天然气电厂燃烧器辅助喷嘴积碳问题分析与处理

林森

摘 要：天然气电厂燃烧器辅助喷嘴积碳是导致燃烧不稳定和透平部件损伤的主要原因之一，危害极大。燃料喷嘴主要包括辅助喷嘴和主燃料喷嘴，在机组启动、负荷剧烈变化时，为防止火焰熄灭，辅助燃料喷嘴进行扩散燃烧稳定火焰，当辅助喷嘴顶部积碳堵塞燃料孔时，燃烧情况将变得非常不稳定，并且碳颗粒脱落后会随着高温烟气向透平方向流动，附着在动、静叶环冷却涂层上使叶片冷却效果极具恶化，带来破坏性的后果。本文通过对辅助喷嘴积碳原因进行分析，提出解决方法，消除安全隐患，确保机组安全稳定运行。

关键词：燃机透平;燃烧器;积碳;强化冷却型喷嘴

1 引言

某电厂安装2台M701F4型燃气——蒸汽联合循环发电机组，采用单轴一拖一布置，额定出力为452MW，燃气轮机采用环管型预混多喷嘴干式低NOx燃烧室结构，燃料喷嘴采用了混合运行方式，配有两级燃烧器组件，包括1个辅助燃料喷嘴、8个主燃料喷嘴和16个顶环喷嘴。辅助喷嘴位于燃烧器中心，采用扩散燃烧方式;8个主燃料喷嘴彼此独立环绕在辅助喷嘴周围采用预混燃烧方式。由于辅助喷嘴与主燃料喷嘴火焰燃烧方式不同，所以两个喷嘴的空气旋流器在设计上有所差异，当空气通过辅助喷嘴旋流器后，与辅助喷嘴喷出的燃气直接混合燃烧，而流经主燃料喷嘴旋流器的空气形成涡流，在一个喇叭口形组件中与来自主喷嘴的燃气预混合但并不燃烧，然后从侧边射入辅助喷嘴火焰所在的燃烧区域被点燃，此时混合的可燃气体燃烧温度较低，氮氧化物排放明显减少。在机组高负荷时，控制辅助喷嘴的燃料保持火焰稳定，增加主喷嘴的燃料提升机组出力，同时增加预混燃烧的比重，维持NOx的排放在合理范围，可见辅助喷嘴在整个燃烧过程中起到至关重要作用。

2 辅助燃料喷嘴顶部积碳情况

为了提高燃气轮机机组效率，目前F级燃机透平燃气初温已高达1400℃以上，因此确保透平部件得到良好的冷却效果尤为重要。2019年该厂燃机透平部位进行T级检修，在缸内解体时发现一级动、静叶片涂层上附着大量黑色颗粒，堵塞了叶片冷却孔，聚积处的涂层已经大面积脱落，少量叶片金属存在被烧穿现象。由于在一级动、静叶片上最为明显，并且燃烧器内高温高压气体通过过渡段后直接进入一级静叶环，所以有必要将全部燃烧器进行解体检查，结果发现辅助燃料喷嘴顶部存在积碳情况，涂层不同程度脱落、冷却孔部分被堵塞，并且聚积的碳粒子会随着高温高压烟气向透平方向流动，附着在动、静叶环冷却涂层上。将相关情况与厂家沟通、分析后确认，辅助喷嘴顶部积碳会造成喷嘴本身及透平叶片涂层脱落、裂纹、高温氧化开孔等损伤现象。

3 辅助喷嘴积碳情况的原因分析

（1）燃料系统过滤精度不够，导致系统内存在杂质。燃气电厂燃料系统管线长、设备多，包括管网输送管道、调压站、前置模块、燃料调节阀等设备，如果管道、设备内部存在铁锈等颗粒，同时系统内过滤器过滤精度不够，那么没有被清除干净的固体颗粒就可能会在燃烧后残留在喷嘴的顶部，长时间累积形成积碳现象。

（2）燃气气源中硫化物等固体颗粒含量超标。该厂使用的天燃气气源来自管网，燃气成分不可避免存在多样化，且不确定性较高，超标的固体颗粒燃烧后吸附在辅助燃料喷嘴顶部，形成积碳现象。因此气源中存在固体颗粒可能是原因之一。

（3）壓气机转子及缸体内部长时间未清理，存在铁锈等固体颗粒。该厂机组为调峰机组，全年运行小时数相对较少，导致检修周期较长，且缸体内零部件冷热状态变化频繁，易形成锈蚀，长时间不检查清理，铁锈等固体颗粒会随着压缩空气进入燃烧器的辅助喷嘴，堵塞顶部燃料孔形成堆积现象。

（4）进气系统内存在固体颗粒。进气系统包括粗滤和精过滤两部分，气源取自外界空气，机组运行时，参与燃烧的压缩空气通过进气系统过滤后进入燃烧器内，如果滤芯精度等级不够、失效导致过滤效果差，或者系统设备锈蚀存在固体颗粒，那么气源中就会携带杂质进入燃烧器辅助喷嘴，长时间未清理也会形成堆积现象。

（5）辅助喷嘴材质及顶部结构形式原因。燃气轮机运行时，辅助燃料喷嘴起到稳定燃烧作用，因此始终处于高温状态，特别是喷嘴顶部靠近火焰位置温度最高，如果材质选用不当或者结构形式设计存在隐患，不能及时将热量散发，那么金属材质及表面涂层就一直在超过额定温度的环境中工作，导致辅助喷嘴本身结构破坏产生固体碳粒子，随着运行时间的延长，固体碳粒子逐渐增多聚积在顶部形成积碳现象。

4 辅助喷嘴积碳问题的处理

（1）燃料系统、缸体内部存在铁锈等固体颗粒问题的处理方法，要对缸体内部、转子、以及系统设备管道进行解体检查，存在底部积水、大面积锈蚀情况，必须打磨清除干净，保持洁净度。并且在运行维护方面加强监督，停机后及时排放疏水，定期对设备进行内窥镜检查确保状况良好。根据该厂机组检修经验，最好能够在每次燃气轮机检修时，同时进行附属系统以及过滤器的解体检查清理，确保在一个检修周期内洁净度处于良好状态，消除隐患。

（2）针对燃料系统、进气系统过滤器滤芯精度达不到要求这一问题的解决方法，可以选择系统上检修位置方便的过滤器，对其内部结构形式进行改进提高过滤效果，同时提高滤芯精度等级，来满足过滤精度要求。该厂对燃气终端过滤器进行改进，滤网由原来水平放置改成垂直放置，同时提高精度等级，取得较好的过滤效果。

（3）燃气气源中硫化物等固体颗粒含量超标问题的处理方法，首先要对气源气体成分进行化验分析，明确成分占比是否符合规定要求，如果固体颗粒含量超标，那么需要有针对性的对燃气中颗粒进行分离或者吸附处理，保证燃气成分含量达到合格标准。

（4）该厂在处理本次辅助喷嘴顶部积碳现象过程中，通过对可能造成积碳原因逐一排查，最后得出结论，现有的辅助喷嘴材质及顶部结构形式不佳是导致积碳现象的主要原因。正在使用的辅助喷嘴顶部冷却孔分布较少、散热冷却效果差，随着运行时间增加，导致大量固体颗粒聚积在喷嘴顶部，在高温作用下形成积碳现象。处理方法是更换为冷却强化型辅助喷嘴，改变顶部结构形式，增加冷却空气孔降低顶部温度，减少碳粒子生成，并通过冷却空气将碳粒子吹散，避免积碳现象产生。更换冷却强化型喷嘴后，对辅助喷嘴、透平设备进行内窥镜检查，并未发现积碳现象，运行至今效果良好。

5 结论

燃烧器辅助喷嘴积碳问题主要与喷嘴顶部结构形式有关。积碳现象是较为严重的设备隐患，不仅影响燃烧效果和设备使用寿命，而且会危及机组安全运行，造成巨大经济损失，所以对于透平燃烧器喷嘴等高温通道部件的检查要全面细致，重点查看表面冷却通道是否完好以及内部结构是否发生变化，同时提高冷却空气品质，保证附属设备洁净度，出现异常情况全面分析，找到主要原因消除隐患，确保机组安全稳定运行。

参考文献

[1]《大型燃气—蒸汽联合循环发电机组运行技术》.三菱F级/浙江大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司编.[M].北京：中国电力出版社，2019.04

[2]东方汽轮机有限公司.燃气轮机设备运行维护手册[M].东方汽轮机有限公司.2011.2.