燃气轮机燃烧系统故障原因分析及改进
发布日期：2016-03-15 来源：《上海设备管理》
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自2005年底上海漕泾热电有限责任公司（简称漕泾热电）2台9FA＋e型燃气蒸汽联合循环发电机组投运以来，机组已经运行了8年多时间，在此期间机组运行基本正常。目前2套机组均采用以燃烧小时数为限定条件的检修模式。近年来，9FA燃气轮机（简称燃机）在国内的运行状况不是太好，除已经发生过的主设备（燃机、发电机）的严重损坏事故外，主要问题是燃烧动态性能不稳，其他9FA燃机电厂均发生过因燃烧动态性能不稳造成燃烧部件损坏的事故，严重的会造成机组跳机，这一问题在作调峰运行的燃机电厂中尤为突出。漕泾热电2台燃机目前虽采用连续运行的方式，但同样遭受由于天然气成分不稳定引起的燃烧动压问题，并引起机组排气温度分散度高跳机、燃烧部件损坏的事故，所以有必要对近几年的燃机燃烧部件检修和运行情况做总结，同时对目前燃用高热值天然气的运行风险进行技术评估，为今后优化燃烧系统工作的开展提供借鉴。
一、机组运行情况统计分析
2009年以前受天然气供应量和电网调度等外部因素影响，一台机组采用基本负荷连续运行方式，另一台为调峰运行方式；2009年以后随着天然气供应量的日渐充足，2台机组均采用连续运行方式，机组单次启动运行时间逐年增加。
将每次启动运行时间大于50h的机组划为基本负荷模式运行的机组；每次启动运行时间小于10h的机组为尖峰负荷运行模式的机组；介于以上这两种运行模式之间的则是调峰运行机组。GE公司对全球的9F＋e燃机在2006～2010年的运行方式所做的统计表明，绝大多数（81%）9F＋e机组都是以基本负荷模式运行。
2号燃机于2007年7月平均单次启动运行时间仅13h，1号燃机于2008年8月单次启动运行时间为25h，均属于调峰运行方式，且为2台机组各自极限最恶劣工况（启动最频繁）的月份。虽然漕泾热电2台燃机总的运行状况较好，以一个检修周期来统计，基本属于基荷运行；但在部分月份，机组启动的频繁程度甚至超过了国内其他调峰机组。
二、机组燃烧部件的非计划性抢修情况
自2009年下半年开始至今，2台燃机运行过程中频繁出现排气温度分散度高，在停机后检查均发现过渡段故障。主要现象为过渡段外壳有裂纹破损、后支撑架螺栓断裂，从而引起燃机排气温度分散度增高。
2009年8月，2号燃机燃用西气，燃烧9230h，199次点火启动时，机组排气温度分散度从31℃窜升至61℃。停机检查热通道部件，发现5号、8号、10号过渡段后支撑架中枢螺栓断裂。10号过渡段外侧浮动密封与1级喷嘴间有较大间隙。
2009年10月，2号燃机燃用西气，燃烧10060h，213次点火启动时，再次出现排气温度分散度高。停机检查热通道部件，发现7号过渡段后支撑架中枢螺栓断裂，9号、10号过渡段的后支撑架中枢螺栓已变形，且发现下半圈过渡段后支撑架区域都有裂纹。
2010年2月，2号燃机燃烧12619h，218次点火启动，燃用LNG，燃机加负荷过程中再次出现排气温度分散度高。停机检查热通道部件，发现1号、6号过渡段后支撑架螺栓断裂，并在过渡段外壳有金属材料脱落，且所有过渡段上都出现裂纹。
2010年5月，1号燃机燃烧19852h，203次启动，燃用LNG，运行过程中出现排气温度分散度高。停机检查热通道部件，发现14号、15号过渡段后支撑架螺栓断裂，6号、7号过渡段外壳上有裂纹并破损，有金属材料脱落。
2011年5月，1号燃机燃烧25654h，215次点火启动；2号燃机燃烧19648h，231次点火启动。两机组均燃用LNG，计划停机内窥镜检查时发现：1号燃机号、号过渡段内外侧罩壳上有裂纹，且裂纹已深至基材；2号燃机5号过渡段内侧罩壳上产生裂纹。
2011年6月至今，2台燃机采用连续运行方式，排气温度分散度在正常值范围内。第三次燃烧系统检查（CI）期间，拆出的燃烧部件包括过渡段外观良好，外框无裂纹，涂层表面无裂纹，后支撑架螺栓无变形现象，垫片完好无脱落，浮动密封与侧密封完好无磨损迹象；但是无损探伤检查发现有9只（损坏率是50%）过渡段的羊角支撑架基材有裂纹，固定插耳磨损严重，做更换处理。
三、燃烧部件故障原因
漕泾热电的2台9FA燃机采用DLN2.0＋干式低氮排放燃烧室，一台燃机有18只周向布置的燃烧室，燃烧室主要由燃料喷嘴和燃烧室端盖组件、外缸、火焰筒和过渡段、导流衬套、后缸等组成。每只燃烧室有5只燃料喷嘴，每只喷嘴各有一个扩散燃料通道和一个预混燃料通道。燃料分配与控制系统见图1。从图可见：天然气燃料经过速比阀VSR-1后，分别经过VGC-1调节阀，通过扩散燃料支管D5供入每只燃烧室的5只喷嘴的扩散燃料通道；经过VGC-3调节阀，通过预混燃料支管PM4供入每只燃烧室的4只喷嘴的预混燃料通道；经过VGC-2调节阀，通过预混燃料支管PM1供入每只燃烧室的剩余1只喷嘴的预混燃料通道。
VC4-1—辅助截止阀；VSR-1—速度／比例截止阀；VGC-1—气体控制阀；D5—扩散燃烧支管；VGC-3—气体控制阀；PM4—预混燃烧支管；VGC-2—气体控制阀；PM1—预混燃烧支管；＊—吹扫空气，来自压气机出口。
为了确保机组点火、升速和低负荷工况下的燃烧稳定性，DLN2.0＋燃烧室设计有4种燃烧模式，从机组启动初期的扩散燃烧模式，直至最终的预混燃烧模式：
1、扩散燃烧模式。从点火到95%转速，仅5只喷嘴以扩散燃烧模式运行，PM4支管用空气吹扫。
2、亚先导预混模式。95%转速到8%负荷，5只喷嘴以扩散燃烧模式、PM1喷嘴以预混模式运行，PM4支管用空气吹扫。
3、先导预混模式。8%负荷到50%负荷，5只喷嘴以扩散燃烧模式、PM1喷嘴和PM4喷嘴均以预混模式运行。
4、预混燃烧模式。50%负荷以上，PM1喷嘴和PM4喷嘴均以预混模式运行，D5支管用空气吹扫。
机组每次启动，燃烧室都要经过上述燃烧模式的切换，在此过程中燃烧室中各喷嘴间燃料及火焰的分布不均，造成火焰筒局部过热、鼓包、变形，影响火焰筒的寿命。对于频繁启停及半负荷运行的机组，其影响尤为明显。
虽然燃机能够燃用热值变化范围很宽的气体燃料，但是对于特定的燃料系统，气体燃料的热值变化范围是受到一定限制的。燃料喷嘴设计为在固定压比范围内运行，并通过增加或减小燃料喷嘴面积或气体温度来适应天然气热值的变化。对于一个给定的燃烧系统，燃料气可互换性的度量为当量华白指数（MWI），以MWI作为在固定的压比下，注入燃烧室能量的一个相对度量。使用燃料低位热值、相对空气的比重以及燃料温度进行计算，数学定义为：
式中：LHV为燃料气的低位热值（Btu/scf）；SGgas为燃料气相对空气的比重；MVgas为燃料气体的分子质量；Tgas为燃料气的兰氏绝对温度，°R；28.96是干空气的分子质量。
漕泾热电2台燃机的DLN2.0＋燃烧系统允许的MWI范围为42.09（1±5%）。由式（1）可知，影响MWI数值的主要因素是燃料气的低位热值。当燃料气热值偏高，高于设计参数值，以致在相同的燃气温度下MWI超出限值5%时，燃烧室内会出现燃烧动态压力不稳定，造成脉压波动问题，引起燃烧部件损坏。
漕泾热电9FA机组原先设计的气源为西气，低位热值一般为32～34MJ/m3。在2009年底之前，天然气气源为西气，热值在设计范围内且比较稳定，2台机组的燃烧性能也比较稳定，没有发生因燃烧部件故障引起的计划外检修，小修期间拆出的燃烧部件也处于良好状态，无鼓包、破裂及螺栓断裂现象。
2010年起随着LNG进入天然气管网，天然气热值逐渐上升且不稳定，热值由原先的33.5MJ/m3左右上升到36MJ/m3以上，假定天然气温度不变，MWI将超过给定值的7.5%以上；而2台燃机接连出现过渡段故障的时间恰恰与天然气热值上升的时间相吻合。可见天然气热值增大直接使MWI超出给定值的5%所引起的燃烧脉动，正是过渡段出现故障的原因。
机组长期处于天然气MWI接近或超过给定值的105%的情况下运行，振荡燃烧引起的大幅度压力脉动，使燃烧部件易产生材料磨损、脱落等故障。火焰筒靠弧形密封片与燃料喷嘴端盖和过渡段连接密封，燃烧振荡会造成弧形密封件磨损或脱落，而火焰筒本体损坏的可能性大大减小。过渡段临近1级喷嘴的区域，燃气温度最高，工作条件最恶劣，如果燃烧脉动高，在与较大的燃烧振荡引起的大幅度压力脉动的共同作用下，容易引起过渡段后支撑架螺栓断裂，涂层剥落甚至基材出现裂纹。
四、采取措施
根据漕泾热电和其他电厂的实际情况及经验教训，目前漕泾热电已采取以下措施来降低燃烧部件，尤其是过渡段的损坏风险：
1、在18只燃烧室中，安装在线燃烧动态性能监测探头（CDM）。将测得的脉动压力转换为模拟信号输至控制界面上，以增加监测燃烧室内动态性能的手段；当探测到的脉动压力偏高时，降低燃机负荷，即降低燃烧温度，减小燃烧脉动量，并及时安排燃烧调整。相比以前只能监视燃机排气温度分散度，机组运行期间增加了对燃烧工况监视的直接手段，可对燃烧性能进行预判，并及时采取人工干预措施。在安装CDM后，漕泾热电2台燃机的燃烧室部件再未发生故障事件，计划定检期间也未发现异常情况。
2、投用天然气色谱仪，测定天然气的热值。根据天然气热值变化的情况，精确地控制天然气的温度，确保天然气的Wobbe指数保持在规定的范围内，从而改善燃烧脉动。
五、升级改造方案
根据以上提及的天然气热值变化引起的MWI偏差超出限定的±5%范围，燃烧脉动压力增大等原因造成燃烧部件故障。GE公司在DLN2.0＋的基础上进行了重新的整体设计，推出了DLN2.6＋燃烧室，其特点是：
1、燃烧部件如燃烧筒、过渡段、燃料喷嘴及联焰管在基材、结构设计、涂层、耐磨处理上都进行了优化。
2、增大燃料通道尺寸，使得在燃气热值偏离设计值仍能维持燃烧压比。
3、相对DLN2.0＋燃烧室，在中心增加了1只燃料喷嘴，在新的设计中，周围5只喷嘴的扩散燃料通道与D5支管连接，扩散燃料流道分为两组，2只一组与PM2支管连接，另外3只为一组与PM3支管连接，中间1只喷嘴仅有的扩散燃料通道与PM1支管连接。
4、相对DLN2.0＋，天然气模块中各增加一路天然气管路及吹扫空气管路。
5、燃机透平间内各增加一路天然气分配支管及吹扫空气分配支管。
燃烧系统DLN2.6＋燃烧模式见图2。
升级为新型的DLN2.6＋燃烧系统后，将带来以下受益：
1、将MWI范围由给定值的1±5%升级为1±10%，提高了燃烧系统对燃料热值变化的适应性，能有效降低燃烧脉动压力，从而降低燃烧部件尤其是过渡段、燃烧筒损坏的几率。
2、解决了机组低负荷时火焰筒头部壁温分布不均的问题，有效避免因燃烧部件局部过热、鼓包，降低火焰筒寿命的故障发生。
3、燃烧部件的检修周期由燃烧8000h升级为燃烧24000h。
4、扩大了预混燃烧模式运行的工况范围，有效降低燃烧排放。50%负荷时NOx/CO的排放可达到20mg/m3，30%负荷时排放可达到30mg/m3。
六、结语
上海漕泾热电是中国第一批F级燃机电厂，与华东地区其他几家电厂同批引进的燃机所不同的是，漕泾热电采用的是9F级多轴双燃料燃气蒸汽联合循环机组，在系统配置上会有所不同，但所使用的燃烧系统相同，遇到的问题类似，有关故障的原因分析和改进措施可相互借鉴。
作者：荆迪 庄清泉 上海漕泾热电有限责任公司
