(广东粤华发电有限责任公司)
摘要：燃气轮机在城市电网调峰中起着重要作用，然而目前不少机组运行情况并不理想，出现一系列燃烧故障问题。本文将首先分析燃气轮机燃烧室结构，并在此基础上结合实例针对燃机常见的燃烧故障进行深入讨论，为检修提供参考。
关键词：燃气轮机；燃烧；故障
前言
随着城市用电需求的激增，燃气-蒸汽联合循环发电机组得到越来越广泛的应用，国家加大燃气轮机设备的引入，并成为重要的重型发电动力设备。然而在燃机的使用过程中，受到设备损耗、气候条件等原因，多次发生燃烧事故，因此如何提高燃气轮机运行稳定性成为一个重要课题。
1 燃气轮机燃烧室综述
燃气轮机燃烧室直接影响燃烧性能，因此对于分析燃烧故障有重要意义。燃气轮机燃烧室的基本要求包括高燃烧效率、可靠点火（地面极低环境温度，空中熄火后）、宽阔稳定极限（气/油比）、低压力损失、保证最高透平叶片寿命的出口温度分布（型式）、低烟雾与污染物排放、避免压力脉动和其他燃烧诱发的不稳定现象、尺寸、形状与发动机外型匹配、设计要低成本和易于制造、可维护性、耐久性与多燃料能力。受发动机整体布局制约，燃烧室通常分为以下三类：分管式、环管式与Annular。燃气轮机在工作过程中，通过压气机将大气引入，然后压缩其至某一特定压力，并与燃料进行混合，经过燃烧以后形成高温燃气。高温燃气通过燃气透平后通过透平带动发电机运转，进而将化学能转变为机械能。
2 V94.3A燃气轮机燃烧故障
2.1 故障描述
上述燃烧室作为燃气轮机的“心脏”，必须确保稳定的燃烧才可以使燃机正常运转，如果出现回火、熄火及火焰伸长等一系列不良燃烧现象，将大大降低燃机稳定性与可靠性。出燃烧故障的燃气轮机型号为V94.3A，该燃气轮机选用环形燃烧室，共包含二十四个混合型燃烧器，可实现扩散燃烧与预混燃烧。V94.3A型燃气轮机虽然具备安全、效率高等优势，然多次出现燃烧不稳定现象，并导致跳机。
事故发生前，燃气轮机处于正常运行状态，天然气压力为3.94Mpa，大气湿度93.1%。机组一切运行参数均未出现异常。当负荷处于260MW稳定运行状态时，燃气轮机突然发出了ACC＞GW3的保护动作报警，机组立即跳闸，跳闸曲线如图1所示。
从图1曲线不难看出，机组燃烧加速度是在一点处突然上升的，导致燃机跳闸。为了针对这次故障进行分析，应对燃烧监测原理与保护定值的概念以及相关测试仪器有基本了解。
2.2 燃烧监测原理与保护定值
燃气轮器内部发生着剧烈的化学反应，在扰动的影响下极易出现振荡现象，可以称这种压力随时间波动的现象叫燃烧不稳定。燃烧室参数测量通常包括动态压力与动态振动两方面的测量。通常动态压力测量通过压力传感器获得多频段、多幅值的特征。测量动态振动速度的传感器叫作ACC，可以得到外缸在不同频率情况时的振动变化速度幅值。
燃气轮机中的ACC保护限定值由GW1、GW2、GW3与GW4组成，其中当转速超过2850r/min时，GW1和GW2开启监测保护作用，然而会出现30秒的闭锁。扩散燃烧模式与预混燃烧模式相互转换时GW1与GW2会在延时两秒之后闭锁。GWS一直处于可用状态。GW4在达到基本负荷运行期间，可以提供加速度水平的早期监测。
2.3 燃烧频谱仪
目前应用较多的可视化燃烧监测软件为ARGUS，可以针对加速度信号与燃烧噪声信号实现FFT变换，以观察频谱的方式进行燃烧参数的设定。针对燃气轮机中常出现的燃烧不稳定性问题，ARGUS燃烧频谱仪可以从低频、中频以及高频三个频段对稳定性进行评价，并用不同颜色进行表示。通过ARGUS燃烧频谱仪进行燃烧稳定性评价时采用以下准则：当高频燃烧噪声超过低频段时，燃烧稳定性极差，会发生跳机现象。稳定的燃烧过程要求高频燃烧噪声小，低频不可太大，中频的值介于高频与低频之间。
2.4 故障分析
通过查看故障发生时的频谱图（如图2所示），有三方面因素表面故障发生前燃气轮机处于非正常工作状态。
全时域中频段的燃烧噪声信号很强，且高频与低频段ACC数值相近，而且在跳机使，中频段的ACC信号有明显的剧增，这都足以说明此次跳机故障是由燃烧问题导致。为了进一步分析导致燃烧不稳定的原因，对燃机负荷、大气温度与湿度、IGV开度、OTC温度、压气机出口压力、天然气温度、天然气压力与天然气成分进行检测与分析，并发现天然气成分发生较大变化，因此天然气成分造成此次故障的可能性最大。通过分析天然气成分，发现其中的N2含量为1.722%，但是该燃气轮机氮气设计值仅0.6%，进而确定了本次导致故障跳机的原因为天然气气质变化。
2.5 检修总结
在分析得出本次故障是燃烧故障之后，分别针对八个主要影响因素进行信号检测，即燃机负荷、大气温度与湿度、IGV开度、OTC温度、压气机出口压力、天然气温度、天然气压力与天然气成分，测取部位分别为发电机出口、压气机进口、进口可调导叶位置、燃机透平出口、燃烧室进口处、天然气控制模块、天然气控制模块与天然气管道入口。其中实用负荷变化曲线分析燃机负荷，得到负荷和频谱内数值的关系；用温湿度变化曲线分析大气温湿度；用IGV角度位反值分析IGV开度；分析出口温度变化情况得到OTC温度；通过出口压力和值班阀开度关系分析压气机出口压力；通过测得天然气温度和ARGUS频谱数值关系分析天然气温度。在此次故障分析中，主要发现了值班阀开度不正常、燃烧噪声波动大、ACC保护被触发等。
3 9F机组燃烧故障
9F机组是美国GE公司研发生产的燃气轮机，在我国使用过程中，曾出现过几次燃烧故障，现将其总结如下。
3.1 9F机组燃烧系统监测
正常工作下，9F机组的温度大约为1400摄氏度，因此燃烧室以及过渡段都会受到不同程度损伤，也很难针对高温部件进行实时监测，因为为故障发生埋下隐患。在实际生产过程中，多通过排气温度对高温部件进行间接监测。如果燃气轮机内部出现裂纹、破损等故障时，会导致透平以及压气机的出口排气温度不稳定，同时使得进口流场也出现不均匀现象，可见通过排气温度场的测量能够针对9F机组燃烧故障进行有效预测。本机组为了得到准确的排气温度场，在排气通道位置均匀地设置了三十一根热电偶。不同热电偶在实际测量中读数不一致，所以需要首先制定标准，明确不同热电偶温度差为多大时属于正常，因此引入了温度分散度的概念。
温度分散度用S表示，是平均排气温度与压气机出口温度的函数。S1、S2、S3分别代表排气温度热电偶最高读数与最低、第二低、第三低的读数的差值。具体的燃烧监测原理如图2所示。
3.2 故障报警的判据
（1）热电偶故障报警
当S1与S的比值超过K2=5.0时，将会向外发出报警信号。当燃气轮机正常运行时，排气温度S1是小于S的。当S1＞K2时，排气温度分散度即达到了允许时的五倍以上，这明显说明故障发生。
燃烧故障报警
当S1超过S，且S1与S的比值超过K1时，可以说明燃气轮机的燃烧不正常，即出现燃烧故障，发出燃烧检测报警信号。
排气温度分散度过高出现遮断
当燃气轮机燃烧系统出现故障时，可能导致排气温度分散度发生改变，应当遮断机组，在实际中主要分为四种情形：一，当S1与S比值介于K1、K2之间时，此时热电偶无故障；二、S1与S的比值超过K2，即大于5.0，S2与S比值大于K2，即超过0.8时，且第2与第3低的排气温度测点相邻；三，S3与S比值大于K4，即超过0.75时，机组主保护系统动作，遮断停机；四，S1与S比值大于一，此时出现数据通讯故障。
3.3 9F燃气轮机常见燃烧故障
在对9F燃气轮机进行故障监测时，基本上都应用排气温度分散度进行评价，其中对燃烧变化起主要贡献作用的因素如下：燃料分配均匀度、燃烧室结构、燃料雾化质量、叶片结垢情况、喷嘴。上述因素都是导致燃烧故障的直接原因。以下将以常见的燃料供给故障与燃烧部件问题为例进行分析。
（1）燃料供给故障
在燃气轮机的燃料供给系统中，流量分配器以及喷嘴起到至关重要的作用，在实际运行中，流量分配器可能出现齿轮磨损情况，导致间隙过大，使供油不充足，影响燃烧过程，进而使排气温度场不均匀，分散度剧增。由于燃料供给系统导致的排气温度分散度提升通常和负荷变化是正相关的。尽管9F燃气轮机暂未出现流量分配器受损问题，但是曾应喷嘴堵塞导致跳机。此次故障发生前机组数据如表1所示。
从表1可见，两个相邻排气温度的温度值和其他测点偏差较大，然而S1时而超过允许值。在之后又多次出现相邻排气温度测点温度偏低的情况。通过燃烧监测结果与故障诊断软件分析得到，1号与18号燃烧室可能是导致故障的原因，并对其中喷嘴进行窥镜检查。窥镜检查结果如下：
PM3燃料气经过端盖外沿通常有两个主要的通道，每个通道均安装了两个带有五孔的喷嘴，孔径2毫米。通过窥镜发现，在通道里存在3毫米左右的条状物，此异物可能是缠绕垫片时使用的石墨条。然后再对金属缠绕垫的断裂情况进行检查，发现PM1、D5等多处出现松脱及断裂情况，PM4喷嘴通道存在异物，并导致喷嘴堵塞，采用吸尘器将其取出。
燃烧部件问题
在本机组运行过程中，曾出现2号机组跳机事故。本次故障发生时S1从33.6摄氏度迅速上升到72.6摄氏度，S2与S3也均上升至少10℃，然而并没有发出燃烧故障报警。之后检查发现，燃气轮机中的燃烧部件出现贯通性裂纹，导致大量排气进入火焰筒，将其冷却，使得进气温度不均匀，影响正常燃烧过程。
4 小结
本文总结了常见的燃气轮机燃烧故障，并针对不同型号燃气轮机介绍了主流的故障检修策略，对生产实际有一定指导意义
参考文献
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论文作者:孔舒尹
论文发表刊物:《电力设备》2015年第11期供稿
论文发表时间:2016/4/27
标签：燃气轮机论文; 故障论文; 温度论文; 燃烧室论文; 机组论文; 分散度论文; 天然气论文; 《电力设备》2015年第11期供稿论文;