摘要：本文介绍了某公司9E燃气轮机，水洗后开机过程燃机出现从贫贫燃模式至预混燃烧模式多次切换不成功的故障案例。经分析，机组水洗后，清吹管道和燃气管道内有残留积水未能排尽，在燃烧模式切换时，导致残留积水进入二次燃料喷嘴值班火焰通道，造成高温焰气回流，产生回火，造成模式失败。经过对机务系统图分析提出修改水洗逻辑及运行操作等解决方案。
关键词：燃气轮机；燃烧模式切换；排气温度分散度大；水洗；故障处理
The Combustion Mode Switching Fault Analytical Processing of 9E Gas Turbine
Liu Wenlong
(Zhuhai Shenneng Hongwan Plant Limited, Zhuhai 519000, China)
Abstract: This paper introduces the combustion mode switching fault from lean-lean mode to premix steady state mode when a 9E gas turbine starts upafter washing. Through the analysis, the combustion mode switching fault that leading to tempering which is caused by some water left in the purge piping and gas piping, therefore, some water comes into the fuel secondary nozzle during the mode switching. Finally, it comes up with the solution that changing the washing logic and operation by analyzing the systemdiagram.
Key words: gas turbine; combustion mode switching; large exhaust temperature dispersion; washing; fault treatment
0 引言
某公司 9E 燃气轮机机组水洗后从贫燃模式切换至稳定预混燃烧模式，清吹管道或燃气管道内有残留积水未能排尽，在燃烧模式切换时，导致残留积水进入二次燃料喷嘴值班火焰通道，造成二区压力降低，高温焰气回流，产生回火，造成二次燃料喷嘴金属烧熔。
1 9E 燃机 DLN
1.0 燃烧系统燃烧模式与切换原则
1.1 燃烧系统燃烧模式简介
9E 燃机 DLN 1.0 燃烧系统，有 6 个燃烧模式，分别为初始燃烧模式（PRIMARY MODE）、贫贫（正）燃烧模式（LEAN-LEAN MODE POSITIVE）、二次切换模式（SECONDARY TRANSFER MODE）、预混切换模式（PREMIX TRANSFER MODE）、预混稳定模式（PREMIX STEADY 扩散贫贫燃烧模式（EXTENDED LEAN-LEAN MODE），分别简介如下：
1) 初始燃烧模式（PRIMARY MODE）
机组点火成功后，燃气轮机进入初始燃烧。设备状态为：VGC-1 阀打开，天然气全部经一级燃料喷嘴引到燃烧室一区燃烧。同时，清吹阀组投入，压气机第八级抽气冷却空气经第三级喷嘴进入燃烧室二区。如图 1。
2) 贫贫 ( 正 ) 燃烧模式（LEAN-LEAN MODE POSITIVE）
燃烧温度 TTRF1 超过 L26FXL1 时，进入该模式。
VGC-2 阀逐渐打开，最终燃料按照 7/3 的配比，分别经一级、STATE MODE）、二级燃料喷嘴引至燃烧室一区和二区。同时，清吹阀组处于投运状态。如图 2。
3) 二次切换模式（SECONDARY TRANSFER MODE）
当燃烧温度 TTRF1 达到 L26FXS1，进入该模式。清吹阀组关闭，VGC-3 阀开始小开度的逐渐打开。预充结束后， VGC-3 阀开启。同时，VGC-2 阀继续加大开度，而 VGC-1 阀开始关闭，直至全关。最后，一区火焰消失。此时，一区、二区的燃料配比分别为 76% 和 24%。二次切换模式正常时间应在约为 20s 内完成，超过 30s 将触发报警（L30FX1_ ALM），并且，使燃烧模式进入到负荷恢复模式。如图 3。
4) 预混切换模式（PREMIX TRANSFER MODE）
二次切换模式完成后，逻辑检查确认 VGC-1 阀开度小于 3%，VGC-3 阀状态正常，清吹阀组已关闭，二区无火焰燃烧，且燃烧温度 TTRF1 超过 L26FXS1（温度定值），则延时 5s 进入预混切换模式。
预混切换模式的进程可分作两段，分界点在控制阀VGC-2 关闭状态：
第一段，预混切换模式条件后满足，VGC-1 开始迅速打开，而控制阀 VGC-2 首先开始关闭，同时，控制阀VGC-3 也跟随缓慢关闭。如图 4。
第二段，待控制阀 VGC-2 关闭到位后，VGC-2 再迅速打开。同时，控制阀 VGC-3 继续关闭，待其完全关闭后，清吹阀组再次打开，对管道进行冷却。此时，燃烧室一区、二区的燃料配比仍为 76% 和 24%。如图 5。
控制阀 VGC-2 在短时间内，经历“开—关—开”的动作，目的是保证在 VGC-1 打开过程中，二区火焰强度降低，控制燃烧室的温度，以此来防止高温引燃一区的预混燃料。
5) 预混稳定模式（PREMIX STEADY STATE MODE）
预混切换模式完成后，待燃烧温度 TTRF1 大于L26FXL2，进入该模式。燃料配比变化为一区 83%、二区17%。如图 6
6) 扩散贫贫燃烧模式（EXTENDED LEAN-LEAN MODE)异常燃烧模式之二。与贫贫燃烧模式的现象类似，燃烧室一区、二区均有火焰，但是燃烧温度会持续维持在L26FXL3 以上，且不允许进行向上的燃烧模式切换，直到人为控制负荷指令信号作用。如图 7。
鉴于燃气轮机在该种燃烧模式下运行，将严重降低燃烧室内热部件的使用寿命 [2]（美国 GE 公司介绍，在该模式下运行，热部件（主要是二级喷嘴、三级喷嘴）的维修系数是预混稳定模式（PM_SS）的 10 倍以上），故在机组出现该燃烧模式时，应尽快进行人为干预。如在启机过程中，可将燃机负荷下调至贫贫燃烧模式，进行相应处理后，再升负荷，以期使燃烧正常切至 PM_SS 模式。
1.2 各燃烧模式的切换原则
在启、停机过程中，模式切换以燃烧温度 TTRF1 为主线，在此前提下，又需满足模式选择，燃料系统阀门开度，一区、二区火焰情况等条件 [1]。
对模式切换温度，需注意对应的死区。其作用是避免因为在模式切换时的小幅震荡，导致模式切换失败。所以，在停机燃烧模式切换过程中，温度需要降低至燃烧模式切换温度 - 相应的死区温度）以下，方可进入下一阶段。
图 8 为启机过程的燃烧模式切换原则。其中，对异常燃烧模式（扩散贫贫燃烧模式和负荷恢复模式）的触发条件亦作出说明。
2 故障现象分析及处理
2.1 故障经过
2016年 1 月 X日，00:30， 对 #4 燃 机 水 洗，02:20，水洗结束后投入 #4 燃机高盘甩干，03:55，改为低盘；08:18，#4 燃机并网，09:39，#5汽机并网。
10:05 ，#4 燃机负荷为 80MW，燃烧由“预混”模式自动切换为“贫—贫”模式，同时发“L83LLEXT_ALM（扩展 L-L 模式高排放 - 报警）”，运行人员联系热工进行检查，同时降、升负荷进行燃烧模式切换 3 次均失败；12:10，向中调申请停运 #4、5 机组，调度许可后，12:31，#4、5机组解列。
2.2 检查及处理
经调阅历史曲线发现，点火器指令“L2TVX”无变化，因此判断一区重新着火并不是逻辑给出的指令点火，应是回火所致。而故障发生后一区重新着火时，4 个火检均检测到有火，因此排除火检探头灵敏度过高的问题。重新核对 GC1、GCV2、GCV3 3 个阀门的行程，其指令和反馈均一致，因此排除阀门问题。当将启机的负荷、分散度、24 支热电偶温度、8 个火检数值、点火器指令等数据汇总后，发现切换失败时负荷为 67MW，24 支排气热电偶中 18、19、20、21 4 支热电偶温度偏低（分别为 1030 ℉、1039 ℉、984 ℉、 963 ℉），而其他的热电偶温度大约 1100 ℉。通过软件分析，认为 #6、#7、#8、#9 喷嘴可能存在问题。
通过对 #6、#7、#8、#9、#10、#14 燃料喷嘴进行孔探检查，发现 #8 二级燃料喷嘴有异样，拆下 #8 二级燃料喷嘴后发现端部切换吹扫通道金属已烧熔，#8 火焰筒二级燃料旋流器有两处脱焊 , 因此更换了 #8 火焰筒及二级燃料喷嘴。
随后拆开 #4 燃机水洗两只排污阀和排气扩散段排污阀，检查未发现有堵塞现象；孔探检查清吹管路和轮机间三个燃料环管未见异常，检查燃料管路和清吹管路的排污阀未见异常，拆下一级燃料喷嘴底部排污管检查也未见异常。
2.3 原因分析
启机过程中，二次切换模式（SEC_XFER）→ 预混切换模式 (PM_XFER) 切换失败。燃烧室 1 区火焰复燃，经分析有以下 4 种可能原因：
1) 火花塞误动作，引燃 1 区燃料。
2) 火焰探测器异常，误发 1 区有火焰信号。
3) 燃烧室内高速文丘里组件失效，使 2 区火焰蔓延至1 区。
4) 控制逻辑捕捉到正常的燃机点火指令或重点火指令。在机械结构上，燃烧室内的文丘里喉道（文丘里后部
的钝角区）和持续进入 1 区的压缩空气是阻止“回火”再次点燃 1 区，并形成稳定的预混火焰燃烧区的重要因素。但因为文丘里组件性能的退化或偶然事件导致 1 区重新燃烧，不能直观发现，只能通过上述原因的分析剔除法进行判断。
专业人员通过曲线证实了“回火”再次点燃 1 区火焰后，对燃烧系统管路重点检查分析，认为：
a) 由于机组水洗后，清吹管道或燃气管道内有残留积水未能排尽，在燃烧模式切换时，导致残留积水进入二次燃料喷嘴值班火焰通道，造成二区压力降低，高温焰气回流，产生回火，是造成此次二次燃料喷嘴金属烧熔的主要原因。
b) 二级燃料喷嘴可能存在质量问题。因长时间运行，导致二级燃料喷嘴金属密封环变形泄漏，天然气漏至吹扫要原因。
c）机组水洗后，因排污阀堵塞或排污管路不畅造成最底部燃烧器燃料喷嘴积水，喷嘴处压力降低致使高温焰气回流，产生回火，造成二次燃料喷嘴金属烧熔，这种可能性在理论上存在，但从本次排污阀检查情况来看，排除排污阀堵塞或排污管路不畅造成喷嘴金属烧熔的可能性。为防止问题再次发生改造天然气管路系统的排污管路，增加窥窗或其他可目视检查的设备，在水洗完成甩干阶段可以检查天然气管路是否仍然有残留积水。
3 防范措施
经研究，制定了以下整改方案与防范措施：
1)加强对燃气轮机燃烧室一、二次燃料喷嘴的孔探检查，以便及时发现隐患。
2)根据同类型机组提供的统计数据，到 2015 年底，国内已发生了 4 起二级燃料喷嘴的损坏故障，均发生在底部的#7 或 #8 喷嘴。专业应加强与其他电厂及制造厂的沟通，及时了解燃机行业燃机故障情况，及时采取对应防范措施。
3)延长水洗甩干时间，因此修改水洗操作票：将水洗完毕后高盘甩干时间延长至 1.0h，恢复安措时间间隔延长1h；同时增加在机组水洗后启动前，重点检查燃料管路和清吹管路，确保无积水内容。
4)将对水洗系统排污阀及排污管路检查列入开机检查卡，每次开机前，对水洗系统排污阀及排污管路进行检查，确保畅通。
5)每季度对调压站、前置模块的滤网进行检查，及时清理和更换；每次开机前对滤网进行排污，防止有液体存积。
6)对天然气排污管路系统进行改造，便于水洗后检查天然气管路是否有残留积水。目前 #4 燃机天然气排污管路的系统改造已完成。
热工专业人员经研究，对控制系统制定了以下整改方案与防范措施：
a)离线水洗时，手动打开底部排污阀。
b)检查 VA13-3，VA13-4 应 处于关闭状态；否则，通过逻辑强制 L20PGT1X 和 L20PGT2X，关闭这两个阀门。
c)修改 L20PGT1X 和 L20PGT2X 的逻辑，离线水洗时自动关闭两个吹扫阀（需要提供仪表空气），见图 9。
d)水洗结束，关闭排污阀前，应确认积水排出干净。
4 结束语
国内同类型机组发生的四起二级燃料喷嘴损坏案例，均发生在水洗后，且都在底部的 #7 或 #8 喷嘴上，说明制造厂燃汽轮机的天然气清吹管道、排污管路在设计上存在缺陷。另外，二级燃料喷嘴也可能存在质量问题。燃气电厂专业应积极与同类电厂及制造厂沟通，及时了解燃机行业动态，增强交流机制、相关知识储备。
参考文献
[1]中国华电集团公司.大型燃气—蒸汽联合循环发电技术丛书 : 设备及系统分册[M].北京 : 中国电力出版社 ,2009.
[2]GE 公司.SPEEDTRONICTMMARK V Turbine Control Application Manual GEH- 6195D AP PENDIX D SIGNAL FLOW DIAGRAMS.GE 公司.MCC SWITCHBOARD CONNECTING DIAGRAM[
论文作者:柳文龙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/4
标签：模式论文; 喷嘴论文; 燃料论文; 管路论文; 燃烧室论文; 火焰论文; 积水论文; 《电力设备》2017年第16期论文;