PG9171E型燃气轮机DLN1.0+改造出现的问题及解决方案

2021-04-14深圳南山热电股份有限公司南山热电厂

电力设备管理 2021年3期

深圳南山热电股份有限公司南山热电厂王刚梁舟

为了响应“深圳蓝”、大气污染防治的可持续行动计划，深圳某燃机电厂积极践行社会责任，于2018年10月份完成了一台燃气轮机DLN1.0+低氮燃烧技术改造，实现满负荷运行时氮氧化物排放浓度降低至14mg/m3以下，达到世界先进水平，成为全球首台PG9171E 型燃气轮机实施DLN1.0+技术改造成功的机组。该厂9E 型机组引进干式低氮燃烧1.0技术运行多年，但是DLN1.0+低氮燃烧技术在国外7E 机组上应用较为成熟，在9E机组上使用还没有先例，引进的新技术和新设备在旧的9E 机组上调试使用时出现了一些新问题，通过不断的摸索和研究总结出一些解决方案，有效的保证了机组改造后的安全投运。

1 DLN1.0+燃烧室的工作原理及特点

DLN1.0燃烧室采用低氮干式燃烧技术，即通过合理控制燃烧火焰温度而实现燃气以低氮氧化物(NOx)含量排放的技术。DLN1.0+是在DLN1.0低氮干式燃烧技术基础上发展起来的新型技术，主要进行了硬件、软件两方面的改造：硬件的改造主要是燃烧室部分，包括端盖、火焰筒、导流衬套、过渡段、联焰管等，除了这些，针对控制系统的要求还增加了CDM 脉动检测探头、三冗余的湿度仪、燃气轮机排气压力变送器等，相应的Mark Ⅵe 控制器从UCSA 升级到了UCSC，并且加装了CDM的卡件。

软件的改造分为两部分。首先Mark Ⅵe 操作系统ControlST 以及HMI 软件Cimplicity 的升级，运行界面优化，特别是报警窗口功能更加强大，其次是逻辑以及画面的修改，主要增加了核心控制CPC Control、基于NOx 比例的燃烧模式切换、高负荷预混切换HLPT、CDM 燃烧脉动的相关逻辑以及相关画面。而且9E 的DLN1.0+燃烧室在整体系统和部件的设计中，分别在充分预混合掺混、耐高温材料、涂层材料、冷却技术、值班火焰燃料配比以及结构减震等方面进行改进，同时新增的CPC（参数修正控制系统）、CDM（燃烧室脉动检测系统）、Autotune Lite 和Autotune Recovery 功能可实现在线燃烧自动调整和恢复，从而在燃烧室的整体性能上达到三方面的硬性指标：能够达到低于15mg/m3NOx、31.3mg/m3CO 或更低排放；整体燃烧系统的检修期拓展到32千小时/1300次启停；控制燃气轮机单机和联合循环性能的影响。

DLN1.0+一级燃料喷嘴去除螺纹口连接，采用全机械加工螺栓连接喷嘴头，顶部加涂层延长寿命，内有C 型垫圈提高密封程度，从而起到防止燃料泄漏并且延长检修期的效果。DLN1.0+二级燃料喷嘴采用全新设计，考虑到原先设计中采用的法兰连接的燃气管上发现过裂纹，所以在新设计去除法兰连接采用无法兰设计，降低燃料泄露的潜在风险；带环槽的燃料喷嘴降低了喷嘴头部的金属基体温度；在内部将主燃料通道与空气流路交换，可以更好地避免由于温度梯度跨度大导致的应力集中处出现裂纹；还有采用改进的整体式密封设计，并重新设计吹扫及燃料管路和独立的值班火焰管路，同时优化值班火焰燃料比，进一步降低NOx 排放。这些设计改进用以延长部件寿命和控制排放。

DLN1.0+火焰筒采用了全新设计，筒身材料采用Nimonic 镍基合金，热障涂层从原有的B 级升级为热阻高的C 级，提高了耐高温效果，提高疲劳强度，延长检修周期。火焰筒前部原先的预混孔分布有所改变，可更好地让燃料和空气充分预混。后部的掺混孔去除、移到过渡段头部，用以提高火焰的稳定性并控制排放。火焰筒的衬套后部采用连续式打孔，可让空气流更均匀流入。文丘里导角角度变大，表面改弧形加涂层，防止火焰回到燃烧一区，也可避免由于高温区和燃烧脉动导致文丘里尖部产生裂纹，火焰筒原先的定位块采用弹片式设计，后部的单片圈密封变更为2-CoolTM Hula Seal 双片式Hula 密封，可起到减少震动、延长寿命的效果。

DLN1.0+过渡段部分采用新式打孔，原先火焰筒后部的掺混孔移到过渡段头部，过渡段后部与透平一喷连接处重新设计，让出地方给新的掺混孔，这样可更好地让空气进入参与燃烧，降低排放。同时内部涂层由B 级升级为C 级，提高热阻，延长设备寿命。尾部把金属密封改为布式密封，更好地提高密封效果的耐久性。过渡段支架重新设计支撑处，减少了应力集中区。DLN1.0+燃烧控制模式与原DLN1.0大致相同，不同的是贫贫燃烧模式与预混燃烧模式切换点由原来的燃烧温度TTRF1改为Q 基础的切换方式，Q 基础的切换方式是通过模型计算的NOx 排放值为基础的切换方式。

2 DLN1.0+改造后存在的问题及解决方案

2.1 一区火焰检测法兰盘存在的问题

某燃气轮机整机调试期间，机组进行第一次点火试验，当程序发出点火指令后，燃料供给正常、速比阀和控制阀正常打开，机组10秒内未检测到火焰，点火失败。现场技术人员检查点火器电源正常、就地点火器打火正常、用手电筒做火检试验正常，电厂将火焰检测延时逻辑由10秒改为30秒，进行第二次点火试验，点火指令发出后30秒内机组未能检测到火焰，但机组排烟温度由32℃上升至79℃，初步判断机组实际上已点着火，火焰检测环节出了问题。电厂决定拆开一喷的螺栓式连接端盖，发现所有一区火焰检测器法兰的设计角度不对，火焰检测器的光学镜孔与火焰筒掺混孔不在同一直线上，无法通过火焰筒的掺混孔检测到一区火焰。通过实地测量对法兰取样管安装孔进行了调整，将火焰检测器取样管与法兰垂直面夹角由36.3°调整为19°，加工焊接后重新进行点火成功。此方法也在后续机组改造中得到应用。

2.2 切预混时二区火焰强度偏低

某燃气轮机投入运行后多次发现启机点火时#B火焰强度偏低，切预混时二区#F、#G 火焰强度在16%以下，机组带满负荷运行半小时以后才达到正常值，这种情况很有可能触发机组熄火保护动作遮断。为应对该情况电厂研究制定了严密监控关键燃烧参数的措施，并临时将火焰强度检测定值由20%修改为12.5%，避免熄火保护误动作。同时经与厂家积极沟通，分析机组停机后冷凝水凝结在火焰探测器内影响了火焰检测效果，后续采取在二区火检变径接头打孔，冷凝水可随气流通过二区火检变径接头打孔处排出，从而使机组二区火焰强度恢复正常。

2.3 满负荷运行时燃烧脉动高问题

某燃气轮机满负荷运行时发出燃烧脉动故障报警，燃烧脉动画面#9～#11火焰筒低频燃烧脉动超过报警值3.5，尤其#10火焰筒低频脉动值高达10.53，检查排气温度、排气温差和振动等参数均在正常区间。电厂将上述异常情况与厂家进行沟通，并在保证机组排放合格且燃烧安全稳定的前提下进行了燃烧调整，但在调整范围内#10火焰筒低频燃烧脉动无改善；于是在中间端子箱内对调通道的方式，也排除了放大器和Mark Ⅵe 控制系统通道故障的可能。

为了排除脉动探头故障，检修人员拆出#4、#10火焰脉动探头，外表检查、航空电缆插头检查无异常，电缆无过烧痕迹，用信号发生器做实验确定#4、#10通道外部回路正常，最终将故障范围缩小在#10火焰筒组件，对其一、二级喷嘴进行检查，发现火焰筒文丘里前端涂层表面有多处过烧痕迹，一级燃料喷嘴外旋流器中部均有一层较厚黑色积碳层、二级燃料喷嘴尾部值班火焰内口有较厚黑色积碳层，立即将#4、#10一、二级喷嘴对调，进一步观察燃烧脉动变化情况（图1）。次日燃气轮机满负荷运行时#3～#5火焰筒低频燃烧脉动超过报警值3.5，尤其#4火焰筒低频燃烧脉动值高达9.48，#9～#11火焰筒低频燃烧脉动恢复正常，其他参数均在正常区间，由此判定原#10一、二级喷嘴燃烧异常造成周边火焰筒燃烧脉动异常升高。

图1 火焰筒对调前后燃烧脉动情况

鉴于某厂已出现二级燃料喷嘴烧熔的现象，电厂将该情况与厂家进行了沟通，并在机组燃烧脉动异常情况未得到有效解决期间制定反措，做好关联系统的分析、检查：出现燃气轮机排烟温度高报警，采取降负荷至报警消失，检查排气温度热电偶、燃料控制系统和冷却密封空气系统；出现火焰强度过低，检查排烟温差、燃料控制系统和火检冷却水阀门；出现燃烧故障报警，检查排气热偶及密切注意排烟温度变化趋势，非明显测点故障时先采取降负荷措施并汇报；出现任一点振动高报警，伴随其它测点升高趋势时立即汇报并降负荷。

如出现以下情况时立即汇报，针对以下异常情况当班运行人员做好详细记录、保存相关数据画面：一级叶轮前温度异常升高达到10℃以上（与变化前相比）；机组振动异常变化（突变范围＞50%）；排烟温差值波动超过±10℃；排烟热电偶任一点波动超过±5℃；燃烧脉动任一点高于报警值；机组负荷有异常波动（突变范围±10%）；燃料控制基准FSR、控制阀开度GCV1/2/3、速比阀开度波动达到±10%（天然气热值因素除外）；燃气压力P1/P2、控制阀GCV1/2/3阀后压力波动范围±10%；任一个火焰强度＜30%。

通过对疑似烧蚀材料送实验室做成分分析，对天然气气样进行成分分析，判断为#10火焰筒二级燃料喷嘴流量发生偏差造成燃烧室燃烧脉动高的问题，临时更换新的二级燃料喷嘴后再次启动，满负荷运行时#10火焰筒低频燃烧脉动值降至2.02，#9火焰筒低频脉动值最高也仅为3.15，排烟温差TTXSP1较之前下降9.3℃，其他参数变化不大，初步显示机组燃烧恢复正常。后续检修技术人员对二级燃料喷嘴的端部间隔1500h 进行孔窥检查，间隔3000h 对硬件进行目视检查。

2.4 停机过程中转速在95%～83%TNH 区间BB4、BB5振动大幅波动

各台DLN1.0+技改后的燃气轮机均出现了停机过程95%～83%TNH 区间#3瓦BB4和BB5振动大幅波动问题，BB4和BB5振动峰值达9.64mm/s、12.17mm/s，降至83%转速以下振动自动回落，检查滑油、瓦温和燃料等参数正常，这跟以往停机振动情况大有不同。电厂技术人员检测了振动测量回路、电缆和振动探头均无异常，随后翻查机组停机曲线，发现在95%转速14个火焰筒的低频燃烧脉动都存在突升，初步怀疑是机组燃烧脉动异常造成。

为了进一步查找故障原因，电厂采取机组解列后手动遮断机组的方式进行验证。发现燃气轮机手拍5E 遮断熄火后在95%到83%转速区间BB4和BB5振动平稳下降，确定机组燃烧脉动异常引起的振动突变。电厂将该情况与厂家工程技术部门沟通后，认为该问题属于DLN1.0+燃烧系统的工艺特性所产生的现象。通过调整停机过程IGV在FSNL 时的角度（从57度改到42度），使燃烧脉动及振动现象有所减轻，但是问题未根本解决。厂家下一步将对数据载入模型进行仿真模拟，提出优化方案。

2.5 火焰筒气膜环焊点处有裂纹

首批DLN1.0+燃烧室的14个火焰筒新件进行外观检查表面光亮，无运输过程中的碰伤、划痕等缺陷，但进行外表面着色探伤检查时，发现火焰筒气膜环焊点处有裂纹痕迹，裂纹长约1～4mm。针对火焰筒裂纹问题进行了打磨，打磨后个别筒体裂纹消失，但大部分筒体裂纹仍然存在。经与厂家沟通该批次火焰筒确实存在工艺问题，但不影响火焰筒部件功能、寿命周期和检修维护间隔，后续返厂进行了维修。为安全起见，采取了2000h以内及2000～4000h 进行抽检的防范措施[1]。