海上平台燃气轮机燃烧不均匀的分析处理

［摘 要］轻型工业燃气轮机作为一种功率密度大、反应速度快、可靠性高、体积小、自重轻的发动机，在各种工业领域都有广泛使用。燃气轮机通常有单燃料模式和双燃料模式，在油田开采等领域，多采用油田的伴生天然气作为燃料，以降低燃料成本。如果燃气轮机燃烧不充分、不均匀，常会出现T5 温度与T5 平均温度差值过大，此时机组有关停危险，严重影响了机组的安全运行和油田电力的稳定供应。文章针对典型轻型工业燃气轮机燃烧不均匀情况，通过总结实践情况与举一反三扩展分析的方式，进行原理分析、原因探讨及措施研究，介绍典型的实用处理技术，旨在为此类轻型燃气轮机燃烧不均匀情况的应对提供实践经验。

［关键词］燃气轮机；燃烧；不均匀；燃料气

［中图分类号］TM314 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0069–03

在海上油气田开采过程中，燃气轮机发电机组通常用于海上油气田的电力供应。海上油气田常会产生大量伴生天然气，经过净化和加压处理后可直接用于燃气轮机燃烧，所以油气田使用的工业燃气轮机多为双燃料发电机组，可使用柴油和天然气2 种燃料。但是油田伴生天然气会随采油量的波动、地层情况变化等发生压力、流量及组分的变化，所以机组在使用天然气作为燃料运行时，随着使用时间的加长，常会出现不同程度的燃烧不均匀情况，严重时甚至会造成机组停车或机组热部件损坏，影响机组的安全运行和油田电力的稳定供应。

1 燃气轮机结构

燃气轮机主要由压气机、燃烧室及燃气涡轮（即透平）发动机3 大部件组成。燃气轮机在结构设计上分成单轴、分轴、套轴、三轴等轴系结构。燃气轮机在发展过程中分为轻型结构和重型结构，轻型结构又分为航机改型和工业型。

以Taurus 70 型轻型工业燃气轮机作为分析对象，其是一台轴流式简单循环、单轴布置的轻型工业燃气轮机，整台燃气轮机由下列部件所组成。

（1）压气机。压气机从外部吸入空气并将其压缩，提高空气的压力和密度. 其有14 级叶片，在其进气导流叶片和前4 级静定子叶片上安装有可变几何形状的控制机构。

（2）燃烧室。燃烧室通常由外壳、火焰管、火焰稳定器、燃料喷嘴、点火设备及观察孔等组成。燃烧室按布置方式可分为分管型、环形、环管型、管头环形、双环腔型及圆筒形等。按气流通过燃烧室的流程可分为直流式、回流式、角流式及旋风式等。本机型采用的燃烧室是环形、直流式燃烧室，环形空间中旋流器和喷油嘴排成一圈。本机型采用的燃气涡轮发动机为双燃料发动机，可以使用柴油和天然气作燃料，环绕燃烧室的周围安装有12 个双燃料喷嘴。

（3）燃气涡轮。本机型由3级叶片的燃气涡轮组成，包括3 级动叶片和3 级静叶片总成。

（4）输出轴。燃气涡轮与燃气轮机的输出轴相连，将机械能转化为轴功率输出。

（5）进气管路。其带有柔性连接法兰的空气进气集管。

（6）排放系统。其包括尾气消音装置与排放管道等。

（7）减速齿轮箱。其带有辅助驱动法兰的高速行星式减速齿轮箱。

以上这些部件之间采用法兰进行精确对中，再用强力螺栓连接在一起，形成刚性很强的组合体，依次安装在用重型钢结构焊接而成的底座上，形成撬装结构，底座再与使用场地采用三点支撑的方式连接，最大限度减少振动的传递。

2 燃气轮机工作原理

燃气轮机是一种通过燃烧燃料产生高温气流，推动燃气轮机的旋转叶片连续旋转做功，最终将燃料的热能转变为旋转机械能的高速旋转热机。

以Taurus 70 型轻型工业燃气轮机为例，外界的空气被抽吸进入燃气轮机的空气入口，由14 级轴流式的压气机进行压缩，被压缩的空气以连续流的形式直接进入燃气室内，同时燃料（油或气）也被喷入环形燃烧室。从燃烧室出来的高温、高压气流推动3 级动力涡轮叶片高速旋转，实现热能到机械能的转换。

3 燃气轮机常用燃料——天然气的处理流程

海上油田通常用油田的伴生天然气经过简单处理来进行发电，处理流程为：①经过分离器分离出来伴生天然气；②通过燃气冷却器进行冷却；③进入燃气压缩机进口分液罐。部分伴生天然气作为低压燃料气供给惰气系统和锅炉等低压燃料气用户，其余大部分经过压缩机撬，进行二级压缩冷却分离后压力升到2.6 MPa 输送到出口分液罐，缓冲分液后进入过滤分离器进行杂质和液体的进一步分离，再经过加热器加热到55° 左右，稳压后输送到燃气轮机进行燃烧发电。

4 燃气轮机燃烧不均匀典型表现

（1）燃料不完全燃烧。在燃气轮机中，如果燃料没有完全燃烧，会导致排气中的碳氢化合物含量增加，这不仅会影响排放，还会降低燃料效率。

（2）火焰不稳定或熄火。如果燃烧室中的火焰不稳定或熄火，可能是由燃料供应问题、空气流量问题或控制系统故障等原因引起。这不仅会影响燃烧效率，还可能对燃气轮机的寿命产生负面影响。

（3）排气冒黑烟。如果燃气轮机排气冒黑烟，说明燃料没有完全燃烧，这会导致排放增加和燃料效率降低。

（4）排气温度异常。如果燃气轮机的排气温度异常，可能是由燃烧不充分或燃烧室设计问题等原因引起的。这会影响燃气轮机的效率，并可能对机组寿命产生负面影响。

（5）振动和噪声异常。如果燃气轮机在运行过程中出现振动和噪声，可能是由燃烧不充分、气流不稳定或机械故障等原因引起的。这不仅会影响机组的正常运行，还可能对机组寿命产生负面影响。

以上燃气轮机燃烧不均匀的表现，在实践中可能单个出现，也可能多个问题同时出现。为了确保燃气轮机的正常运行和效率，需要定期进行检查和维护，及时发现并解决问题。

通常情况下，机组在运行过程中如果出现燃烧不均匀，会先反应为T5 温度（反映燃烧是否均匀的参数）分布不均匀，这是判断燃烧不充分的最常用方式。

5 燃气轮机燃烧不均匀原因

（1）燃料供给系统问题。如果燃料供给系统存在问题，如喷嘴堵塞或流量分配器故障，可能会导致偏离设计燃烧工况，破坏原有火焰燃烧环流状态，造成燃烧不充分，引起燃烧温度分布不均匀。

（2）空气供应系统问题。燃气轮机需要足够的空气才能实现完全燃烧，如果空气流量不足，可能会导致燃烧不充分。

（3）燃烧部件的问题。燃烧部件的工况是否良好，对燃烧温度场的均匀性有直接影响。如果燃烧部件出现贯通性裂纹或破损，可能会导致压缩空气流场分布被破坏，从而引起相应火焰不稳定，造成燃气轮机的进气温度异常和排气分散度变大。

（4）燃料组分与设计不匹配。如果燃料组分发生变化，容易与燃烧室设计不匹配，可能会导致燃料与空气混合不均匀，从而导致燃烧不充分。

（5）控制系统问题。如果控制系统出现故障，可能会导致燃料调节异常，引起燃烧不充分。另外如果控制系统的T5 温度探头故障，也会导致燃烧温度检测不准确，引起温度参数错误或控制不稳。

（6）其他维护问题。燃气轮机需要定期进行维护和保养，如果长时间没有进行维护，导致叶片污垢堆积，影响压实气流的正常流通，导致8bfe99875cb627dedf248a998e066ed4659e0a9bbdeeafea0ac3811d2219d311燃气轮机工况偏移，可能会导致燃烧不充分。

6 燃气轮机燃烧不均匀处理措施

（1）检查工作前注意能源隔离锁定。对机组启动马达进行断电隔离，并隔离燃气进口阀，对燃气进行泄压。

（2）检查控制系统的硬件和软件，确保其正常工作。检查控制系统的相关控制模块有无报警，控制系统有无显示异常；对T5 温度热电偶探头进行校验，排除因为T5 探头故障导致的温度测量错误情况。

（3）检查燃料供给系统，确保燃料能够正确、均匀地分配到燃烧室中。

（4）对燃料气进行化验，确保气态组份均符合要求，但气体中含有液态和固态成分还需要进一步检测。（5）检查燃烧室的设计，确保燃料与空气能够充分混合。

（6）定期对燃气轮机进行维护和保养，确保其正常运行。具体如下：①对天然气管线进行拆卸清洗，确认管线是否堵塞。②对燃料控制阀进行检查清洗，确认是否结垢堵塞。③对燃气轮机天然气过滤器进行拆卸检查，检查滤芯情况，更换脏滤芯。④检查燃气轮机喷嘴，对12 个喷嘴进行拆卸检查，确认喷嘴是否堵塞和积碳。如果检查发现喷嘴大范围堵塞严重，并有积碳现象。清洗喷嘴，对堵塞的喷嘴用柴油浸泡，并用超声波清洗机进行清洗，并对有变形的喷嘴进行更换。

如果清洗喷嘴后还反复出现堵塞和烧坏情况，可以基本判断是燃料气供应出现了问题，则需要采取以下措施进行分析排查。①排查燃气问题的同时，加强燃气轮机监控，对问题机组提前进行切换，并加紧对喷嘴的清洗更换，并在需要的情况下将机组转油运行。②加快对整个燃料气处理系统的排查，对燃气压缩机运行工况、燃气冷却器、燃料气过滤器等状态进行全面排查。③对近期有变动的油气生产井进行排查。④对垢样进行化验分析，经过全岩X 衍射分析、CHN元素分析、显微分析等技术分析垢样。⑤排查天然气处理系统。如果燃烧的天然气不干净，基本可确定是天然气在处理过程中未得到有效净化，堵塞了机组的喷嘴。若拆燃气过滤器检查发现过滤器内的滤芯无异常，再拆燃气压缩机二级出口海水冷却器，检查发现冷却管是否堵塞，堵塞会导致冷却效果大幅下降。

除了已经清洗过的喷嘴外，后期还要对燃气轮机燃气管线、阀门、叶片进行全面检查，以彻底排除此次结垢对机组的影响。同时，制订并实施燃气压缩机运行监控措施，杜绝类似事件的再次发生。此外，协调力量加强燃料处理系统的运行维保，并日常监测，提前发现燃料是否存在污染等情况。

7 结束语

轻型工业燃气轮机在海上采油平台等特殊环境中运行，会经常出现不稳定的燃料供应问题，尤其是当地层产出的天然气成份变化时。含有杂质的燃料气进入燃气轮机燃烧部件进行高温燃烧时，碳粉、高碳化合物或胶质类物质无法充分燃烧，会在喷嘴等狭小流通区域产生结垢，造成燃料无法均匀供应，产生燃烧不均匀现象，严重时将会导致停产甚至机组损坏。

参考文献

[1] 刘岗楼.SOLAR Taurus70 型燃气轮机交换大修方案及应用[J]. 中国设备工程，2020（10）：69-70.

[2] 王司光.Solar Taurus 70 燃气轮机叶片损伤原因分析[J].通用机械，2017（5）：50-53，58.

[3] 司光，罗志立，廉春雷，等.Solar Taurus 70 型燃气轮机气启动系统故障原因[J]. 油气储运，2015，34（3）：340-342.

[4] 罗壮，周英果，吴兴林，等. 索拉Taurus60 机组典型故障与处理[J]. 装备制造技术，2013（5）：74-75，94.