［摘 要］輕型工業(yè)燃氣輪機作為一種功率密度大、反應速度快、可靠性高、體積小、自重輕的發(fā)動機，在各種工業(yè)領域都有廣泛使用。燃氣輪機通常有單燃料模式和雙燃料模式，在油田開采等領域，多采用油田的伴生天然氣作為燃料，以降低燃料成本。如果燃氣輪機燃燒不充分、不均勻，常會出現(xiàn)T5 溫度與T5 平均溫度差值過大，此時機組有關停危險，嚴重影響了機組的安全運行和油田電力的穩(wěn)定供應。文章針對典型輕型工業(yè)燃氣輪機燃燒不均勻情況，通過總結實踐情況與舉一反三擴展分析的方式，進行原理分析、原因探討及措施研究，介紹典型的實用處理技術，旨在為此類輕型燃氣輪機燃燒不均勻情況的應對提供實踐經(jīng)驗。

［關鍵詞］燃氣輪機；燃燒；不均勻；燃料氣

［中圖分類號］TM314 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0069–03

在海上油氣田開采過程中，燃氣輪機發(fā)電機組通常用于海上油氣田的電力供應。海上油氣田常會產(chǎn)生大量伴生天然氣，經(jīng)過凈化和加壓處理后可直接用于燃氣輪機燃燒，所以油氣田使用的工業(yè)燃氣輪機多為雙燃料發(fā)電機組，可使用柴油和天然氣2 種燃料。但是油田伴生天然氣會隨采油量的波動、地層情況變化等發(fā)生壓力、流量及組分的變化，所以機組在使用天然氣作為燃料運行時，隨著使用時間的加長，常會出現(xiàn)不同程度的燃燒不均勻情況，嚴重時甚至會造成機組停車或機組熱部件損壞，影響機組的安全運行和油田電力的穩(wěn)定供應。

1 燃氣輪機結構

燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室及燃氣渦輪（即透平）發(fā)動機3 大部件組成。燃氣輪機在結構設計上分成單軸、分軸、套軸、三軸等軸系結構。燃氣輪機在發(fā)展過程中分為輕型結構和重型結構，輕型結構又分為航機改型和工業(yè)型。

以Taurus 70 型輕型工業(yè)燃氣輪機作為分析對象，其是一臺軸流式簡單循環(huán)、單軸布置的輕型工業(yè)燃氣輪機，整臺燃氣輪機由下列部件所組成。

（1）壓氣機。壓氣機從外部吸入空氣并將其壓縮，提高空氣的壓力和密度. 其有14 級葉片，在其進氣導流葉片和前4 級靜定子葉片上安裝有可變幾何形狀的控制機構。

（2）燃燒室。燃燒室通常由外殼、火焰管、火焰穩(wěn)定器、燃料噴嘴、點火設備及觀察孔等組成。燃燒室按布置方式可分為分管型、環(huán)形、環(huán)管型、管頭環(huán)形、雙環(huán)腔型及圓筒形等。按氣流通過燃燒室的流程可分為直流式、回流式、角流式及旋風式等。本機型采用的燃燒室是環(huán)形、直流式燃燒室，環(huán)形空間中旋流器和噴油嘴排成一圈。本機型采用的燃氣渦輪發(fā)動機為雙燃料發(fā)動機，可以使用柴油和天然氣作燃料，環(huán)繞燃燒室的周圍安裝有12 個雙燃料噴嘴。

（3）燃氣渦輪。本機型由3級葉片的燃氣渦輪組成，包括3 級動葉片和3 級靜葉片總成。

（4）輸出軸。燃氣渦輪與燃氣輪機的輸出軸相連，將機械能轉化為軸功率輸出。

（5）進氣管路。其帶有柔性連接法蘭的空氣進氣集管。

（6）排放系統(tǒng)。其包括尾氣消音裝置與排放管道等。

（7）減速齒輪箱。其帶有輔助驅動法蘭的高速行星式減速齒輪箱。

以上這些部件之間采用法蘭進行精確對中，再用強力螺栓連接在一起，形成剛性很強的組合體，依次安裝在用重型鋼結構焊接而成的底座上，形成撬裝結構，底座再與使用場地采用三點支撐的方式連接，最大限度減少振動的傳遞。

2 燃氣輪機工作原理

燃氣輪機是一種通過燃燒燃料產(chǎn)生高溫氣流，推動燃氣輪機的旋轉葉片連續(xù)旋轉做功，最終將燃料的熱能轉變?yōu)樾D機械能的高速旋轉熱機。

以Taurus 70 型輕型工業(yè)燃氣輪機為例，外界的空氣被抽吸進入燃氣輪機的空氣入口，由14 級軸流式的壓氣機進行壓縮，被壓縮的空氣以連續(xù)流的形式直接進入燃氣室內(nèi)，同時燃料（油或氣）也被噴入環(huán)形燃燒室。從燃燒室出來的高溫、高壓氣流推動3 級動力渦輪葉片高速旋轉，實現(xiàn)熱能到機械能的轉換。

3 燃氣輪機常用燃料——天然氣的處理流程

海上油田通常用油田的伴生天然氣經(jīng)過簡單處理來進行發(fā)電，處理流程為：①經(jīng)過分離器分離出來伴生天然氣；②通過燃氣冷卻器進行冷卻；③進入燃氣壓縮機進口分液罐。部分伴生天然氣作為低壓燃料氣供給惰氣系統(tǒng)和鍋爐等低壓燃料氣用戶，其余大部分經(jīng)過壓縮機撬，進行二級壓縮冷卻分離后壓力升到2.6 MPa 輸送到出口分液罐，緩沖分液后進入過濾分離器進行雜質和液體的進一步分離，再經(jīng)過加熱器加熱到55° 左右，穩(wěn)壓后輸送到燃氣輪機進行燃燒發(fā)電。

4 燃氣輪機燃燒不均勻典型表現(xiàn)

（1）燃料不完全燃燒。在燃氣輪機中，如果燃料沒有完全燃燒，會導致排氣中的碳氫化合物含量增加，這不僅會影響排放，還會降低燃料效率。

（2）火焰不穩(wěn)定或熄火。如果燃燒室中的火焰不穩(wěn)定或熄火，可能是由燃料供應問題、空氣流量問題或控制系統(tǒng)故障等原因引起。這不僅會影響燃燒效率，還可能對燃氣輪機的壽命產(chǎn)生負面影響。

（3）排氣冒黑煙。如果燃氣輪機排氣冒黑煙，說明燃料沒有完全燃燒，這會導致排放增加和燃料效率降低。

（4）排氣溫度異常。如果燃氣輪機的排氣溫度異常，可能是由燃燒不充分或燃燒室設計問題等原因引起的。這會影響燃氣輪機的效率，并可能對機組壽命產(chǎn)生負面影響。

（5）振動和噪聲異常。如果燃氣輪機在運行過程中出現(xiàn)振動和噪聲，可能是由燃燒不充分、氣流不穩(wěn)定或機械故障等原因引起的。這不僅會影響機組的正常運行，還可能對機組壽命產(chǎn)生負面影響。

以上燃氣輪機燃燒不均勻的表現(xiàn)，在實踐中可能單個出現(xiàn)，也可能多個問題同時出現(xiàn)。為了確保燃氣輪機的正常運行和效率，需要定期進行檢查和維護，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

通常情況下，機組在運行過程中如果出現(xiàn)燃燒不均勻，會先反應為T5 溫度（反映燃燒是否均勻的參數(shù)）分布不均勻，這是判斷燃燒不充分的最常用方式。

5 燃氣輪機燃燒不均勻原因

（1）燃料供給系統(tǒng)問題。如果燃料供給系統(tǒng)存在問題，如噴嘴堵塞或流量分配器故障，可能會導致偏離設計燃燒工況，破壞原有火焰燃燒環(huán)流狀態(tài)，造成燃燒不充分，引起燃燒溫度分布不均勻。

（2）空氣供應系統(tǒng)問題。燃氣輪機需要足夠的空氣才能實現(xiàn)完全燃燒，如果空氣流量不足，可能會導致燃燒不充分。

（3）燃燒部件的問題。燃燒部件的工況是否良好，對燃燒溫度場的均勻性有直接影響。如果燃燒部件出現(xiàn)貫通性裂紋或破損，可能會導致壓縮空氣流場分布被破壞，從而引起相應火焰不穩(wěn)定，造成燃氣輪機的進氣溫度異常和排氣分散度變大。

（4）燃料組分與設計不匹配。如果燃料組分發(fā)生變化，容易與燃燒室設計不匹配，可能會導致燃料與空氣混合不均勻，從而導致燃燒不充分。

（5）控制系統(tǒng)問題。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會導致燃料調(diào)節(jié)異常，引起燃燒不充分。另外如果控制系統(tǒng)的T5 溫度探頭故障，也會導致燃燒溫度檢測不準確，引起溫度參數(shù)錯誤或控制不穩(wěn)。

（6）其他維護問題。燃氣輪機需要定期進行維護和保養(yǎng)，如果長時間沒有進行維護，導致葉片污垢堆積，影響壓實氣流的正常流通，導致8bfe99875cb627dedf248a998e066ed4659e0a9bbdeeafea0ac3811d2219d311燃氣輪機工況偏移，可能會導致燃燒不充分。

6 燃氣輪機燃燒不均勻處理措施

（1）檢查工作前注意能源隔離鎖定。對機組啟動馬達進行斷電隔離，并隔離燃氣進口閥，對燃氣進行泄壓。

（2）檢查控制系統(tǒng)的硬件和軟件，確保其正常工作。檢查控制系統(tǒng)的相關控制模塊有無報警，控制系統(tǒng)有無顯示異常；對T5 溫度熱電偶探頭進行校驗，排除因為T5 探頭故障導致的溫度測量錯誤情況。

（3）檢查燃料供給系統(tǒng)，確保燃料能夠正確、均勻地分配到燃燒室中。

（4）對燃料氣進行化驗，確保氣態(tài)組份均符合要求，但氣體中含有液態(tài)和固態(tài)成分還需要進一步檢測。（5）檢查燃燒室的設計，確保燃料與空氣能夠充分混合。

（6）定期對燃氣輪機進行維護和保養(yǎng)，確保其正常運行。具體如下：①對天然氣管線進行拆卸清洗，確認管線是否堵塞。②對燃料控制閥進行檢查清洗，確認是否結垢堵塞。③對燃氣輪機天然氣過濾器進行拆卸檢查，檢查濾芯情況，更換臟濾芯。④檢查燃氣輪機噴嘴，對12 個噴嘴進行拆卸檢查，確認噴嘴是否堵塞和積碳。如果檢查發(fā)現(xiàn)噴嘴大范圍堵塞嚴重，并有積碳現(xiàn)象。清洗噴嘴，對堵塞的噴嘴用柴油浸泡，并用超聲波清洗機進行清洗，并對有變形的噴嘴進行更換。

如果清洗噴嘴后還反復出現(xiàn)堵塞和燒壞情況，可以基本判斷是燃料氣供應出現(xiàn)了問題，則需要采取以下措施進行分析排查。①排查燃氣問題的同時，加強燃氣輪機監(jiān)控，對問題機組提前進行切換，并加緊對噴嘴的清洗更換，并在需要的情況下將機組轉油運行。②加快對整個燃料氣處理系統(tǒng)的排查，對燃氣壓縮機運行工況、燃氣冷卻器、燃料氣過濾器等狀態(tài)進行全面排查。③對近期有變動的油氣生產(chǎn)井進行排查。④對垢樣進行化驗分析，經(jīng)過全巖X 衍射分析、CHN元素分析、顯微分析等技術分析垢樣。⑤排查天然氣處理系統(tǒng)。如果燃燒的天然氣不干凈，基本可確定是天然氣在處理過程中未得到有效凈化，堵塞了機組的噴嘴。若拆燃氣過濾器檢查發(fā)現(xiàn)過濾器內(nèi)的濾芯無異常，再拆燃氣壓縮機二級出口海水冷卻器，檢查發(fā)現(xiàn)冷卻管是否堵塞，堵塞會導致冷卻效果大幅下降。

除了已經(jīng)清洗過的噴嘴外，后期還要對燃氣輪機燃氣管線、閥門、葉片進行全面檢查，以徹底排除此次結垢對機組的影響。同時，制訂并實施燃氣壓縮機運行監(jiān)控措施，杜絕類似事件的再次發(fā)生。此外，協(xié)調(diào)力量加強燃料處理系統(tǒng)的運行維保，并日常監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)燃料是否存在污染等情況。

7 結束語

輕型工業(yè)燃氣輪機在海上采油平臺等特殊環(huán)境中運行，會經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的燃料供應問題，尤其是當?shù)貙赢a(chǎn)出的天然氣成份變化時。含有雜質的燃料氣進入燃氣輪機燃燒部件進行高溫燃燒時，碳粉、高碳化合物或膠質類物質無法充分燃燒，會在噴嘴等狹小流通區(qū)域產(chǎn)生結垢，造成燃料無法均勻供應，產(chǎn)生燃燒不均勻現(xiàn)象，嚴重時將會導致停產(chǎn)甚至機組損壞。

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