排烟温度分散度在燃机运行监视中的应用分析

曲 毅

(上海电力股份有限公司罗泾燃机发电厂，上海 200949)

燃气轮机的控制系统有很高的集成度。在机组正常运行中，服务器后台不断处理着从各处汇总而来的数据，自动监视并判断着机组的运行状况。在对燃烧系统的监视中，最直观的数据则来自于排烟分散度。

燃气轮机的效率与透平进气初温(T0)成正比。随着材料技术与冷却技术的发展，燃机透平初温(T0)也越来越高。一般E级燃机透平初温(T0)在1 960℉(1 071℃)左右，而最新的H级燃机则更是达到了2 550℉(1 399℃)。由于温度太高，没有热电偶可以长期在如此高温下正常运行与准确测量。但可以根据运行中排烟温度(T1)、大气温度(T2)、压气机排气压力(CPD)以及给燃料量(FSR)列函数方程式来进行计算。通过对排烟温度(T1)的测量，可以达到间接测量和控制(T0)的目的，因此本文重点讨论排烟温度分散度在燃机运行监视中的实际运用情况，可有效提高运行检修人员的事故分析及处理能力。

1 燃机运行中排烟温度的测量与排烟分散度

在燃机正常运行中，通过安装于排气扩压段出口均匀分布的热电偶(各型机组热电偶数量不同，E级 24个、F级31个、H级36个)来测量燃机的排烟温度。排烟温度值通过排列后，删选出最高值和最低值，最后计算其均值，便是燃机的排烟温度。

在正常运行中，机组各排烟温度应当是均匀而且稳定的。排烟分散度是对机组各排烟温度分布均匀的重要指标。一旦在运行中出现各热电偶测量值偏大的情况，说明燃烧系统很有可能已经出现故障。如在一定时间内偏差未减小甚至出现了不断恶化的情况，对燃机的安全正常运行会带来极大危害。因此，在燃机运行中应该加强对排烟分散度的监视，也是对燃机喷嘴、燃烧室、过渡段以及透平等高温部件工作运行状况的整体评估。

不同负荷下的排气旋转偏离图见图1。

图1 不同负荷下的排气旋转偏离图

2 燃机排烟温度分散度计算及其保护动作逻辑

燃机排烟温度分散度保护主要是指，运行中的燃机及其控制系统通过对排烟温度分散度的检测来反映燃机燃烧系统及透平的工作状况。当出现排烟温度分散度大或者排烟温度场不均匀时，控制系统及时发出报警，提醒运行人员及时采取对应措施，若出现排烟分散度持续超过允许值时，则会由控制系统直接发出遮断指令，以防止事故的进一步扩大。

在燃机正常运行中，控制系统始终计算着最大的三个排烟温度分散度值。这三个排烟温度分散度分别是：最大排烟温度分散度(TTXSP1)、第二排烟温度分散度(TTXSP2)和第三排烟温度分散度(TTXSP3)。

2.1 排烟温度分散度的计算

(1)最大排烟温度分散度，GE燃机逻辑中通常显示为TTXSP1，为24支(E级)热电偶测量排烟温度最大值减去测量排烟温度最小值。

(2)第二排烟温度分散度，GE燃机逻辑中通常显示为TTXSP2，为24支(E级)热电偶测量排烟温度最大值减去测量排烟温度第二小值。

(3)第三排烟温度分散度，GE燃机逻辑中通常显示为TTXSP3，为24支(E级)热电偶测量排烟温度最大值减去测量排烟温度第三小值。

实际动作保护中，是通过这三个分散度与燃机允许排烟温度分散度(TTXSPL)之间的比较进行的。相对于一般的排烟温度分散度而言，允许排烟分散度(TTXSPL)的计算则复杂的多，其计算值与压气机排气温度(CTD)和燃机排烟温度(TTXM)有关。

2.2 排烟温度分散度保护动作逻辑

在燃机启动、点火、暖机升速至满负荷的过程中，其排烟温度分散度为一个一定区间内的动态值。与之相对的，允许排烟分散度也会发生变化，但维持时间不会很长。一般当燃机运行工况稳定后，其允许排烟温度分散度与排烟温度分散度也会趋于平稳。

在燃机运行过程中没有排烟温度分散度是不可能的，但是排烟温度分散度必须在一定范围内。当排烟温度分散度超过某一值时，燃机控制系统则将报警或发出遮断信号。

当输出以下三个逻辑信号时，控制系统将进入监视排烟温度分散度的逻辑判定。

(1)燃机转速≥95%额定转速，即L14HS= 1；

(2)主保护没有遮断，即L4= 1；

(3)没有发出停机令，即L94X= 0。

控制系统把计算出的三个排烟温度分散度与排烟温度分散度允许值进行比较，当满足条件时即报警或发出遮断信号。

(1)报警条件：

1)排烟热电偶故障报警TTXSP1≥5*TTXSL；保护触发延时(9E取K30SPTA)报警动作；

2)燃烧故障报警。TTXSP1≥TTXSPL或TTXSP3≥TTXSPL；保护触发延时(9E取K30SPA)报警动作。

(2)燃烧故障遮断：

1) TTXSP1≥TTXSPL同时TTXSP2≥0.8*TTXSPL；且热电偶测出的最小值与第二小值相邻；触发后延时(9E取K30SPT)遮断保护动作；

2)TTXSP1≥5*TTXSPL同时TTXSP2≥0.8*TTXSPL；且热电偶测出的第二小值与第三小值相邻；触发后延时(9E取K30SPT)遮断保护动作；

3)TTXSP3≥ TTXSPL触发后延时(9E取K30SPT)遮断保护动作。

在这些保护逻辑中，特定的相邻条件约束避免了在燃机正常运行中，由于卡件及测量元器件故障所导致的测量数值阶跃而引发排烟温度分散度遮断保护误动作。

3 影响排烟分散度的主要因素及应对措施

3.1 由测量元器件导致的排烟分散度高

在实际运行中，燃机排气热电偶由于长期在恶劣工况下工作，会出现断裂情况，就地接线箱、I/O卡件等也会由于长期运行而出现端子排松动情况。在实际运行监测中，具体表现为该点数值突然丢失、阶跃频繁或显示异常。一般只需要更换相应热电偶，紧固接线及卡件后，异常就会消失。同时也并不会对燃机热通道部件造成实际影响。在影响排烟分散度的各类故障中，属于实际影响比较小的类型。

3.2 由燃料系统所引发的排烟分散度高

这种类型故障不管是新投产燃机与投产较长时间的燃机，均有可能出现。主要表现为，实际运行中，部分火焰检测探头信号丢失，某一区域排烟温度急剧下降。最终导致整体排烟分散度升高。产生这一现象的主要原因，就是燃料系统出现了各燃烧室内燃料分配不均匀的情况。一般遇到这种情况，需要对各进燃烧室的燃料金属软管进行仔细检查，确认有无破裂开口等导致可能的燃料泄露情况。检查自燃料金属软管至燃料喷嘴是否存在堵塞、烧蚀的现象。最后确认其内部固定元件是否已经因长期高温工作而出现了变形及晃动。

一般在排除硬件原因之后，需要重新对燃料系统做燃料分配的调整，确保燃料分配均匀后，就可以消除这类故障。如若未仔细排查并消除此类故障，长期运行后，则会急剧影响燃机热通道部件的使用寿命，严重的甚至会造成热通道部件的烧毁。

3.3 由燃烧室内部及透平喷嘴造成的排烟分散度高

这类故障一般都出现在经过一段时间稳定运行的燃机中。在运行监视中，这类故障由于其成因较长，监视中数据变化较小，而导致最终故障发生时，已经对某些热通道部件造成了实际损坏。在数据变化上，主要表现为排烟分散度在很长一段时间内，一直呈缓慢上升趋势，并且最终呈阶跃式的突然蹿升。而造成这一现象的主要原因，就是燃烧室内部承压部件、透平喷嘴出现了损坏。因此需要对燃烧室内各联焰管检查是否存在破损、燃烧筒与过渡段是否存在鼓包及烧蚀烧穿现象、燃烧室外缸及外缸附件(点火火花塞，火焰检测器)是否存在破损泄露、透平叶片与冷却孔是否存在烧蚀，变形及堵塞的现象。一旦在燃烧室内部出现这些情况，会造成燃机CPD排气大量向燃烧室内部泄露、燃烧室内部气体向外泄露及叶片冷却严重不足。

一般出现了此类故障，则需立即停机并安排燃机CI检修，否则就会对整段热通道部件造成致命影响。

3.4 双燃料机组由于雾化空气系统造成的排烟分散度高

在双燃料机组中，液体燃料系统中一般都会配置雾化空气系统。在燃机实际运行中，雾化空气系统加速燃油在燃烧室内的雾化，使其能够更为快速充分的燃烧。如果雾化空气系统出现压力、流量和温度的急剧变化，会使得液体燃料在燃烧室中因为结露等情况在喷嘴、燃烧筒和过渡段内壁及透平叶片上附着，造成在燃烧中局部超温，从而导致排烟分散度的急剧变化。一旦出现此类情况，需要马上对雾化空气系统整体进行重新调试，通过对其冷却器检查、变送器重新校验及各管道逆止门和气动控制阀动作情况的确认，寻找参数变化的原因，保证其能够在额定参数下正常运行。

一般雾化空气系统故障造成的排烟分散度高，如不及时处理，会很快成为热通道承压部件损坏的诱因。

3.5 由于其他原因造成的排烟分散度高

因为燃机的集成化水平相当高，在日常对机组的检修、调试与维护中，常常会出现对部分逻辑进行强制的情况。在每次强制恢复过程中，应当重点检查涉及燃烧部件气控回路的逻辑，各气动阀门(尤其是涉及清吹气源管道与雾化空气系统管道)启闭回座是否正常。在每次的燃机水洗中，应当检查各阀门状态是否满足水洗所需条件，水洗过程是否依照正常顺控进行，尤其是88TK风机是否动作正常。在部分现场中，曾出现过由于水洗中88TK风机未启，使得TK风机风道内积水，最终导致燃机启动后长时间排烟分散度高的故障情况。

这类故障对燃机本身不会造成太大影响，但会严重影响机组整套启动相应的时间，增加机组启动失败的几率，对相关精益性考核指标造成较大影响。

罗泾燃机燃烧室内窥镜检查见图2。罗泾燃机喷嘴内窥镜检查见图3。

图2 罗泾燃机燃烧室内窥镜检查

图3 罗泾燃机喷嘴内窥镜检查

由此可见，当发现机组运行过程中，排烟分散度不断提高时，需要做到认真分析、及时查找原因并进行消除，同时部分故障是由于长时运行后累计而来。因此，对于运行数据的定期分析，对明显出现劣化恶化趋向的数据进行重点分析，才能真正有效地降低排烟分散度高对于燃机热部件寿命的影响。

4 排烟温度分散度在实际运行中的数据分析

在燃机实际运行中，会出现由于不同故障的缘故而导致监视数据的不同。针对各种可能的工况，唯有通过监视数据与现场实际相结合的分析方式，方能准确判断当前机组真实的运行状况。

当机组以稳定负荷(或满负荷)状态下运行时，

应当始终保证将排烟温度分散度控制在较小的区间内。一旦排烟温度分散度出现持续性的劣化情况，则表明该机组的热通道部件已经出现了一定的损坏。如若不加强对数据的定期分析，很容易造成检修周期的不合理规划。以至于在最终检修时，才发现热通道部件的损坏已经到了十分严重的地步。因此经常性地对排烟温度分散度数据进行分析，控制其在较低的范围内，有助于更为科学、经济合理地安排机组热通道部件的检修周期。

对于机组运行中出现过的排烟温度分散度瞬时超限等情况，也应当记录下发生超限的时间与机组工况，具体分析其可能的成因。这类型的故障需要通过对燃机报警盘的及时监视才能发现，否则很容易在运行监视中被忽略。如果放任这类故障，则很有可能给燃机安全运行埋下隐患。唯有通过认真分析，仔细排查，消除可能的隐患后，方能保障燃机的安全运行。

5 结语

随着社会对环境保护的重视，具有大功率、快速响应及优秀排放指标的发电机组，燃气轮机势必将会越发普及。排烟温度分散度作为燃机安全运行的重要监视指标，直接影响着燃机的运行寿命。由于燃机热通道部件均为进口，其检修更换的价格高昂，如若发生故障检修费用很高。通过对排烟温度分散度保护与其监测数据的分析，不仅能够提高运行检修人员在面对各类事故的分析及处理能力，同时也能更为科学合理地规划燃机热通道部件的检修周期，减少不必要的开支。

因此，只有通过对相关数据与运行经验的不断积累，方能不断提高燃机的运维水平，并为未来国产化燃机的投产，提供宝贵的实践以及技术支持。