9FA燃机透平排气分散度高的原因分析 及预防对策

　第４１卷 第１期 华电技术 Ｖｏｌ．４１　Ｎｏ．１　　　２０１９年１月 ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊａｎ．２０１９　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－１９５１．２０１９．０１．０１１

９ＦＡ燃机透平排气分散度高的原因分析及预防对策

Ｃａｕｓｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｆｏｒｈｉｇｈｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆ９ＦＡｔｕｒｂｉｎｅｅｘｈａｕｓｔｇａｓ

王亮茗

ＷＡＮＧＬｉａｎｇｍｉｎｇ

（江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州　２１３０００）（ＪｉａｎｇｓｕＨｕａｄｉａｎＱｉｓｈｕｙａｎＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０００，Ｃｈｉｎａ）

摘　要：对ＧＥ公司９ＦＡ燃机运行中燃机透平排气分散度高的原因进行分析，并提出对策及措施，以此来提高机组的运行维护水平，避免机组运行中因排气分散度高保护遮断跳机，降低燃机热通道部件损坏风险，使电力生产

的安全性显著提高。

关键词：燃气轮机；排气分散度；温度场；燃烧压力波动；热通道；机组运维

中图分类号：ＴＫ４７７　　　文献标志码：Ｂ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２０１９）０１－００５０－０５Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｔａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｔｕｒｂｉｎｅｅｘｈａｕｓｔｇａｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＧＥ９ＦＡｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｕｎｉｔｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｔｒｉｐｐｉｎｇｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｒｉｇｇｅｒｅｄｂｙｈｉｇｈｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｅｘｈａｕｓｔｇａｓ．Ｉｔｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｄａｍａｇｅｒｉｓｋｏｆｔｈｅｈｏｔｃｈａｎｎｅｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ，ａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ；ｅｘｈａｕｓｔｇａｓｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ；ｈｏｔｃｈａｎｎｅｌ；ｕｎｉｔｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ

收稿日期：２０１８－０４－２０；修回日期：２０１８－０８－２９

０　引言

ＧＥ公司 ＰＧ９３５１ＦＡ型燃气轮机（以下简称燃机）采用的是 ＤＬＮ２．０＋燃烧室。在高温下连续运行，燃烧器、火焰筒等热通道部件难免会出现各种故

障，运行中难以直接对这些高温部件进行监测以便

及时发现故障，采用了测量透平排气温度的方法来

监视判断高温部件工作是否正常。当燃烧室燃烧不

正常，火焰筒、过渡段破裂引起透平一级喷嘴前温度

场不均匀时都会引起透平进、出口流场和排气温度

场的严重不均匀，因此，通过测量排气温度场是否均

匀（即测量透平排气分散度的大小），即可间接监测

燃烧是否正常。分析总结燃机透平排气分散度大的

原因并提出相应的应对措施，对确保机组的安全稳

定运行，有着深远意义。

１　燃机的燃烧监测

ＰＧ９３５１ＦＡ型燃机在透平排气扩压段后通道中

沿圆周方向上均布了 ３１支排气热电偶，如图 １所示。机组在稳定工况运行时，排气温度场不可能完

全均匀，各热电偶读数总有所差别，因此，确定机组

正常运行时允许各热电偶测量的温度差称为允许的

排气分散度 Ｓａｌｌｏｗ。燃机运行时，３１支排气热电偶测量到的排气温度数值送至 ＭＡＲＫ－Ⅵ控制系统，按温度值从高到低得到温度值序列，按温度值从高到

低排出它们的位置序列，计算出最高排气温度和最

低排气温度之差为 Ｓ１，最高排气温度和次低排气温度之差为Ｓ２，最高排气温度和第３低排气温度之差为Ｓ３。这３个实际分散度的值与允许分散度的值进行比较，并辅以这３个低点的原件是否存在相邻关系条件，将产生如下３种遮断跳机保护。

（１）若 Ｓ１／Ｓａｌｌｏｗ≥１．００，同时 Ｓ２／Ｓａｌｌｏｗ≥０．８０，且排气温度最低和次低位置相邻，机组将遮断停机。

（２）若 Ｓ１／Ｓａｌｌｏｗ≥５．００，同时 Ｓ２／Ｓａｌｌｏｗ≥０．８０，且排气温度次低和第３低位置相邻，机组将遮断停机。

（３）若Ｓ３／Ｓａｌｌｏｗ≥０．７５，机组将遮断停机。

　第１期 王亮茗：９ＦＡ燃机透平排气分散度高的原因分析及预防对策 ·５１·　

图１　燃机透平排气温度监视画面Ｆｉｇ．１　Ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｅｘｈａｕｓｔｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｃｒｅｅｎ

２　燃机透平排气分散度高原因分析

收集国内９ＦＡ级燃气 －蒸汽联合循环机组自２００５年投产以来发生机组排气热电偶故障和排气分散度高跳机案例，并分析原因。

２．１　排气热电偶故障排气热电偶布置在透平排气热通道中，因测量

环境恶劣，运行中受气流冲刷、机组共振影响，经常

发生热电偶偏斜，热电偶严重磨损，固定点松动，接

线端子松动，热电偶导线高温老化，导线裸露与相邻

部件发生碰磨而开路，而这些都会导致排气热电偶

测量失准或故障。通常在ＭＡＲＫ－Ⅵ控制界面上发现有以下象征：监视有１个排气温度测点明显偏低，但相邻温度点均正常，或控制系统因 Ｓ１／Ｓａｌｌｏｗ≥５．００，发出热电偶故障、燃烧故障报警，都可以判断出该排气热电偶故障。ＧＥ公司《９Ｆ级单轴燃气 －蒸汽联合循环机组运行维护手册》［１］中指出：运行

中一个排气热电偶故障时，机组可继续运行，但降低

了机组运行的安全、可靠性，若发生相邻热电偶故

障，或有３个排气热电偶故障，机组将遮断停机，因此，要尽可能及早更换和消除该缺陷。特别是在机

组启动过程中，在燃机点火、全速、低负荷阶段应严

密监视排气温度变化情况，这些阶段发生排气热电

偶故障后，由于燃机温度较低，可立即进入现场进行

更换或检查，在进行检查前必须解除排气分散度保

护，维持机组当前工况，防止检查人员误动相邻热电

偶造成排气分散度保护误动。在机组正常运行中发

生排气热电偶故障，可将故障排气热电偶中间接线

与其他热电偶并接，从而将故障热电偶旁路，直至机

组停运后再及时消除缺陷。

２．２　燃烧室燃料喷嘴有异物堵塞个别燃烧室由于喷嘴堵塞，局部燃料量减少，直

接影响该燃烧室正常工作，使得排气温度场产生一

个低温区，造成排气分散度高。出现该异常情况，一

般都将使排气分散度保护动作，机组遮断停机，该异

常情况在机组运行时起因突然，减负荷无效。某公

司２台机组在２００７年初连续出现数次因排气分散度高跳机，事后用内窥镜对有关燃烧室喷嘴检查发

现喷嘴通道内有异物，异物来源是燃料管道的法兰

上缠绕垫片的金属丝和石墨条，如图２所示［２］。

透平天然气集管和各燃烧室燃料歧管法兰均采

用耐高温的石墨绕丝垫床，在机组运行一阶段后，石

墨绕丝垫内圈焊点松脱和断裂后，碎片随燃料进入

燃烧室喷嘴通道，造成燃烧不均匀，利用内窥镜和吸

尘器将异物清除，同时将所有燃料集管和各燃烧室

燃料歧管以及清吹管线上的法兰垫片更换成带内外

环的缠绕垫片后，机组恢复正常。机组运行时，通流

部分由于气旋作用，发生故障的燃烧室位置与排气

热电偶测量位置之间有一个滞后角，并与负荷、压气

机进口可转导叶（ＩＧＶ）开度有关。机组运行一阶段后，对法兰密封垫要及时检查、更换，总结运行小时

数，减少此类故障。

２．３　燃烧室燃料歧管破损，管道法兰漏气将造成进入该燃烧室的燃料量减少，排气分散

　·５２· 华电技术 第４１卷　

图２　燃烧室喷嘴内的法兰垫碎片Ｆｉｇ．２　Ｆｌａｎｇｅｄｅｂｒｉｓｉｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｎｏｚｚｌｅ

度高，燃机透平间内燃料外漏可以结合透平间危险

气体监测系统进行综合判断。

２．４　燃烧室破裂，喷嘴烧蚀燃烧室喷嘴烧蚀将造成火焰偏斜，火焰中心偏

离设计区域，可能引起局部超温，排气分散度高。喷

嘴组件发生故障后，会造成火焰筒、过渡段等部位变

形、烧穿，一级喷嘴破裂损伤，而透平热通道部件超

温危害极大，会直接缩短部件工作寿命。

２．５　火焰筒、过渡段变形、烧蚀若火焰筒产生鼓包、凹陷变形、烧穿、过量空气

漏入，同样会造成透平入口温度场不均匀，排气分散

度高。联合循环机组负荷降低，并不意味着燃烧温

度也降低，因为要保证最高的联合循环热效率，必须

保持较高的余热锅炉入口烟温，因此，机组在部分负

荷时通过 ＩＧＶ温控减少压气机空气流量，维持最高的排气温度。某厂同类型机组因天然气量少，为维

持机组连续运行，经常维持１８０ＭＷ负荷连续运行，结果在机组燃烧室检查时发现大部分火焰筒变形、

开裂，如图３所示。因为机组在１８０ＭＷ负荷运行时，燃烧方式为先导预混模式，此时大部分燃料仍以

扩散方式燃烧，扩散燃烧火焰稳定，燃烧强度大，常

用于机组低负荷运行。但在联合循环机组中，低负

荷通过 ＩＧＶ温控减少压气机空气流量，维持最高排

气温度，使得压气机排气压力降低，燃烧室部件掺冷

空气量减少，冷却效果变差。经验表明，ＧＥ公司９ＦＡ机组在２００ＭＷ以下运行小时增加，造成火焰筒严重变形的概率大大增加。

２．６　一级喷嘴烧损、开裂，冷却空气流道堵塞若排气分散度高是由燃烧系统故障引起的，造

成的局部超温对透平一级喷嘴损伤很大，也直接影

响其工作寿命。一级喷嘴根部裂纹如图４所示。２．７　压气机进气加热系统故障

９ＦＡ燃机压气机进气加热系统（ＩＢＨ）与ＩＧＶ相互配合，具有扩大 ＤＬＮ２．０＋燃烧室预混燃烧工作范围和限制压比超限的作用，因此在部分负荷时，

ＩＢＨ控制阀参与压气机空气流量调节。当 ＩＢＨ控制阀发生故障，ＭＡＲＫＶＩ逻辑判断ＩＢＨ阀位与指令偏差超过１５％，且持续时间超过１５ｓ时，ＩＢＨ将故障全开。当控制系统燃机复位后，ＩＢＨ控制阀恢复正常开度，但此时压气机流量的突然改变会使燃空

比瞬间变化，火焰稳定性突降，导致排气分散度大。

２．８　机组启停时，天然气控制阀调节品质差机组启停过程中，由于燃料控制阀调节品质差，

流量非线性，导致燃料量波动，燃烧品质下降，造成

排气分散度增大。

　第１期 王亮茗：９ＦＡ燃机透平排气分散度高的原因分析及预防对策 ·５３·　

图３　火焰筒受损Ｆｉｇ．３　Ｄａｍａｇｅｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｌｉｎｅｒ

图４　一级喷嘴根部裂纹Ｆｉｇ．４　Ｃｒａｃｋｉｎｔｈｅｒｏｏｔｏｆｐｒｉｍａｒｙｎｏｚｚｌｅ

２．９　燃烧切换９ＦＡ机组在１９０～２００ＭＷ负荷进行燃烧切换

过程中，切换点附近发生燃烧不稳定、燃烧振荡或燃

料清吹阀故障，导致燃烧切换失败，此时燃料控制阀

频繁动作，造成天然气流量波动，从而使排气分散度

增大越限，引起机组遮断。

２．１０　机组燃烧调整机组进行燃烧调整时，调整不当使燃烧安全裕

度低。同时，季节性的大气温度、湿度变化，天然气

的热值变化以及燃料控制阀精度等抵消了安全裕

量，造成机组排气分散度大，从而导致燃烧故障。

３　燃机透平排气分散度高采取的对策

燃机带负荷运行时，一旦出现排气分散度大报

警，应引起足够重视，一般从以下几方面进行处理。

（１）如果排气分散度在增大，应持续减负荷运行；此时如果排气分散度继续增大，应考虑停机

检查。

（２）ＩＢＨ控制阀故障，应减负荷至 １８０ＭＷ，待燃烧切换后，Ｄ５供气环管重新投入，燃烧稳定后再进行控制系统复位，及时检查阀门定位器。

（３）定期检查燃烧部件、热电偶的问题，查明各燃料喷嘴燃料分配不均匀的原因。

（４）根据数据的趋势分析，停机前记录热电偶状况。

（５）停机后对火焰筒和过渡段进行孔窥检查或者拆出进行目视检查。

（６）检查燃料喷嘴、旋流器和各燃料支管，查明有无堵塞和烧坏。

排气分散度是燃机运行时表征燃烧状况好坏的

重要参数，排除测量原因，一般排气分散度大都预示

着燃烧系统发生了故障［３］。新安装或燃烧室更换

后的机组，运行中的排气分散度都较小，但随着机组

运行小时数和启停次数增加，热通道部件受热疲劳、

热冲击、高温蠕变的影响，特别是在规定的燃烧部件

检查（ＣＩ小修）前期，排气分散度大，说明透平入口温度场已出现了不均匀。国内同类型机组平时运行

时排气分散度高，其热通道部件损伤概率较高。有

　·５４· 华电技术 第４１卷　

些机组虽然排气分散度接近报警值，机组并无遮断，

但热通道部件损伤已十分严重。

可以看到，采用单一的排气分散度对燃烧状况

监测有一定局限性。ＧＥ公司在９ＦＡ基础上升级完善，采用了ＤＬＮ２．６＋燃烧室，该燃烧系统不仅有透平排气分散度监测系统，还配备了先进的燃烧压力

波动监测系统 ＣＤＭ（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）和基于模型控制（ｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌ）的燃烧自动调整（ＤＬＮＡｕｔｏｔｕｎｉｎｇ）。在每个 ＤＬＮ燃烧器上安装有导压管，在导压管处连接高频响的压电式

压力变送器，就可以采集到燃烧压力的脉动信

号［４］。采集到燃烧压力脉动信号后，应用频谱分析

工具，例如快速傅里叶变换等，对燃烧压力脉动的特

征频率和幅值等进行记录和分析（如图５所示），若某一频段出现燃烧室脉动高，则进行燃烧自动调整。

需要指出的是，燃烧调整不是针对某一个燃烧室，而

是改变燃烧室喷嘴的燃料配比。燃烧压力脉动超过

报警限值会进行报警，１８个燃烧室脉动测量值的中值（不是最高值）超过了临界值则自动降负荷，直

到脉动正常或退出自动燃烧调整功能，从而改善了

燃烧动态品质。

图５　ＣＤＭ监测显示界面Ｆｉｇ．５　ＣＤＭｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅ

　　安装了ＣＤＭ和负荷快减保护后，系统就会在燃烧压力波动的初期监测到变化。该系统比单独采用

排气分散度监测具有提前性，能在排气分散度增大

前通过燃烧自动调整，来减小燃烧振荡，保护透平热

通道部件，降低因排气分散度大引起的机组跳闸

风险。

４　结束语

本文对ＧＥ公司ＰＧ９３５１ＦＡ型燃机透平排气分散度高的原因进行了全面分析，提出了一系列解决措施

并简要介绍了更为先进的ＤＬＮ２．６＋燃烧室的ＣＤＭ。从某公司１０多年的运行情况来看，ＤＬＮ２．０＋燃烧室的稳定性及环保排放控制性能都相当好。若通过技

术改造升级加装 ＣＤＭ，一定能够有效降低由于透平排气分散度高引发的故障频率，从而确保机组安全、

高效运行。

参考文献：

［１］ＧＥ公司．９Ｆ级单轴燃气 －蒸汽联合循环机组运行维护

手册［Ｚ］．２００４．

［２］浙江华电杭州半山发电有限公司．＃１燃机小修资料

［Ｚ］．２００６．

［３］周晓宇，潘勇进．ＤＬＮ２．０＋燃烧室燃烧异常的判断及处

理［Ｊ］．燃气轮机技术，２００７，２０（２）：５６－６０．

［４］毛丹，诸粤珊．三菱 Ｍ７０１Ｆ燃气轮机燃烧调整分析［Ｊ］．

热力透平，２００９，３８（３）：５６－６０．

（本文责编：白银雷）

作者简介：

王亮茗（１９９１—），男，江苏江阴人，助理工程师，从事燃

气－蒸汽联合循环电站生产运行方面的工作（Ｅｍａｉｌ：ｗｌｍ＿

０５０１＠１６３．ｃｏｍ）。