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燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)故障原因分析及改進(jìn)
發(fā)布日期：2016-03-15 來源：《上海設(shè)備管理》
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自2005年底上海漕涇熱電有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱漕涇熱電）2臺(tái)9FA＋e型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組投運(yùn)以來，機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行了8年多時(shí)間，在此期間機(jī)組運(yùn)行基本正常。目前2套機(jī)組均采用以燃燒小時(shí)數(shù)為限定條件的檢修模式。近年來，9FA燃?xì)廨啓C(jī)（簡(jiǎn)稱燃機(jī)）在國內(nèi)的運(yùn)行狀況不是太好，除已經(jīng)發(fā)生過的主設(shè)備（燃機(jī)、發(fā)電機(jī)）的嚴(yán)重?fù)p壞事故外，主要問題是燃燒動(dòng)態(tài)性能不穩(wěn)，其他9FA燃機(jī)電廠均發(fā)生過因燃燒動(dòng)態(tài)性能不穩(wěn)造成燃燒部件損壞的事故，嚴(yán)重的會(huì)造成機(jī)組跳機(jī)，這一問題在作調(diào)峰運(yùn)行的燃機(jī)電廠中尤為突出。漕涇熱電2臺(tái)燃機(jī)目前雖采用連續(xù)運(yùn)行的方式，但同樣遭受由于天然氣成分不穩(wěn)定引起的燃燒動(dòng)壓?jiǎn)栴}，并引起機(jī)組排氣溫度分散度高跳機(jī)、燃燒部件損壞的事故，所以有必要對(duì)近幾年的燃機(jī)燃燒部件檢修和運(yùn)行情況做總結(jié)，同時(shí)對(duì)目前燃用高熱值天然氣的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行技術(shù)評(píng)估，為今后優(yōu)化燃燒系統(tǒng)工作的開展提供借鑒。
一、機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析
2009年以前受天然氣供應(yīng)量和電網(wǎng)調(diào)度等外部因素影響，一臺(tái)機(jī)組采用基本負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行方式，另一臺(tái)為調(diào)峰運(yùn)行方式；2009年以后隨著天然氣供應(yīng)量的日漸充足，2臺(tái)機(jī)組均采用連續(xù)運(yùn)行方式，機(jī)組單次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間逐年增加。
將每次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間大于50h的機(jī)組劃為基本負(fù)荷模式運(yùn)行的機(jī)組；每次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間小于10h的機(jī)組為尖峰負(fù)荷運(yùn)行模式的機(jī)組；介于以上這兩種運(yùn)行模式之間的則是調(diào)峰運(yùn)行機(jī)組。GE公司對(duì)全球的9F＋e燃機(jī)在2006～2010年的運(yùn)行方式所做的統(tǒng)計(jì)表明，絕大多數(shù)（81%）9F＋e機(jī)組都是以基本負(fù)荷模式運(yùn)行。
2號(hào)燃機(jī)于2007年7月平均單次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間僅13h，1號(hào)燃機(jī)于2008年8月單次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間為25h，均屬于調(diào)峰運(yùn)行方式，且為2臺(tái)機(jī)組各自極限最惡劣工況（啟動(dòng)最頻繁）的月份。雖然漕涇熱電2臺(tái)燃機(jī)總的運(yùn)行狀況較好，以一個(gè)檢修周期來統(tǒng)計(jì)，基本屬于基荷運(yùn)行；但在部分月份，機(jī)組啟動(dòng)的頻繁程度甚至超過了國內(nèi)其他調(diào)峰機(jī)組。
二、機(jī)組燃燒部件的非計(jì)劃性搶修情況
自2009年下半年開始至今，2臺(tái)燃機(jī)運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)排氣溫度分散度高，在停機(jī)后檢查均發(fā)現(xiàn)過渡段故障。主要現(xiàn)象為過渡段外殼有裂紋破損、后支撐架螺栓斷裂，從而引起燃機(jī)排氣溫度分散度增高。
2009年8月，2號(hào)燃機(jī)燃用西氣，燃燒9230h，199次點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組排氣溫度分散度從31℃竄升至61℃。停機(jī)檢查熱通道部件，發(fā)現(xiàn)5號(hào)、8號(hào)、10號(hào)過渡段后支撐架中樞螺栓斷裂。10號(hào)過渡段外側(cè)浮動(dòng)密封與1級(jí)噴嘴間有較大間隙。
2009年10月，2號(hào)燃機(jī)燃用西氣，燃燒10060h，213次點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，再次出現(xiàn)排氣溫度分散度高。停機(jī)檢查熱通道部件，發(fā)現(xiàn)7號(hào)過渡段后支撐架中樞螺栓斷裂，9號(hào)、10號(hào)過渡段的后支撐架中樞螺栓已變形，且發(fā)現(xiàn)下半圈過渡段后支撐架區(qū)域都有裂紋。
2010年2月，2號(hào)燃機(jī)燃燒12619h，218次點(diǎn)火啟動(dòng)，燃用LNG，燃機(jī)加負(fù)荷過程中再次出現(xiàn)排氣溫度分散度高。停機(jī)檢查熱通道部件，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、6號(hào)過渡段后支撐架螺栓斷裂，并在過渡段外殼有金屬材料脫落，且所有過渡段上都出現(xiàn)裂紋。
2010年5月，1號(hào)燃機(jī)燃燒19852h，203次啟動(dòng)，燃用LNG，運(yùn)行過程中出現(xiàn)排氣溫度分散度高。停機(jī)檢查熱通道部件，發(fā)現(xiàn)14號(hào)、15號(hào)過渡段后支撐架螺栓斷裂，6號(hào)、7號(hào)過渡段外殼上有裂紋并破損，有金屬材料脫落。
2011年5月，1號(hào)燃機(jī)燃燒25654h，215次點(diǎn)火啟動(dòng)；2號(hào)燃機(jī)燃燒19648h，231次點(diǎn)火啟動(dòng)。兩機(jī)組均燃用LNG，計(jì)劃停機(jī)內(nèi)窺鏡檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)：1號(hào)燃機(jī)號(hào)、號(hào)過渡段內(nèi)外側(cè)罩殼上有裂紋，且裂紋已深至基材；2號(hào)燃機(jī)5號(hào)過渡段內(nèi)側(cè)罩殼上產(chǎn)生裂紋。
2011年6月至今，2臺(tái)燃機(jī)采用連續(xù)運(yùn)行方式，排氣溫度分散度在正常值范圍內(nèi)。第三次燃燒系統(tǒng)檢查（CI）期間，拆出的燃燒部件包括過渡段外觀良好，外框無裂紋，涂層表面無裂紋，后支撐架螺栓無變形現(xiàn)象，墊片完好無脫落，浮動(dòng)密封與側(cè)密封完好無磨損跡象；但是無損探傷檢查發(fā)現(xiàn)有9只（損壞率是50%）過渡段的羊角支撐架基材有裂紋，固定插耳磨損嚴(yán)重，做更換處理。
三、燃燒部件故障原因
漕涇熱電的2臺(tái)9FA燃機(jī)采用DLN2.0＋干式低氮排放燃燒室，一臺(tái)燃機(jī)有18只周向布置的燃燒室，燃燒室主要由燃料噴嘴和燃燒室端蓋組件、外缸、火焰筒和過渡段、導(dǎo)流襯套、后缸等組成。每只燃燒室有5只燃料噴嘴，每只噴嘴各有一個(gè)擴(kuò)散燃料通道和一個(gè)預(yù)混燃料通道。燃料分配與控制系統(tǒng)見圖1。從圖可見：天然氣燃料經(jīng)過速比閥VSR-1后，分別經(jīng)過VGC-1調(diào)節(jié)閥，通過擴(kuò)散燃料支管D5供入每只燃燒室的5只噴嘴的擴(kuò)散燃料通道；經(jīng)過VGC-3調(diào)節(jié)閥，通過預(yù)混燃料支管PM4供入每只燃燒室的4只噴嘴的預(yù)混燃料通道；經(jīng)過VGC-2調(diào)節(jié)閥，通過預(yù)混燃料支管PM1供入每只燃燒室的剩余1只噴嘴的預(yù)混燃料通道。
VC4-1—輔助截止閥；VSR-1—速度／比例截止閥；VGC-1—氣體控制閥；D5—擴(kuò)散燃燒支管；VGC-3—氣體控制閥；PM4—預(yù)混燃燒支管；VGC-2—氣體控制閥；PM1—預(yù)混燃燒支管；＊—吹掃空氣，來自壓氣機(jī)出口。
為了確保機(jī)組點(diǎn)火、升速和低負(fù)荷工況下的燃燒穩(wěn)定性，DLN2.0＋燃燒室設(shè)計(jì)有4種燃燒模式，從機(jī)組啟動(dòng)初期的擴(kuò)散燃燒模式，直至最終的預(yù)混燃燒模式：
1、擴(kuò)散燃燒模式。從點(diǎn)火到95%轉(zhuǎn)速，僅5只噴嘴以擴(kuò)散燃燒模式運(yùn)行，PM4支管用空氣吹掃。
2、亞先導(dǎo)預(yù)混模式。95%轉(zhuǎn)速到8%負(fù)荷，5只噴嘴以擴(kuò)散燃燒模式、PM1噴嘴以預(yù)混模式運(yùn)行，PM4支管用空氣吹掃。
3、先導(dǎo)預(yù)混模式。8%負(fù)荷到50%負(fù)荷，5只噴嘴以擴(kuò)散燃燒模式、PM1噴嘴和PM4噴嘴均以預(yù)混模式運(yùn)行。
4、預(yù)混燃燒模式。50%負(fù)荷以上，PM1噴嘴和PM4噴嘴均以預(yù)混模式運(yùn)行，D5支管用空氣吹掃。
機(jī)組每次啟動(dòng)，燃燒室都要經(jīng)過上述燃燒模式的切換，在此過程中燃燒室中各噴嘴間燃料及火焰的分布不均，造成火焰筒局部過熱、鼓包、變形，影響火焰筒的壽命。對(duì)于頻繁啟停及半負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，其影響尤為明顯。
雖然燃機(jī)能夠燃用熱值變化范圍很寬的氣體燃料，但是對(duì)于特定的燃料系統(tǒng)，氣體燃料的熱值變化范圍是受到一定限制的。燃料噴嘴設(shè)計(jì)為在固定壓比范圍內(nèi)運(yùn)行，并通過增加或減小燃料噴嘴面積或氣體溫度來適應(yīng)天然氣熱值的變化。對(duì)于一個(gè)給定的燃燒系統(tǒng)，燃料氣可互換性的度量為當(dāng)量華白指數(shù)（MWI），以MWI作為在固定的壓比下，注入燃燒室能量的一個(gè)相對(duì)度量。使用燃料低位熱值、相對(duì)空氣的比重以及燃料溫度進(jìn)行計(jì)算，數(shù)學(xué)定義為：
式中：LHV為燃料氣的低位熱值（Btu/scf）；SGgas為燃料氣相對(duì)空氣的比重；MVgas為燃料氣體的分子質(zhì)量；Tgas為燃料氣的蘭氏絕對(duì)溫度，°R；28.96是干空氣的分子質(zhì)量。
漕涇熱電2臺(tái)燃機(jī)的DLN2.0＋燃燒系統(tǒng)允許的MWI范圍為42.09（1±5%）。由式（1）可知，影響MWI數(shù)值的主要因素是燃料氣的低位熱值。當(dāng)燃料氣熱值偏高，高于設(shè)計(jì)參數(shù)值，以致在相同的燃?xì)鉁囟认翸WI超出限值5%時(shí)，燃燒室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)燃燒動(dòng)態(tài)壓力不穩(wěn)定，造成脈壓波動(dòng)問題，引起燃燒部件損壞。
漕涇熱電9FA機(jī)組原先設(shè)計(jì)的氣源為西氣，低位熱值一般為32～34MJ/m3。在2009年底之前，天然氣氣源為西氣，熱值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)且比較穩(wěn)定，2臺(tái)機(jī)組的燃燒性能也比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生因燃燒部件故障引起的計(jì)劃外檢修，小修期間拆出的燃燒部件也處于良好狀態(tài)，無鼓包、破裂及螺栓斷裂現(xiàn)象。
2010年起隨著LNG進(jìn)入天然氣管網(wǎng)，天然氣熱值逐漸上升且不穩(wěn)定，熱值由原先的33.5MJ/m3左右上升到36MJ/m3以上，假定天然氣溫度不變，MWI將超過給定值的7.5%以上；而2臺(tái)燃機(jī)接連出現(xiàn)過渡段故障的時(shí)間恰恰與天然氣熱值上升的時(shí)間相吻合�？梢娞烊粴鉄嶂翟龃笾苯邮筂WI超出給定值的5%所引起的燃燒脈動(dòng)，正是過渡段出現(xiàn)故障的原因。
機(jī)組長期處于天然氣MWI接近或超過給定值的105%的情況下運(yùn)行，振蕩燃燒引起的大幅度壓力脈動(dòng)，使燃燒部件易產(chǎn)生材料磨損、脫落等故障�；鹧嫱部炕⌒蚊芊馄c燃料噴嘴端蓋和過渡段連接密封，燃燒振蕩會(huì)造成弧形密封件磨損或脫落，而火焰筒本體損壞的可能性大大減小。過渡段臨近1級(jí)噴嘴的區(qū)域，燃?xì)鉁囟茸罡�，工作條件最惡劣，如果燃燒脈動(dòng)高，在與較大的燃燒振蕩引起的大幅度壓力脈動(dòng)的共同作用下，容易引起過渡段后支撐架螺栓斷裂，涂層剝落甚至基材出現(xiàn)裂紋。
四、采取措施
根據(jù)漕涇熱電和其他電廠的實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，目前漕涇熱電已采取以下措施來降低燃燒部件，尤其是過渡段的損壞風(fēng)險(xiǎn)：
1、在18只燃燒室中，安裝在線燃燒動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)探頭（CDM）。將測(cè)得的脈動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸至控制界面上，以增加監(jiān)測(cè)燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)性能的手段；當(dāng)探測(cè)到的脈動(dòng)壓力偏高時(shí)，降低燃機(jī)負(fù)荷，即降低燃燒溫度，減小燃燒脈動(dòng)量，并及時(shí)安排燃燒調(diào)整。相比以前只能監(jiān)視燃機(jī)排氣溫度分散度，機(jī)組運(yùn)行期間增加了對(duì)燃燒工況監(jiān)視的直接手段，可對(duì)燃燒性能進(jìn)行預(yù)判，并及時(shí)采取人工干預(yù)措施。在安裝CDM后，漕涇熱電2臺(tái)燃機(jī)的燃燒室部件再未發(fā)生故障事件，計(jì)劃定檢期間也未發(fā)現(xiàn)異常情況。
2、投用天然氣色譜儀，測(cè)定天然氣的熱值。根據(jù)天然氣熱值變化的情況，精確地控制天然氣的溫度，確保天然氣的Wobbe指數(shù)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而改善燃燒脈動(dòng)。
五、升級(jí)改造方案
根據(jù)以上提及的天然氣熱值變化引起的MWI偏差超出限定的±5%范圍，燃燒脈動(dòng)壓力增大等原因造成燃燒部件故障。GE公司在DLN2.0＋的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新的整體設(shè)計(jì)，推出了DLN2.6＋燃燒室，其特點(diǎn)是：
1、燃燒部件如燃燒筒、過渡段、燃料噴嘴及聯(lián)焰管在基材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂層、耐磨處理上都進(jìn)行了優(yōu)化。
2、增大燃料通道尺寸，使得在燃?xì)鉄嶂灯x設(shè)計(jì)值仍能維持燃燒壓比。
3、相對(duì)DLN2.0＋燃燒室，在中心增加了1只燃料噴嘴，在新的設(shè)計(jì)中，周圍5只噴嘴的擴(kuò)散燃料通道與D5支管連接，擴(kuò)散燃料流道分為兩組，2只一組與PM2支管連接，另外3只為一組與PM3支管連接，中間1只噴嘴僅有的擴(kuò)散燃料通道與PM1支管連接。
4、相對(duì)DLN2.0＋，天然氣模塊中各增加一路天然氣管路及吹掃空氣管路。
5、燃機(jī)透平間內(nèi)各增加一路天然氣分配支管及吹掃空氣分配支管。
燃燒系統(tǒng)DLN2.6＋燃燒模式見圖2。
升級(jí)為新型的DLN2.6＋燃燒系統(tǒng)后，將帶來以下受益：
1、將MWI范圍由給定值的1±5%升級(jí)為1±10%，提高了燃燒系統(tǒng)對(duì)燃料熱值變化的適應(yīng)性，能有效降低燃燒脈動(dòng)壓力，從而降低燃燒部件尤其是過渡段、燃燒筒損壞的幾率。
2、解決了機(jī)組低負(fù)荷時(shí)火焰筒頭部壁溫分布不均的問題，有效避免因燃燒部件局部過熱、鼓包，降低火焰筒壽命的故障發(fā)生。
3、燃燒部件的檢修周期由燃燒8000h升級(jí)為燃燒24000h。
4、擴(kuò)大了預(yù)混燃燒模式運(yùn)行的工況范圍，有效降低燃燒排放。50%負(fù)荷時(shí)NOx/CO的排放可達(dá)到20mg/m3，30%負(fù)荷時(shí)排放可達(dá)到30mg/m3�！�
六、結(jié)語
上海漕涇熱電是中國第一批F級(jí)燃機(jī)電廠，與華東地區(qū)其他幾家電廠同批引進(jìn)的燃機(jī)所不同的是，漕涇熱電采用的是9F級(jí)多軸雙燃料燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，在系統(tǒng)配置上會(huì)有所不同，但所使用的燃燒系統(tǒng)相同，遇到的問題類似，有關(guān)故障的原因分析和改進(jìn)措施可相互借鑒。
作者：荊迪 莊清泉 上海漕涇熱電有限責(zé)任公司
