MS9001FA燃气轮机排气分散度异常增大分析处理

MS9001FA燃气轮机排气分散度异常增大分析处理

周建，孙明峰，李晓柯，范文将

（华能金陵燃机热电有限公司，江苏南京 210034）

摘要：本文介绍了MS9001FA型燃气轮机排气温度分散度的概念、分散度大遮断的判据；分析了机组分散度异常燃烧器损坏的原因，并介绍了一起燃气轮机排气分散度大的案例，指出运行中对排气温度分散度监视的重要性。

关键词：燃气轮机；排气温度分散度；燃烧监视；燃烧脉动

0 引言

华能金陵燃机热电有限公司一期工程安装2台燃气-蒸汽联合循环机组，它由MS9001FA型燃气轮机、D10 型三压、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、冲动式无抽汽纯凝式汽轮机，390H型全氢冷发电机和武汉锅炉股份有限公司制造三压、一次中间再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉组成。燃气轮机、蒸汽轮机和发电机刚性地串联在一根长轴上，燃气轮机采用冷端输出功率，轴配置形式为：GT—ST—GEN（燃气轮机—汽轮机—发电机），转速3000 r/min，从发电机方向看轴逆时针方向转动。

S109FA联合循环机组在ISO工况下可输出功率395.48MW，其中燃气轮机功率为255.6 MW，压气机压比为15.4，18个干式低NO x分管燃烧室。在满负荷工况下燃气轮机排气温度可达605.5℃，而透平入口燃气初温T*3可达1327℃，燃气轮机的热部件在如此高的温度下运行，对这些高温部件难以进行实时监测，Mark VI控制系统只能通过测量透平排气温度的间接监测方法来判断高温

部件的工作是否有异常。基于此GE引入了排气温度分散度作为判断燃烧是否异常的依据。当燃烧部件、热通道出现异常以及燃烧不正常时将导致排气温度流场严重不均匀，排气分散度大，因此运行中时刻需要对排气温度分散度进行监视。

1 MS9001FA燃气轮机排气分散度介绍

为了准确地测量燃机透平排气温度场，MS9001FA 燃气轮机在透平排气通道中周向均匀布置了31个排气测温热电偶，如图1所示。热电偶所测的排气温度数据在理想情况下应完全相等，但实际上各热电偶的读数总是有所差别。因此，有必要制定一个合理的标准，确定机组在正常情况下各热电偶测量所允许的分散度，一旦超出这个规定值，就认为机组或测温仪器不正常。

分散度的定义如下：Sallow代表排气温度的允许分散度，它是透平出口的平均排气温度、压气机出口温度的函数。MARK Ⅵ保护系统用压气机的出口温度来表征机组工况变化时的排气温度变化。S1表示分散度为热电偶的最高读数与最低读数之差；S2表示分散度为热电偶的最高读数与倒数第2低读数之差；S3表示分散度为热电偶的最高读数与倒数第3低读数之差。

图1：排气热电偶布置示意图

1.1 排气热电偶故障和燃烧故障报警

如果热电偶测量的最大排气温度的分

散度和允许的分散度之比S1/Sallow的数值超过了常数K1（K1=1），说明燃烧不正常，则产生燃烧失常报警。当S1/Sallow＞K2

（K2=5），认定是热电偶出现故障而使测量失常，则发出热电偶故障报警。

1.2 排气温度分散度过高而遮断

燃烧不正常致使排气温度分散度过高时，为保护主设备，需遮断机组，共分4种情况。

1.2.1 第1 种条件遮断

第1 种条件遮断需满足如下3 个条件：（1）K1＜S1/Sallow＜K2，热电偶工作正常，所测量到的排气温度分散度超过了允许值，产生燃烧失常报警。

（2） S2/Sallow＞K3（K3=0.8）。

（3）指示排气温度最低和倒数第2低排气温度的2个测点，在排气通道上的安装位置是相邻。

当只满足条件（1）和（2），同时最低和倒数第2低排气温度的2个测点不相邻，只报警不遮断。但是当以上3个条件同时成立时，机组立即遮断停机。第1种条件遮断主要出于下述考虑。沿排气通道布置31个测点来监测排气温度的分散度和均匀度，若测量到的排气温度最低点和倒数第2低点是相邻的，并且分散度S1和S2又都超过了所允许的值，即说明在此区域内排气温度异常（排气温度低于正常值）或说明此区域是排气温度温度场的一个低温区，且超过了允许的情况。可能是某个燃烧组件出了问题或过渡段破损

造成排气温度的不均匀，应立即遮断停机查找事故原因。

1.2.2 第2 种条件遮断

第2 种条件遮断也需满足如下3 个条件：（1） S1/Sallow＞K2（K2=5），热电偶故障报警。

（2） S2/Sallow＞K3（K3=0.8）。

（3）指示排气温度倒数第2低和倒数第3低的测点是相邻的。

由条件（1）知，有1个排气温度测点出现了故障，其测量值不可信。由条件（2）可知，指示排气温度倒数第2低的测点所形成的分散度S2已经超过正常允许的数值，表明此测点所在位置是个不正常的低温区，而条件（3）又指出倒数第3低排气温度测点的位置和倒数第2低排气温度测点相邻，更进一步证实了倒数第2低测点在排气通道中所在位置的区域确实是个不正常的低温区域，考虑到已经有1个测点故障，为安全起见，应遮断停机。

1.2.3 报警或遮断

当S3/Sallow＞K4（K4≈0.75）时，认定燃烧不正常，使机组主保护系统动作而遮断停机。

1.2.4 遮断停机

当S1/Sallow＞K1，而且数据通讯故障，也将使机组主保护动作而遮断停机。MARK Ⅵ燃烧监测保护是燃机运行监测的一项重

要内容，必须十分重视排气温度分散度的变化或报警，它总是预示着燃烧系统的故障。当出现排气温度分散度的变化或报警时，需查明原因，在未消除故障前不能再开机。

2 异常案例分析

1、分散度变化经过

某厂2号燃机2014年3月机组运行中第

一分散度逐步由28℃上升并维持在35-38℃（允许分散度Sallow为90℃，第一分散度未到报警值），运行人员加强对分散度的监控，并将数据发送GE公司进行分析，GE公司当时反馈为部分排气温度测点需检查并加强监视。安排在停机备用时检查相关温度测点未发现问题。2014年4月8日，2号机组调峰启动后第一分散度逐步上升，最高达到60℃（允许分散度Sallow为95℃，第一分散度未到报警值）。由于GE 燃烧监测保护存在着明显的“事后”监测问题。当MS9001FA燃机本身的燃烧监测发出“燃烧故障”报警时，燃机的燃烧系统已经损坏的比较严重，由于燃机排气分散度出现大幅变化，为了避免设备损坏，当日向电网调度申请临时停机检查。

2、分散度大分析

2014年4月8日2号机组基本负385.3MW，IGV开启角度86°，平均排气温度613℃，排气热电偶最高温度处于21号测点，温度634℃。排气热电偶最高温度处于14号测点，

温度583℃。排气热电偶各点温度值见表一，

排气热电偶偏差玫瑰图见图2。

表一：排气热电偶各点数值

根据稳定负荷下排气热电偶旋转一定角度与燃烧通道对应的关系，结合近些年来成功处理事故的实践经验，总结以下计算偏转角度的经验公式，仅供参考：

956

3118-+?=

W

N p 式中：P 为燃烧通道位置，N 为异常热电偶的位置，W 为机组负荷，

本公式适用于在稳定负荷下取样异常热电

偶的位置，同时考虑到计算公式可能存在误差，应将公式计算到的燃烧通道位置往前后各延伸一个位置，这样可以相对全面的对故障点排查。通过计算分析认为需要对1号、4号、5号、6号、7号、16号、17号、18号燃烧器进行检查。

图2：排气热电偶玫瑰图

3 现场检查、处理情况

2号燃机停机后电厂技术人员会同GE 公司专家进行2号燃机燃烧器孔窥检查。孔窥检查发现燃烧器有多处损坏，1号火焰筒涂层脱落，过渡段出现裂纹；3号燃烧器点火器端部烧损，端盖支撑断裂；5号过渡段外壳体断裂；6号过渡段出口侧内部密封条断裂；7号过渡段外壳体断裂；13号过渡段外壳体断裂；14号过渡段鱼口处磨损严重，壳

体出现裂纹；17号火焰筒出现裂纹。浮动密封环均出现磨损，最大处4mm 。1号-18号燃烧器弹性密封垫片均出现不同程度的磨损，燃烧器有涂层部分脱落；裂纹；局部断裂的现象，最严重的是12号燃烧器，已无法再次使用。此次检修工作更换的主要部件有过渡段（18只），火焰筒（18只），羊角架（10只），浮动密封环（10只）。排污管（一根）。

设备损坏情况见图3、4、5、6。

图3：1号火焰筒裂纹

图4：5号过渡段外壳体断裂

图5：6号过渡段出口侧内部密封条断裂

图6：3号燃烧器点火器端部烧损

4 DLN2.0+燃烧器损坏原因分析

燃机的燃烧器、火焰筒、过渡段是高温部件，机组检修后运行一个检修周期（8000小时），均会出现涂层脱落、筒体产生裂纹、密封件磨损、支撑结构件断裂等现象，造成机组分散度大。但此次2号机组检修后仅运行3747小时即出现燃烧器损坏问题，说明机组运行过程中出现了燃烧不稳定现象，部份负荷下燃烧超温，且出现燃烧脉动，造成燃烧部件振动大而损坏。

为了进一步证实设备损坏原因，2014年7月30日2号机组检修后GE公司技术人员利用实时燃烧动态压力监测装置（CDM）对燃机启动全过程进行监视和分析，结论为此次故障是由于燃烧脉动高（由于不稳定的热扩散和燃烧器本身特性造成的燃烧系统内的压力波动高）造成，现场部件损坏类型与其它现场由于燃烧脉动高造成的部件损坏情况高度一致。对于DLN2.0+燃烧系统，可能造成燃烧脉动原因如下：

(1)燃料气体成分变化大。如果气体成分变化大，修正的韦伯指数超过2.5%，则机组燃烧需要重新调整以避免燃烧脉动高。

(2)环境温度的变化大导致 DLN 燃烧调整问题。该机组自2013年小修到故障检修前，共进行了三次DLN 燃烧调整，分别在2013年3月9日，2013年6月17和2014年 3月22日。其中3月份为全部负荷点优化调整，6月份和2014年3月份为部分负荷点优化调整。因环境温度的改变，在优化调整中没有调整的负荷点，修正的韦伯指数超限

2.5%,可能会引起燃烧脉动高。

(3)天然气气温度超出规范要求。根据现场试验发现2号燃机燃机负荷145MW，燃机ASV 阀前温度145℃，燃烧室低频脉动压力到达36.7kpa（GE要求34.5kpa以内），由于2号炉中压省煤器出水温度偏低，导致燃机性能加热器出口天然气温度未能达到设计值185℃。如果机组在燃料气体温度165℃下运行，则修正的韦伯指数可能超过5%。这将严重导致燃烧脉动高。

(4)燃机燃烧模式切换造成修正的韦伯指数可能超过5%，使燃烧脉动升高。燃机燃烧模式切换点依据TTRF1值，在切换时的修正的韦伯指数必须满足GE公司规定值，特别是由PPM切至PM模式，否则将严重导致燃烧脉动高。

（5）此批燃烧部件是经过第二次返修后的备件，即已运行16000小时以上。有GE公司返修质量不高的因素。

5 防范措施

1、加强对天然气成分的监视，当燃料成分发生较大变化时，及时联系GE技术人员对燃机作燃烧调整，避免天然气成分变化造成燃烧脉动压力大，损坏设备。

2、机组日常运行中，加强对燃机排气分散度、NO X排放的监视，当出现明显变化时及时分析原因。

3、当环境温度变化较大时，及时联系GE技术人员做燃烧调整，避免由于环境温度变化大，造成燃烧脉动高，建议夏季、冬季工况应分别做燃烧调整。

4、机组启动过程中，尽快提高性能加热器出口天然气的温度，当机组负荷140MW以上时，尽快将燃机ASV阀前天然气温度提高至165℃以上。避免天然气温度低导致机组燃烧脉动压力大。

6 结束语

由于GE 燃烧监测保护存在着明显的“事后”监测问题。当MS9001FA 燃机本身的燃烧监测发出“燃烧故障”报警时，燃机的燃烧系统已经损坏的比较严重，所以，在平时运行时要重点监视MARK VI “GT Exhaust”页面，并对平均排气温度、排气分散度的内容要多分析和检查。运行中，如果排气分散度出现阶跃，或存在燃烧低温区，并随着负荷增减而有规律地偏转时，应果断停机检查。找出故障原因所在，及时消除事故隐患，避免故障扩大。目前华能金陵燃机热电有限公司与GE公司成立了技术数据服务中心，建议购买CDM模块，以便实时监测燃烧脉动压力。

参考文献:

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[3] 陈褔湘，等大型燃气-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.

作者简介：

周建（1982--），男，江苏盐城人，华能金陵燃机热电有限公司运行值长，从事燃气轮机运行管理工作。Email：zj20057010@https://www.wendangku.net/doc/0c9320820.html,联系电话：139********

孙明峰（1985--），男，山东滨州人，华能金陵燃机热电有限公司运行主值，从事燃气轮机运行工作。

李晓柯（1986--）男，安徽宿州人，华能金陵燃机热电有限公司运行主值，从事燃气轮机运行工作。范文将（1991--）男，江苏淮安人，华能金陵燃机热电有限公司运行副值，从事燃气轮机运行工作。