干式低氮燃烧系统火焰丢失原因分析

江　啸

(惠州深能源丰达电力有限公司， 广东惠州 516025)



干式低氮燃烧系统火焰丢失原因分析

江啸

(惠州深能源丰达电力有限公司， 广东惠州 516025)

针对9E型燃气轮机干式低氮(DLN1.0)燃烧系统的火焰不稳定和丢失的问题，从设计安装、燃烧调整和硬件故障等方面对影响火焰的因素进行分析，并结合现场关键运行参数进行综合考虑;根据分析结果，制定具有针对性的预防和处理措施。运行结果表明：采取针对性的预防和处理措施后，可以有效防止9E型燃气轮机火焰丢失故障，确保机组的安全运行。

燃气轮机； 干式低氮； 火焰丢失； 燃烧调整

国内在役的9E型燃气轮机，由于原来配置的扩散燃烧系统难以达到国家规定的排放要求，因此都进行了干式低氮(DLN1.0)燃烧系统升级改造，采用预混燃烧方式实现氮氧化物的低排放。机组进行DLN1.0燃烧系统升级改造后，其燃烧系统在硬件及软件方面均进行了更换。在设备安装过程中，燃烧系统设备的安装情况，以及调试时燃烧调整的情况均对火焰的稳定性造成重要影响。总体来说，当燃气轮机出现火焰不稳定或火焰丢失，一般可分为两类情况：因点火器故障、燃料调整不当，或天然气控制阀故障等原因造成的火焰实际丢失，以及因火焰探测器故障或安装不当造成的探测不到火焰。笔者结合DLN1.0燃烧系统的特点和现场运行检修经验，分析影响火焰稳定性的因素。

1　DLN1.0燃烧系统

DLN1.0燃烧系统燃烧模式见图1。

图1　干式低氮燃烧系统燃烧模式

DLN1.0燃烧系统由14只干式低氮燃烧室组成。燃烧室中有燃烧一区和燃烧二区。从启动到基本负荷燃烧室依次按以下四种模式运行：(1)扩散模式。从点火至50%基本负荷阶段，燃料全部在燃烧一区燃烧，火焰为扩散燃烧火焰。(2)贫-贫模式。50%～80%基本负荷，70%燃料进入一区燃烧，30%燃料进入二区燃烧，火焰为扩散燃烧火焰和部分预混火焰。(3)过渡模式。该模式中进入一区的燃料量逐渐减少，二区燃料量逐渐增大，直至一区熄火，该过程一般持续20多秒，火焰为部分预混火焰。(4)预混模式。80%～100%基本负荷，81%燃料进入一区与空气进行预混，并随后进入二区燃烧，19%燃料直接进入二区燃烧，火焰为预混火焰。在四个不同模式下，天然气通过三个燃料控制阀(GCV1、GCV2和GCV3)对进入两个燃烧区的燃料量进行分配。

2　故障分析

导致DLN1.0燃烧系统出现火焰丢失的原因很多，一般可分为硬件原因、程序控制原因和燃料原因。DLN1.0燃烧系统并未配置进气加热系统(IBH)，故本文所提的工况均为无IBH条件下的数据。

2.1 点火器

1号机组在DLN1.0燃烧系统下运行到1 500 h时，在停机由预混模式(80%基本负荷)向贫-贫模式切换过程中，曾出现燃烧一区点不着火导致熄火跳机的情况，此时机组运行参数没有任何异常状况。对点火电缆、点火变压器进行检查及更换，对点火器进行冷态点火试验，对一级燃料喷嘴及燃烧室一区进行孔探检查，均未发现设备异常情况。

其后机组再次启动，并在停机前机组满负荷时对燃烧一区进行强制点火试验，点火未成功。之后手动降负荷，并调节进入一区和二区的燃料分配量，进行多次强制点火，均未成功。

由此认定点火器在热态情况下点不着火。对点火器进行绝缘测量，发现两个点火器绝缘电阻值均偏小，最低达到80 MΩ；更换点火器后，机组恢复正常。进一步检查发现，导致点火器绝缘下降的原因是：点火器安装位置不正，导致点火器与火焰筒上插入孔之间的间隙不均匀，机组运行时造成间隙较小的一侧发生刮磨，进而导致点火器绝缘下降。点火器点不着火的情况仅在机组停机阶段发生，在机组启动和冷态点火试验时，点火器均能正常工作，说明点火器的绝缘电阻在冷态与热态下存在明显差异。

另外，与老式伸缩式点火器不同，DLN1.0燃烧系统配备的点火器的点火电极位置是固定的，点火器的安装位置对燃气轮机启动时点火的成功率有很大影响。点火器插入火焰筒内深度太浅会导致机组启动时点不着火；插入火焰筒内深度太深会导致点火电极烧损，并可能在点火电极绝缘层上形成积碳，造成点火电极与其金属外套管导电，进而导致绝缘下降而点不着火。点火电极端面与火焰筒外壁的正确间距为8.89～10.41 mm(见图2)，由于火焰筒壁厚为2.5 mm，因此点火电极实际深入火焰筒内6.39～7.91 mm。

图2　点火器的安装

2.2 火焰探测器

DLN1.0燃烧系统共有8个火焰探测器，其中4个分别安装在1、2、3、14号燃烧室上，监测燃烧一区火焰，另外4个也分别安装在上述燃烧室上，监测燃烧二区火焰。一区火焰探测器安装在燃烧室外套上，其探测视线通过火焰筒上掺混空气孔来监测一区火焰(见图3)；二区火焰探测器安装在二级燃料喷嘴上，其探测视线通过火焰筒上二级旋流器二片叶片之间的开口来监测二区火焰情况(见图4，此二片叶片的间距较大)。

图3　一区火焰探测器探测视线

图4　二区火焰探测器探测视线孔

从图3、图4中可以看出：一区及二区的火焰探测器均通过火焰筒上设置的视线孔来监测火焰。当火焰筒或火焰探测器未能正确安装，或火焰筒在运行一段时间后出现火焰筒变形或结垢等缺陷时，可能会造成火焰探测器探测视线受阻，进而出现火焰探测器探测不到火焰的情况。

火焰探测器镜头结露或积垢是导致其探测不到火焰的另一种常见原因。由于燃气轮机在启动过程中(尤其是热态启动时)，压气机排气压力和排气温度快速上升，导致空气中的水蒸气的密度也迅速增加，其露点温度也随之升高。高压的湿空气接触到温度较低的火焰探测器镜头时，空气中的水蒸气会凝结造成镜头表面结露，从而影响火焰探测器的探测精度，导致出现火焰闪烁或丢失的情况。同样，在天然气杂质较多时，燃烧后产生的灰分杂质会慢慢积累在火焰探测器镜头表面，造成镜头表面积垢，影响火焰探测器的探测精度。

针对上述两种情况，在进行新的DLN1.0燃烧系统改造中，配备了火焰探测器清吹管路。该管路从压气机排气引出空气，出口位于火焰探测器镜头处(见图5)。在燃气轮机启动时，通过从压气机排气引来的高温空气加热火焰探测器镜头附近的空间，从而防止镜头表面结雾；另外在燃气轮机运行过程中，此处始终有气流吹过，从而防止了天然气燃烧产生的灰分杂质进入火焰探测器污染镜头。

图5　火焰探测器清吹管线

按照制造厂的设计，在安装火焰探测器清吹管路时，需在火焰探测器和二级燃料喷嘴之间加装隔离阀和三通接头，如此就增加了火焰探测器镜头和火焰中心之间的距离，导致火焰探测视角减小，对火焰的监测会造成一定影响。实际上，在燃气轮机运行时，配备清吹管线后,测得的火焰强度值是比没有配备的略低。

2.3 燃烧调整

为保证机组运行时的火焰稳定性和排放值，按照制造厂的要求，在燃烧系统经过检修、燃料热值或成分大幅变化等情况下，需对机组进行燃烧调整，调整相关燃烧模式下燃烧一级、二级间燃料分配的比例。

在扩散模式下全部燃料供给一区进行扩散燃烧，火焰稳定，不存在燃料分配问题。在另外三种模式下，二区已经开始进行预混燃烧，由于预混燃烧火焰稳定范围较窄，因此二级的燃料分配量对二区火焰强度存在明显影响。在预混模式下，虽然燃料会全部进入二区进行预混燃烧，但二区火焰探测器视线正对二级燃料喷嘴出口处，因此其监测的火焰强度主要来自于二级燃料燃烧火焰。实际上，通过增加二级燃料的燃料分配量可以较显著提高二区火焰的稳定性。

该2号机组曾在启动过程中，从扩散模式切换至贫-贫模式以后，在负荷较低时，出现燃烧二区火焰弱甚至点不着火的情况。故障出现时，一区火焰强度较稳定(4个火焰探测强度均在50以上)，排气温度分散度也未出现明显异常。随着机组负荷增加，二区逐步开始出现火焰。针对该情况，提高二级燃料的分配量(由30%提高至32%)后，故障情况随即消除[1]。

2.4 燃料的影响

按照制造厂的天然气品质的规范要求，DLN1.0燃烧系统中天然气的华白指数(MWI)应在40～54，且在机组运行时变化范围小于5%；而华白指数主要受天然气热值、成分和温度影响[2]。

目前，该机组使用大鹏液化天然气和西二线管输天然气，两者组分不同，热值也有明显差异：高位热值分别为40.09 MJ/m3和37.40 MJ/m3，大鹏液化天然气的华白指数也较西二线管输天然气更高。在进行DLN1.0燃烧系统改造后的燃烧调整中，分别在两种燃料条件下进行，得到的燃烧调整参数是一样的。在后期运行过程中，机组在基本负荷下燃用两种燃料均能达到火焰稳定和排放达标的要求；但在机组启动和停运阶段，两种燃料对火焰稳定的影响存在明显差异。

燃烧西二线管输天然气时，在机组启动阶段扩散模式下，特别是点火后一段时间，一区火焰易出现短暂大幅度波动甚至丢失；而燃烧大鹏液化天然气时，则正常。针对该异常现象，需要调整启动阶段FSR的控制，以提高机组在燃烧西二线管输天然气时火焰的稳定性。

另外，在贫-贫模式和预混模式下，机组在燃烧西二线管输天然气时，同样易出现二区火焰偏弱的情况。由于控制系统没有引入燃料热值反馈，故无法根据燃料热值变化进行动态调节。针对该现象，需要对燃料配比进行调整或人工修正。

2.5 天然气控制阀

1号机组在DLN1.0改造完成后进入正常运行阶段不久，曾出现在启动过程进入预混模式后(负荷在90 MW以上)，燃烧二区3个火焰探测器探测的火焰强度出现大幅波动，随后波动较大的2个火焰探测器的火焰出现丢失情况，导致熄火跳机。在出现该故障后，对火焰探测器、燃料喷嘴等设备进行检查，均未发现异常，但天然气小室内的3个燃料控制阀的液压油进口滤器均出现压差高指示，之后更换了控制阀液压油进口滤芯，并增加了启动时预混模式下二区燃料的分配量，机组再次启动，故障消除。

由于燃烧调整是通过各燃料控制阀(GCV1、GCV2、GCV3)的开度控制来实现的。控制阀的液压油进口滤芯压差高，一方面说明进入伺服阀的液压油杂质较多，会造成伺服阀阀芯磨损，另一方面由于高压差导致液压油对控制阀阀位的调整存在延时，这就造成了在启动过程中，控制阀阀位的命令值与反馈值不符，实际的燃料分配量与设定值会存在偏差，造成机组熄火跳机。

因此，日常检修中必须定期对控制阀及其相关设备进行检查，以保证控制阀的安全可靠工作。

3　处理措施

由于影响火焰稳定的因素很多，因此在出现火焰不稳定或丢失的情况时，应首先根据现场相关设备状态和关键运行参数判断火焰是否存在实际丢失。通常情况下，排气温度分散度和氮氧化物排放量是否出现异常波动可以较准确地反映燃烧的实际情况。若排气温度分散度和氮氧化物排放量均异常波动，则很可能是火焰实际丢失；反之，若排气温度分散度和氮氧化物排放量均稳定，则火焰实际稳定，只是探测火焰存在故障。同时，可以根据现场情况对以下项目进行检查处理：

(1) 检查点火器，确认其已按规范正确安装，点火器绝缘符合制造厂的规范要求。

(2) 检查火焰探测器，确认其探测通道内无积水，探测器镜头无结露或积灰等异常情况，火焰探测器镜头已对准视线孔。

(3) 对火焰筒进行检查，确认其无积垢或变形等异常情况，以免造成火焰探测视线受阻。

(4) 对一级、二级燃料喷嘴进行检查，确认其天然气通道无堵塞，天然气出口小孔无裂纹、变形或烧损等缺陷。

(5) 对天然气速比阀和控制阀进行检查，确认其动作无卡涩，阀门实际开度与反馈值一致，控制油滤芯清洁、伺服阀工作正常。

(6) 天然气华白指数存在大幅变化时(燃料热值、成分及温度等因素)，应及时对燃料分配量进行调整。

(7) 大气温度或大气湿度等外部环境大幅度变化时，应及时对燃料分配量进行调整。

(8) 启动前是否进行过离线水洗，造成天然气管道内存在积水或点火电极潮湿，致使点火失败。

(9) 若判断为探测火焰存在故障而实际火焰稳定的情况下，为保证燃气轮机的安全稳定运行，可以对熄火判断的门槛值进行适当调整。

火焰丢失可能是由一种或多种因素综合造成，在处理时应根据现场实际情况，缩小排查范围，采用设备检查和燃烧调整的综合方式对故障进行处理。

4　结语

目前，火焰丢失是DLN1.0燃烧系统的一个较突出的问题，影响火焰稳定性的因素只是火焰丢失的可能原因。通过运行检修经验的不断积累，逐步提高火焰丢失问题的原因分析和故障处理能力，对于保证燃气轮机的安全稳定运行具有重要意义。

[1] 柴志红，刘志勇，万洪军，等. PG9171E型燃气轮机DLN1.0燃烧调整技术分析[J]. 燃气轮机技术，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

江啸(1984—)，男，工程师，主要从事燃气轮机检修技术管理工作。

E-mail: jiangxiao@sec.com.cn

TK477

A

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