輕型工業燃氣輪機為例，外界的空氣被抽吸進入燃氣輪機的空氣入口，由14 級軸流式的壓氣機進行壓縮，被壓縮的空氣以連續流的形式直接進入燃氣室內，同時燃料（油或氣）也被噴入環形燃燒室。從燃燒室出來的高溫、高壓氣流推動3 級動力渦輪葉片高速旋轉，實現熱能到機械能的轉換。

3 燃氣輪機常用燃料——天然氣的處理流程

海上油田通常用油田的伴生天然氣經過簡單處理來進行發電，處理流程為：①經過分離器分離出來伴生天然氣；②通過燃氣冷卻器進行冷卻；③進入燃氣壓縮機進口分液罐。部分伴生天然氣作為低壓燃料氣供給惰氣系統和鍋爐等低壓燃料氣用戶，其余大部分經過壓縮機撬，進行二級壓縮冷卻分離后壓力升到2.6 MPa 輸送到出口分液罐，緩沖分液后進入過濾分離器進行雜質和液體的進一步分離，再經過加熱器加熱到55° 左右，穩壓后輸送到燃氣輪機進行燃燒發電。

4 燃氣輪機燃燒不均勻典型表現

（1）燃料不完全燃燒。在燃氣輪機中，如果燃料沒有完全燃燒，會導致排氣中的碳氫化合物含量增加，這不僅會影響排放，還會降低燃料效率。

（2）火焰不穩定或熄火。如果燃燒室中的火焰不穩定或熄火，可能是由燃料供應問題、空氣流量問題或控制系統故障等原因引起。這不僅會影響燃燒效率，還可能對燃氣輪機的壽命產生負面影響。

（3）排氣冒黑煙。如果燃氣輪機排氣冒黑煙，說明燃料沒有完全燃燒，這會導致排放增加和燃料效率降低。

（4）排氣溫度異常。如果燃氣輪機的排氣溫度異常，可能是由燃燒不充分或燃燒室設計問題等原因引起的。這會影響燃氣輪機的效率，并可能對機組壽命產生負面影響。

（5）振動和噪聲異常。如果燃氣輪機在運行過程中出現振動和噪聲，可能是由燃燒不充分、氣流不穩定或機械故障等原因引起的。這不僅會影響機組的正常運行，還可能對機組壽命產生負面影響。

以上燃氣輪機燃燒不均勻的表現，在實踐中可能單個出現，也可能多個問題同時出現。為了確保燃氣輪機的正常運行和效率，需要定期進行檢查和維護，及時發現并解決問題。

通常情況下，機組在運行過程中如果出現燃燒不均勻，會先反應為T5 溫度（反映燃燒是否均勻的參數）分布不均勻，這是判斷燃燒不充分的最常用方式。

5 燃氣輪機燃燒不均勻原因

（1）燃料供給系統問題。如果燃料供給系統存在問題，如噴嘴堵塞或流量分配器故障，可能會導致偏離設計燃燒工況，破壞原有火焰燃燒環流狀態，造成燃燒不充分，引起燃燒溫度分布不均勻。

（2）空氣供應系統問題。燃氣輪機需要足夠的空氣才能實現完全燃燒，如果空氣流量不足，可能會導致燃燒不充分。

（3）燃燒部件的問題。燃燒部件的工況是否良好，對燃燒溫度場的均勻性有直接影響。如果燃燒部件出現貫通性裂紋或破損，可能會導致壓縮空氣流場分布被破壞，從而引起相應火焰不穩定，造成燃氣輪機的進氣溫度異常和排氣分散度變大。

（4）燃料組分與設計不匹配。如果燃料組分發生變化，容易與燃燒室設計不匹配，可能會導致燃料與空氣混合不均勻，從而導致燃燒不充分。

（5）控制系統問題。如果控制系統出現故障，可能會導致燃料調節異常，引起燃燒不充分。另外如果控制系統的T5 溫度探頭故障，也會導致燃燒溫度檢測不準確，引起溫度參數錯誤或控制不穩。

（6）其他維護問題。燃氣輪機需要定期進行維護和保養，如果長時間沒有進行維護，導致葉片污垢堆積，影響壓實氣流的正常流通，導致8bfe99875cb627dedf248a998e066ed4659e0a9bbdeeafea0ac3811d2219d311燃氣輪機工況偏移，可能會導致燃燒不充分。

6 燃氣輪機燃燒不均勻處理措施

（1）檢查工作前注意能源隔離鎖定。對機組啟動馬達進行斷電隔離，并隔離燃氣進口閥，對燃氣進行泄壓。

（2）檢查控制系統的硬件和軟件，確保其正常工作。檢查控制系統的相關控制模塊有無報警，控制系統有無顯示異常；對T5 溫度熱電偶探頭進行校驗，排除因為T5 探頭故障導致的溫度測量錯誤情況。

（3）檢查燃料供給系統，確保燃料能夠正確、均勻地分配到燃燒室中。

（4）對燃料氣進行化驗，確保氣態組份均符合要求，但氣體中含有液態和固態成分還需要進一步檢測。（5）檢查燃燒室的設計，確保燃料與空氣能夠充分混合。

（6）定期對燃氣輪機進行維護和保養，確保其正常運行。具體如下：①對天然氣管線進行拆卸清洗，確認管線是否堵塞。②對燃料控制閥進行檢查清洗，確認是否結垢堵塞。③對燃氣輪機天然氣過濾器進行拆卸檢查，檢查濾芯情況，更換臟濾芯。④檢查燃氣輪機噴嘴，對12 個噴嘴進行拆卸檢查，確認噴嘴是否堵塞和積碳。如果檢查發現噴嘴大范圍堵塞嚴重，并有積碳現象。清洗噴嘴，對堵塞的噴嘴用柴油浸泡，并用超聲波清洗機進行清洗，并對有變形的噴嘴進行更換。

如果清洗噴嘴后還反復出現堵塞和燒壞情況，可以基本判斷是燃料氣供應出現了問題，則需要采取以下措施進行分析排查。①排查燃氣問題的同時，加強燃氣輪機監控，對問題機組提前進行切換，并加緊對噴嘴的清洗更換，并在需要的情況下將機組轉油運行。②加快對整個燃料氣處理系統的排查，對燃氣壓縮機運行工況、燃氣冷卻器、燃料氣過濾器等狀態進行全面排查。③對近期有變動的油氣生產井進行排查。④對垢樣進行化驗分析，經過全巖X 衍射分析、CHN元素分析、顯微分析等技術分析垢樣。⑤排查天然氣處理系統。如果燃燒的天然氣不干凈，基本可確定是天然氣在處理過程中未得到有效凈化，堵塞了機組的噴嘴。若拆燃氣過濾器檢查發現過濾器內的濾芯無異常，再拆燃氣壓縮機二級出口海水冷卻器，檢查發現冷卻管是否堵塞，堵塞會導致冷卻效果大幅下降。

除了已經清洗過的噴嘴外，后期還要對燃氣輪機燃氣管線、閥門、葉片進行全面檢查，以徹底排除此次結垢對機組的影響。同時，制訂并實施燃氣壓縮機運行監控措施，杜絕類似事件的再次發生。此外，協調力量加強燃料處理系統的運行維保，并日常監測，提前發現燃料是否存在污染等情況。

7 結束語

輕型工業燃氣輪機在海上采油平臺等特殊環境中運行，會經常出現不穩定的燃料供應問題，尤其是當地層產出的天然氣成份變化時。含有雜質的燃料氣進入燃氣輪機燃燒部件進行高溫燃燒時，碳粉、高碳化合物或膠質類物質無法充分燃燒，會在噴嘴等狹小流通區域產生結垢，造成燃料無法均勻供應，產生燃燒不均勻現象，嚴重時將會導致停產甚至機組損壞。

參考文獻

[1] 劉崗樓.SOLAR Taurus70 型燃氣輪機交換大修方案及應用[J]. 中國設備工程，2020（10）：69-70.

[2] 王司光.Solar Taurus 70 燃氣輪機葉片損傷原因分析[J].通用機械，2017（5）：50-53，58.

[3] 司光，羅志立，廉春雷，等.Solar Taurus 70 型燃氣輪機氣啟動系統故障原因[J]. 油氣儲運，2015，34（3）：340-342.

[4] 羅壯，周英果，吳興林，等. 索拉Taurus60 機組典型故障與處理[J]. 裝備制造技術，2013（5）：74-75，94.