江　嘯

(惠州深能源豐達(dá)電力有限公司， 廣東惠州 516025)

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干式低氮燃燒系統(tǒng)火焰丟失原因分析

江嘯

(惠州深能源豐達(dá)電力有限公司， 廣東惠州 516025)

針對9E型燃?xì)廨啓C(jī)干式低氮(DLN1.0)燃燒系統(tǒng)的火焰不穩(wěn)定和丟失的問題，從設(shè)計安裝、燃燒調(diào)整和硬件故障等方面對影響火焰的因素進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合考慮;根據(jù)分析結(jié)果，制定具有針對性的預(yù)防和處理措施。運(yùn)行結(jié)果表明：采取針對性的預(yù)防和處理措施后，可以有效防止9E型燃?xì)廨啓C(jī)火焰丟失故障，確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

燃?xì)廨啓C(jī)； 干式低氮； 火焰丟失； 燃燒調(diào)整

國內(nèi)在役的9E型燃?xì)廨啓C(jī)，由于原來配置的擴(kuò)散燃燒系統(tǒng)難以達(dá)到國家規(guī)定的排放要求，因此都進(jìn)行了干式低氮(DLN1.0)燃燒系統(tǒng)升級改造，采用預(yù)混燃燒方式實(shí)現(xiàn)氮氧化物的低排放。機(jī)組進(jìn)行DLN1.0燃燒系統(tǒng)升級改造后，其燃燒系統(tǒng)在硬件及軟件方面均進(jìn)行了更換。在設(shè)備安裝過程中，燃燒系統(tǒng)設(shè)備的安裝情況，以及調(diào)試時燃燒調(diào)整的情況均對火焰的穩(wěn)定性造成重要影響?？傮w來說，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)火焰不穩(wěn)定或火焰丟失，一般可分為兩類情況：因點(diǎn)火器故障、燃料調(diào)整不當(dāng)，或天然氣控制閥故障等原因造成的火焰實(shí)際丟失，以及因火焰探測器故障或安裝不當(dāng)造成的探測不到火焰。筆者結(jié)合DLN1.0燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)和現(xiàn)場運(yùn)行檢修經(jīng)驗(yàn)，分析影響火焰穩(wěn)定性的因素。

1　DLN1.0燃燒系統(tǒng)

DLN1.0燃燒系統(tǒng)燃燒模式見圖1。

圖1　干式低氮燃燒系統(tǒng)燃燒模式

DLN1.0燃燒系統(tǒng)由14只干式低氮燃燒室組成。燃燒室中有燃燒一區(qū)和燃燒二區(qū)。從啟動到基本負(fù)荷燃燒室依次按以下四種模式運(yùn)行：(1)擴(kuò)散模式。從點(diǎn)火至50%基本負(fù)荷階段，燃料全部在燃燒一區(qū)燃燒，火焰為擴(kuò)散燃燒火焰。(2)貧-貧模式。50%～80%基本負(fù)荷，70%燃料進(jìn)入一區(qū)燃燒，30%燃料進(jìn)入二區(qū)燃燒，火焰為擴(kuò)散燃燒火焰和部分預(yù)混火焰。(3)過渡模式。該模式中進(jìn)入一區(qū)的燃料量逐漸減少，二區(qū)燃料量逐漸增大，直至一區(qū)熄火，該過程一般持續(xù)20多秒，火焰為部分預(yù)混火焰。(4)預(yù)混模式。80%～100%基本負(fù)荷，81%燃料進(jìn)入一區(qū)與空氣進(jìn)行預(yù)混，并隨后進(jìn)入二區(qū)燃燒，19%燃料直接進(jìn)入二區(qū)燃燒，火焰為預(yù)混火焰。在四個不同模式下，天然氣通過三個燃料控制閥(GCV1、GCV2和GCV3)對進(jìn)入兩個燃燒區(qū)的燃料量進(jìn)行分配。

2　故障分析

導(dǎo)致DLN1.0燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)火焰丟失的原因很多，一般可分為硬件原因、程序控制原因和燃料原因。DLN1.0燃燒系統(tǒng)并未配置進(jìn)氣加熱系統(tǒng)(IBH)，故本文所提的工況均為無IBH條件下的數(shù)據(jù)。

2.1 點(diǎn)火器

1號機(jī)組在DLN1.0燃燒系統(tǒng)下運(yùn)行到1 500 h時，在停機(jī)由預(yù)混模式(80%基本負(fù)荷)向貧-貧模式切換過程中，曾出現(xiàn)燃燒一區(qū)點(diǎn)不著火導(dǎo)致熄火跳機(jī)的情況，此時機(jī)組運(yùn)行參數(shù)沒有任何異常狀況。對點(diǎn)火電纜、點(diǎn)火變壓器進(jìn)行檢查及更換，對點(diǎn)火器進(jìn)行冷態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)，對一級燃料噴嘴及燃燒室一區(qū)進(jìn)行孔探檢查，均未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況。

其后機(jī)組再次啟動，并在停機(jī)前機(jī)組滿負(fù)荷時對燃燒一區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制點(diǎn)火試驗(yàn)，點(diǎn)火未成功。之后手動降負(fù)荷，并調(diào)節(jié)進(jìn)入一區(qū)和二區(qū)的燃料分配量，進(jìn)行多次強(qiáng)制點(diǎn)火，均未成功。

由此認(rèn)定點(diǎn)火器在熱態(tài)情況下點(diǎn)不著火。對點(diǎn)火器進(jìn)行絕緣測量，發(fā)現(xiàn)兩個點(diǎn)火器絕緣電阻值均偏小，最低達(dá)到80 MΩ；更換點(diǎn)火器后，機(jī)組恢復(fù)正常。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致點(diǎn)火器絕緣下降的原因是：點(diǎn)火器安裝位置不正，導(dǎo)致點(diǎn)火器與火焰筒上插入孔之間的間隙不均勻，機(jī)組運(yùn)行時造成間隙較小的一側(cè)發(fā)生刮磨，進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)火器絕緣下降。點(diǎn)火器點(diǎn)不著火的情況僅在機(jī)組停機(jī)階段發(fā)生，在機(jī)組啟動和冷態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)時，點(diǎn)火器均能正常工作，說明點(diǎn)火器的絕緣電阻在冷態(tài)與熱態(tài)下存在明顯差異。

另外，與老式伸縮式點(diǎn)火器不同，DLN1.0燃燒系統(tǒng)配備的點(diǎn)火器的點(diǎn)火電極位置是固定的，點(diǎn)火器的安裝位置對燃?xì)廨啓C(jī)啟動時點(diǎn)火的成功率有很大影響。點(diǎn)火器插入火焰筒內(nèi)深度太淺會導(dǎo)致機(jī)組啟動時點(diǎn)不著火；插入火焰筒內(nèi)深度太深會導(dǎo)致點(diǎn)火電極燒損，并可能在點(diǎn)火電極絕緣層上形成積碳，造成點(diǎn)火電極與其金屬外套管導(dǎo)電，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣下降而點(diǎn)不著火。點(diǎn)火電極端面與火焰筒外壁的正確間距為8.89～10.41 mm(見圖2)，由于火焰筒壁厚為2.5 mm，因此點(diǎn)火電極實(shí)際深入火焰筒內(nèi)6.39～7.91 mm。

圖2　點(diǎn)火器的安裝

2.2 火焰探測器

DLN1.0燃燒系統(tǒng)共有8個火焰探測器，其中4個分別安裝在1、2、3、14號燃燒室上，監(jiān)測燃燒一區(qū)火焰，另外4個也分別安裝在上述燃燒室上，監(jiān)測燃燒二區(qū)火焰。一區(qū)火焰探測器安裝在燃燒室外套上，其探測視線通過火焰筒上摻混空氣孔來監(jiān)測一區(qū)火焰(見圖3)；二區(qū)火焰探測器安裝在二級燃料噴嘴上，其探測視線通過火焰筒上二級旋流器二片葉片之間的開口來監(jiān)測二區(qū)火焰情況(見圖4，此二片葉片的間距較大)。

圖3　一區(qū)火焰探測器探測視線

圖4　二區(qū)火焰探測器探測視線孔

從圖3、圖4中可以看出：一區(qū)及二區(qū)的火焰探測器均通過火焰筒上設(shè)置的視線孔來監(jiān)測火焰。當(dāng)火焰筒或火焰探測器未能正確安裝，或火焰筒在運(yùn)行一段時間后出現(xiàn)火焰筒變形或結(jié)垢等缺陷時，可能會造成火焰探測器探測視線受阻，進(jìn)而出現(xiàn)火焰探測器探測不到火焰的情況。

火焰探測器鏡頭結(jié)露或積垢是導(dǎo)致其探測不到火焰的另一種常見原因。由于燃?xì)廨啓C(jī)在啟動過程中(尤其是熱態(tài)啟動時)，壓氣機(jī)排氣壓力和排氣溫度快速上升，導(dǎo)致空氣中的水蒸氣的密度也迅速增加，其露點(diǎn)溫度也隨之升高。高壓的濕空氣接觸到溫度較低的火焰探測器鏡頭時，空氣中的水蒸氣會凝結(jié)造成鏡頭表面結(jié)露，從而影響火焰探測器的探測精度，導(dǎo)致出現(xiàn)火焰閃爍或丟失的情況。同樣，在天然氣雜質(zhì)較多時，燃燒后產(chǎn)生的灰分雜質(zhì)會慢慢積累在火焰探測器鏡頭表面，造成鏡頭表面積垢，影響火焰探測器的探測精度。

針對上述兩種情況，在進(jìn)行新的DLN1.0燃燒系統(tǒng)改造中，配備了火焰探測器清吹管路。該管路從壓氣機(jī)排氣引出空氣，出口位于火焰探測器鏡頭處(見圖5)。在燃?xì)廨啓C(jī)啟動時，通過從壓氣機(jī)排氣引來的高溫空氣加熱火焰探測器鏡頭附近的空間，從而防止鏡頭表面結(jié)霧；另外在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過程中，此處始終有氣流吹過，從而防止了天然氣燃燒產(chǎn)生的灰分雜質(zhì)進(jìn)入火焰探測器污染鏡頭。

圖5　火焰探測器清吹管線

按照制造廠的設(shè)計，在安裝火焰探測器清吹管路時，需在火焰探測器和二級燃料噴嘴之間加裝隔離閥和三通接頭，如此就增加了火焰探測器鏡頭和火焰中心之間的距離，導(dǎo)致火焰探測視角減小，對火焰的監(jiān)測會造成一定影響。實(shí)際上，在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時，配備清吹管線后,測得的火焰強(qiáng)度值是比沒有配備的略低。

2.3 燃燒調(diào)整

為保證機(jī)組運(yùn)行時的火焰穩(wěn)定性和排放值，按照制造廠的要求，在燃燒系統(tǒng)經(jīng)過檢修、燃料熱值或成分大幅變化等情況下，需對機(jī)組進(jìn)行燃燒調(diào)整，調(diào)整相關(guān)燃燒模式下燃燒一級、二級間燃料分配的比例。

在擴(kuò)散模式下全部燃料供給一區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，火焰穩(wěn)定，不存在燃料分配問題。在另外三種模式下，二區(qū)已經(jīng)開始進(jìn)行預(yù)混燃燒，由于預(yù)混燃燒火焰穩(wěn)定范圍較窄，因此二級的燃料分配量對二區(qū)火焰強(qiáng)度存在明顯影響。在預(yù)混模式下，雖然燃料會全部進(jìn)入二區(qū)進(jìn)行預(yù)混燃燒，但二區(qū)火焰探測器視線正對二級燃料噴嘴出口處，因此其監(jiān)測的火焰強(qiáng)度主要來自于二級燃料燃燒火焰。實(shí)際上，通過增加二級燃料的燃料分配量可以較顯著提高二區(qū)火焰的穩(wěn)定性。

該2號機(jī)組曾在啟動過程中，從擴(kuò)散模式切換至貧-貧模式以后，在負(fù)荷較低時，出現(xiàn)燃燒二區(qū)火焰弱甚至點(diǎn)不著火的情況。故障出現(xiàn)時，一區(qū)火焰強(qiáng)度較穩(wěn)定(4個火焰探測強(qiáng)度均在50以上)，排氣溫度分散度也未出現(xiàn)明顯異常。隨著機(jī)組負(fù)荷增加，二區(qū)逐步開始出現(xiàn)火焰。針對該情況，提高二級燃料的分配量(由30%提高至32%)后，故障情況隨即消除[1]。

2.4 燃料的影響

按照制造廠的天然氣品質(zhì)的規(guī)范要求，DLN1.0燃燒系統(tǒng)中天然氣的華白指數(shù)(MWI)應(yīng)在40～54，且在機(jī)組運(yùn)行時變化范圍小于5%；而華白指數(shù)主要受天然氣熱值、成分和溫度影響[2]。

目前，該機(jī)組使用大鵬液化天然氣和西二線管輸天然氣，兩者組分不同，熱值也有明顯差異：高位熱值分別為40.09 MJ/m3和37.40 MJ/m3，大鵬液化天然氣的華白指數(shù)也較西二線管輸天然氣更高。在進(jìn)行DLN1.0燃燒系統(tǒng)改造后的燃燒調(diào)整中，分別在兩種燃料條件下進(jìn)行，得到的燃燒調(diào)整參數(shù)是一樣的。在后期運(yùn)行過程中，機(jī)組在基本負(fù)荷下燃用兩種燃料均能達(dá)到火焰穩(wěn)定和排放達(dá)標(biāo)的要求；但在機(jī)組啟動和停運(yùn)階段，兩種燃料對火焰穩(wěn)定的影響存在明顯差異。

燃燒西二線管輸天然氣時，在機(jī)組啟動階段擴(kuò)散模式下，特別是點(diǎn)火后一段時間，一區(qū)火焰易出現(xiàn)短暫大幅度波動甚至丟失；而燃燒大鵬液化天然氣時，則正常。針對該異?，F(xiàn)象，需要調(diào)整啟動階段FSR的控制，以提高機(jī)組在燃燒西二線管輸天然氣時火焰的穩(wěn)定性。

另外，在貧-貧模式和預(yù)混模式下，機(jī)組在燃燒西二線管輸天然氣時，同樣易出現(xiàn)二區(qū)火焰偏弱的情況。由于控制系統(tǒng)沒有引入燃料熱值反饋，故無法根據(jù)燃料熱值變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。針對該現(xiàn)象，需要對燃料配比進(jìn)行調(diào)整或人工修正。

2.5 天然氣控制閥

1號機(jī)組在DLN1.0改造完成后進(jìn)入正常運(yùn)行階段不久，曾出現(xiàn)在啟動過程進(jìn)入預(yù)混模式后(負(fù)荷在90 MW以上)，燃燒二區(qū)3個火焰探測器探測的火焰強(qiáng)度出現(xiàn)大幅波動，隨后波動較大的2個火焰探測器的火焰出現(xiàn)丟失情況，導(dǎo)致熄火跳機(jī)。在出現(xiàn)該故障后，對火焰探測器、燃料噴嘴等設(shè)備進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常，但天然氣小室內(nèi)的3個燃料控制閥的液壓油進(jìn)口濾器均出現(xiàn)壓差高指示，之后更換了控制閥液壓油進(jìn)口濾芯，并增加了啟動時預(yù)混模式下二區(qū)燃料的分配量，機(jī)組再次啟動，故障消除。

由于燃燒調(diào)整是通過各燃料控制閥(GCV1、GCV2、GCV3)的開度控制來實(shí)現(xiàn)的?？刂崎y的液壓油進(jìn)口濾芯壓差高，一方面說明進(jìn)入伺服閥的液壓油雜質(zhì)較多，會造成伺服閥閥芯磨損，另一方面由于高壓差導(dǎo)致液壓油對控制閥閥位的調(diào)整存在延時，這就造成了在啟動過程中，控制閥閥位的命令值與反饋值不符，實(shí)際的燃料分配量與設(shè)定值會存在偏差，造成機(jī)組熄火跳機(jī)。

因此，日常檢修中必須定期對控制閥及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查，以保證控制閥的安全可靠工作。

3　處理措施

由于影響火焰穩(wěn)定的因素很多，因此在出現(xiàn)火焰不穩(wěn)定或丟失的情況時，應(yīng)首先根據(jù)現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備狀態(tài)和關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)判斷火焰是否存在實(shí)際丟失。通常情況下，排氣溫度分散度和氮氧化物排放量是否出現(xiàn)異常波動可以較準(zhǔn)確地反映燃燒的實(shí)際情況。若排氣溫度分散度和氮氧化物排放量均異常波動，則很可能是火焰實(shí)際丟失；反之，若排氣溫度分散度和氮氧化物排放量均穩(wěn)定，則火焰實(shí)際穩(wěn)定，只是探測火焰存在故障。同時，可以根據(jù)現(xiàn)場情況對以下項(xiàng)目進(jìn)行檢查處理：

(1) 檢查點(diǎn)火器，確認(rèn)其已按規(guī)范正確安裝，點(diǎn)火器絕緣符合制造廠的規(guī)范要求。

(2) 檢查火焰探測器，確認(rèn)其探測通道內(nèi)無積水，探測器鏡頭無結(jié)露或積灰等異常情況，火焰探測器鏡頭已對準(zhǔn)視線孔。

(3) 對火焰筒進(jìn)行檢查，確認(rèn)其無積垢或變形等異常情況，以免造成火焰探測視線受阻。

(4) 對一級、二級燃料噴嘴進(jìn)行檢查，確認(rèn)其天然氣通道無堵塞，天然氣出口小孔無裂紋、變形或燒損等缺陷。

(5) 對天然氣速比閥和控制閥進(jìn)行檢查，確認(rèn)其動作無卡澀，閥門實(shí)際開度與反饋值一致，控制油濾芯清潔、伺服閥工作正常。

(6) 天然氣華白指數(shù)存在大幅變化時(燃料熱值、成分及溫度等因素)，應(yīng)及時對燃料分配量進(jìn)行調(diào)整。

(7) 大氣溫度或大氣濕度等外部環(huán)境大幅度變化時，應(yīng)及時對燃料分配量進(jìn)行調(diào)整。

(8) 啟動前是否進(jìn)行過離線水洗，造成天然氣管道內(nèi)存在積水或點(diǎn)火電極潮濕，致使點(diǎn)火失敗。

(9) 若判斷為探測火焰存在故障而實(shí)際火焰穩(wěn)定的情況下，為保證燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以對熄火判斷的門檻值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

火焰丟失可能是由一種或多種因素綜合造成，在處理時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，縮小排查范圍，采用設(shè)備檢查和燃燒調(diào)整的綜合方式對故障進(jìn)行處理。

4　結(jié)語

目前，火焰丟失是DLN1.0燃燒系統(tǒng)的一個較突出的問題，影響火焰穩(wěn)定性的因素只是火焰丟失的可能原因。通過運(yùn)行檢修經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，逐步提高火焰丟失問題的原因分析和故障處理能力，對于保證燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

[1] 柴志紅，劉志勇，萬洪軍，等. PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)DLN1.0燃燒調(diào)整技術(shù)分析[J]. 燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2015,28(3):53-61.

[2] GE Energy. Specification for fuel gases for combustion in heavy-duty gas turbines: GEI 41040i[S/OL].[2005-09-06]. http://wenku.baidu.com/link?url=kQCw8drdAR7TEFd pcQG8hk3RxwYXHTg27vjFEdZhObNGp4OF0oEphgo6Ml0 dg0ZLLA4Psm6NLLqrnuhVnwOxqV1-X5aQWIj26WeH4Of TINW.

Cause Analysis on Loss of Flame in a Dry-type Low-nitrogen Combustion System

Jiang Xiao

(Huizhou SEC Fengda Electric Power Co., Ltd., Huizhou 516025, Guangdong Province, China)

To solve the problem of instable flame and flame loss occurring in the dry-type low-nitrogen (DLN1.0) combustion system of a 9E gas turbine, an analysis was conducted on factors that may influence the flame from the aspect of design, installation, combustion adjustment and hardware fault, etc., based on key operation parameters on site, after which corresponding preventative and treatment measures were proposed. Operation results show that the failure of flame loss in 9E gas turbines can be effectively avoided by taking above countermeasures and the unit safety is thus guaranteed.

gas turbine; dry-type low-nitrogen combustion system; loss of flame; combustion adjustment

2015-12-02

江嘯(1984—)，男，工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)檢修技術(shù)管理工作。

E-mail: jiangxiao@sec.com.cn

TK477

A

1671-086X(2016)04-0265-04