浅析西门子E级燃机分散度

王 辉

（江苏华电仪征热电有限公司，江苏扬州211400）

0 引言

燃气轮机主要由三大主机组成：压气机、燃烧室、透平。压气机用于对进气增压；燃烧室是通过对压气机的压缩空气燃烧加热，增加工质的做功能力，增加比容（等压、增容）；透平是通过膨胀做功，将燃气的热能转变为对燃机大轴转动的机械能。旋转的压气机就像一把风扇，将进气加压、驱动之后进入燃烧系统；流体工质在燃烧室中被燃烧加热；透平则可看成是一个风车，借助加热的流体（燃气）驱动旋转来带动压气机，并通过旋转轴将多余的功输出（带动发电机）。

（1）压气机：轴流式，带一级进口可转导叶（IGV），每一组动叶和其后的一组静叶组成压气机的一个级。IGV的作用：在启、停机过程中，低转速时，控制进气角度（降低进气功角，功角过大，易引起叶背面进气气流旋转脱离，压气机喘振），防止压气机喘振。用在部分燃机负荷带联合循环中，通过关小IGV角度，减小进气流量，提高燃机排气温度，从而提高整体联合循环的热效率。

（2）燃烧室（加热系统）：燃烧室的作用是为压气机压缩后的高温高压空气提供一个稳定燃烧的场所，燃烧后，增加工质的焓，提高工质的做功能力。

（3）透平：轴流式，每一组喷嘴（NOZZLE)及其后的一组动叶（BUCKET)组成透平的一个级。在喷嘴中主要完成工质的膨胀过程（热能向动能的转换过程），温度降低，压力降低，流速增加，完成焓降的过程，工质的动能增加；在透平动叶中，主要完成由动能向机械能的转换过程，速度下降，压力、温度有小幅下降（视透平的反动度）。

为了监测燃机高温部件工作是否正常，通过安装在排气通道圆周上的热电偶测温元件来获取排气温度场的分布信息。理想工况下，这些热电偶所测得的燃机排气温度数据应该完全相同，但实际上总会存在一些偏差，这个偏差就是燃机排气温度分散度。

由于燃机是在高温下连续工作的，燃烧器、火焰筒、热燃气管道等部件难免会出现氧化、裂纹、磨损、泄漏、堵塞甚至开裂等各种异常情况，而这些高温部件在运行中无法直接进行监测，因此只能采用测量燃机排气温度和压气机排气温度的方法，间接地来判断这些部件的状态是否正常。当喷嘴堵塞、燃烧不正常时，会引起燃气轮机进口流场和排气温度流场严重不均匀，而这些不均匀会反映到排气温度场的均匀程度，即排气分散度的大小。

A公司3台燃机为西门子SGT5-2000E型，燃烧室类型为筒形，共两个，垂直安装在透平两侧，每个燃烧室配8个燃烧器。外置筒形燃烧室的特点之一就是确保了均匀的燃气温度分布，这就是为什么西门子温度分布测试只被推荐为运行数据记录的一个部分，而不像分管式燃烧器那样有严格的分散度保护。即使如此，由于燃机排气分散度异常变化能有效反映燃烧热部件的问题，所以，加强对燃机分散度的监视仍然是运行工作的重要内容。

1 燃机排气分散度大原因分析

根据西门子产品说明书，如果代表两个燃烧室的平均值相差40℃以上，可能是：（1）天然气喷嘴堵塞；（2）某供气管道堵塞（如因冷凝作用堵塞）；（3）燃烧器需更换。根据其他V94.2燃机运行经验，单只温度高于平均值60℃，或低于平均值100℃，是可以接受的，即（-100，+60）内可视为正常。如果个别温度变化超过30℃，可能是：（1）热通道的间隙发生了变化；（2）燃料喷嘴不均匀磨损。

从以上分析可以看到，造成排烟温度分散度大的原因很多，需要认真分析、及时查找原因并消除缺陷，才能有效降低其对燃机热部件寿命的影响。

2 燃机排气分散度大对燃机的影响

除了测量的原因以外，排烟温度分散度大对燃机热部件造成的影响是很大的。如果排烟温度分散度大是由于喷嘴系统的故障造成，很可能会造成燃烧室中火焰偏离设计区域，直接造成火焰筒或过渡段烧蚀或变形，最终还会影响燃机透平部件的寿命。其次，排烟温度分散度大所造成的局部超温对燃机热部件的影响是致命的。透平部件是在高温下运行的，虽然有冷却但仍然承受着很大的热负荷。当燃机进入OTC控制后，透平进气初温达到了允许的最高值527℃，如果温度超过允许值，将大大影响其寿命，甚至是造成严重损坏。

3 燃机排气分散度的监视与保护

A公司3台燃机透平出口排气扩压段的周向上布置有6个双重NiCrNi热电偶（MBA22CT102、MBA22CT103、MBA22CT104、MBA22CT106、MBA22CT107、MBA22CT108），每个热电偶有两个输出值：A和B。A元件的温度读数传送给温度控制器用于控制，B元件的温度读数用于当排气温度过高时发出报警信号和跳机指令。

为保护燃机热通道部件不因超温损坏，根据西门子燃机保护配置，当任一燃烧室的三个透平出口温度值达594℃时，三取一报警；达620℃时，三取二燃机跳闸。

当排烟温度显示某些点超温报警甚至达到跳机值时，说明上游很可能出现温度场不均匀情况。从保护热通道部件的角度出发，应尽量避免在该情况下长时间运行，最好的方法是降低负荷，待以后查找原因，消除故障。

当短时期内排烟温度分散度有较大的变化时，说明有新的故障产生，应认真分析，尽早排除故障，使排烟温度分散度恢复正常。

4 对A公司燃机排气分散度的分析

统计A公司2015年6月—8月3台燃机排气温度并对比分析，得出结论如下：

4.1 #1燃机分散度分析

#1燃机#4测点温度与总平均值偏差最大，左右侧均差接近40℃的极限值。剔除#4温度测点后，重新计算左右燃烧室平均温度差值，发现差值降低明显。而#5、#6温度测点和#1、#2、#3温度测点温度情况相差不大，右侧燃烧室故障可能性小，故#4温度测点故障的可能性大。

4.2 #3燃机分散度分析

#3燃机#4温度测点偏差也很大，剔除#4温度测点重新计算，左右侧均差依旧超过40℃，故#4热电偶故障可能性不大。根据西门子产品说明书，分析发现，随着燃机负荷的增加，此温差也相应增大。与#4测温点相关的管道或喷嘴堵塞的可能性较大，停机后需重点检查喷嘴及供气管道。

4.3 #5燃机分散度分析

#5燃机左右侧均差、6个温度测点变化均在允许范围内，且各偏差值较小。#5燃机透平出口温度分布情况好，变化小，较稳定。可能是因为#5燃机EOH运行小时数最少，各燃烧室磨损小，情况较好。

为防止因排气温度过高危及燃机热部件的寿命，避免因过热造成的跳闸事故，除在运行时监视排气分散度外，在燃机停机后，可加强燃烧室、燃烧器组件等重点部位的检查，如检查热电偶端子排接触情况、燃料喷嘴法兰及软管情况、燃烧室外杠情况、火焰检测器及火花塞情况、透平一级喷嘴情况等等，及时发现故障并加以消除，从而有效控制排气分散度在允许范围内。

5 结语

燃机温度分散度的监视是一项长期的工作，必须将收集的数据妥善保存，不断分析比较，特别是随着燃机运行时间的增加，通过对分散度的监视，可实现对燃机运行状况的有效监控，以期及时发现燃烧室、热通道部件的异常隐患，及时进行检查，避免较大燃机事故的发生。