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1、燃气轮机燃烧故障原因与检修策略探究摘要：燃气轮机在城市电网调峰中起着重要作用，然而目前不少机组运行情况 并不理想，出现一系列燃烧故障问题。本文将首先分析燃气轮机燃烧室结构，并 在此基础上结合实例针对燃机常见的燃烧故障进行深入讨论，为检修提供参考。 关键词：燃气轮机；燃烧；故障、八刖言随着城市用电需求的激增，燃气-蒸汽联合循环发电机组得到越来越广泛的应用，国家加 大燃气轮机设备的引入，并成为重要的重型发电动力设备。然而在燃机的使用过程中，受到 设备损耗、气候条件等原因，多次发生燃烧事故，因此如何提高燃气轮机运行稳定性成为一 个重要课题。1燃气轮机燃烧室综述燃气轮机燃烧室直接影响燃烧性能，因此对于
2、分析燃烧故障有重要意义。燃气轮机燃烧 室的基本要求包括高燃烧效率、可靠点火（地面极低环境温度，空中熄火后）、宽阔稳定极 限（气/油比）、低压力损失、保证最高透平叶片寿命的出口温度分布（型式）、低烟雾与污 染物排放、避免压力脉动和其他燃烧诱发的不稳定现象、尺寸、形状与发动机外型匹配、设 计要低成本和易于制造、可维护性、耐久性与多燃料能力。受发动机整体布局制约，燃烧室 通常分为以下三类：分管式、环管式与Annular。燃气轮机在工作过程中，通过压气机将大气 引入，然后压缩其至某一特定压力，并与燃料进行混合，经过燃烧以后形成高温燃气。高温 燃气通过燃气透平后通过透平带动发电机运转，进而将化学能转变为
3、机械能。2 V94.3A燃气轮机燃烧故障2.1故障描述上述燃烧室作为燃气轮机的“心脏”，必须确保稳定的燃烧才可以使燃机正常运转，如果 出现回火、熄火及火焰伸长等一系列不良燃烧现象，将大大降低燃机稳定性与可靠性。出燃 烧故障的燃气轮机型号为V94.3A，该燃气轮机选用环形燃烧室，共包含二十四个混合型燃烧 器，可实现扩散燃烧与预混燃烧。V94.3A型燃气轮机虽然具备安全、效率高等优势，然多次 出现燃烧不稳定现象，并导致跳机。事故发生前，燃气轮机处于正常运行状态，天然气压力为3.94Mpa，大气湿度93.1%。机 组一切运行参数均未出现异常。当负荷处于260MW稳定运行状态时，燃气轮机突然发出了 A
4、COGW3的保护动作报警，机组立即跳闸，跳闸曲线如图1所示。从图1曲线不难看出，机组燃烧加速度是在一点处突然上升的，导致燃机跳闸。为了针 对这次故障进行分析，应对燃烧监测原理与保护定值的概念以及相关测试仪器有基本了解。2.2燃烧监测原理与保护定值燃气轮器内部发生着剧烈的化学反应，在扰动的影响下极易出现振荡现象，可以称这种 压力随时间波动的现象叫燃烧不稳定。燃烧室参数测量通常包括动态压力与动态振动两方面 的测量。通常动态压力测量通过压力传感器获得多频段、多幅值的特征。测量动态振动速度 的传感器叫作ACC，可以得到外缸在不同频率情况时的振动变化速度幅值。燃气轮机中的ACC保护限定值由GW1、GW2
5、、GW3与GW4组成，其中当转速超过 2850r/min时，GW1和GW2开启监测保护作用，然而会出现30秒的闭锁。扩散燃烧模式与 预混燃烧模式相互转换时GW1与GW2会在延时两秒之后闭锁。GWS 一直处于可用状态。 GW4在达到基本负荷运行期间，可以提供加速度水平的早期监测。2.3燃烧频谱仪目前应用较多的可视化燃烧监测软件为ARGUS，可以针对加速度信号与燃烧噪声信号实 现FFT变换，以观察频谱的方式进行燃烧参数的设定。针对燃气轮机中常出现的燃烧不稳定 性问题，ARGUS燃烧频谱仪可以从低频、中频以及高频三个频段对稳定性进行评价，并用不 同颜色进行表示。通过ARGUS燃烧频谱仪进行燃烧稳定性
6、评价时采用以下准则：当高频燃烧 噪声超过低频段时，燃烧稳定性极差，会发生跳机现象。稳定的燃烧过程要求高频燃烧噪声 小，低频不可太大，中频的值介于高频与低频之间。2.4故障分析通过查看故障发生时的频谱图（如图2所示），有三方面因素表面故障发生前燃气轮机 处于非正常工作状态。全时域中频段的燃烧噪声信号很强，且高频与低频段ACC数值相近，而且在跳机使，中 频段的ACC信号有明显的剧增，这都足以说明此次跳机故障是由燃烧问题导致。为了进一步 分析导致燃烧不稳定的原因，对燃机负荷、大气温度与湿度、IGV开度、OTC温度、压气机 出口压力、天然气温度、天然气压力与天然气成分进行检测与分析，并发现天然气成分发
7、生 较大变化，因此天然气成分造成此次故障的可能性最大。通过分析天然气成分，发现其中的 N2含量为1.722%，但是该燃气轮机氮气设计值仅0.6%，进而确定了本次导致故障跳机的原 因为天然气气质变化。2.5检修总结在分析得出本次故障是燃烧故障之后，分别针对八个主要影响因素进行信号检测，即燃 机负荷、大气温度与湿度、IGV开度、OTC温度、压气机出口压力、天然气温度、天然气压 力与天然气成分，测取部位分别为发电机出口、压气机进口、进口可调导叶位置、燃机透平 出口、燃烧室进口处、天然气控制模块、天然气控制模块与天然气管道入口。其中实用负荷 变化曲线分析燃机负荷，得到负荷和频谱内数值的关系；用温湿度变
8、化曲线分析大气温湿度; 用IGV角度位反值分析IGV开度；分析出口温度变化情况得到OTC温度；通过出口压力和值 班阀开度关系分析压气机出口压力；通过测得天然气温度和ARGUS频谱数值关系分析天然气 温度。在此次故障分析中，主要发现了值班阀开度不正常、燃烧噪声波动大、ACC保护被触 发等。3 9F机组燃烧故障9F机组是美国GE公司研发生产的燃气轮机，在我国使用过程中，曾出现过几次燃烧故 障，现将其总结如下。3.1 9F机组燃烧系统监测正常工作下，9F机组的温度大约为1400摄氏度，因此燃烧室以及过渡段都会受到不同 程度损伤，也很难针对高温部件进行实时监测，因为为故障发生埋下隐患。在实际生产过程
9、中，多通过排气温度对高温部件进行间接监测。如果燃气轮机内部出现裂纹、破损等故障时， 会导致透平以及压气机的出口排气温度不稳定，同时使得进口流场也出现不均匀现象，可见 通过排气温度场的测量能够针对9F机组燃烧故障进行有效预测。本机组为了得到准确的排气 温度场，在排气通道位置均匀地设置了三十一根热电偶。不同热电偶在实际测量中读数不一 致，所以需要首先制定标准，明确不同热电偶温度差为多大时属于正常，因此引入了温度分 散度的概念。温度分散度用S表示，是平均排气温度与压气机出口温度的函数。S1、S2、S3分别代表 排气温度热电偶最高读数与最低、第二低、第三低的读数的差值。具体的燃烧监测原理如图 2所示。
10、3.2故障报警的判据（1）热电偶故障报警当S1与S的比值超过K2=5.0时，将会向外发出报警信号。当燃气轮机正常运行时，排 气温度S1是小于S的。当S1K2时，排气温度分散度即达到了允许时的五倍以上，这明显 说明故障发生。燃烧故障报警当S1超过S，且S1与S的比值超过K1时，可以说明燃气轮机的燃烧不正常，即出现燃 烧故障，发出燃烧检测报警信号。排气温度分散度过高出现遮断当燃气轮机燃烧系统出现故障时，可能导致排气温度分散度发生改变，应当遮断机组， 在实际中主要分为四种情形：一，当S1与S比值介于K1、K2之间时，此时热电偶无故障； 二、S1与S的比值超过K2,即大于5.0, S2与S比值大于K2
11、,即超过0.8时，且第2与第3 低的排气温度测点相邻；三，S3与S比值大于K4，即超过0.75时，机组主保护系统动作， 遮断停机；四，S1与S比值大于一，此时出现数据通讯故障。3.3 9F燃气轮机常见燃烧故障在对9F燃气轮机进行故障监测时，基本上都应用排气温度分散度进行评价，其中对燃烧 变化起主要贡献作用的因素如下：燃料分配均匀度、燃烧室结构、燃料雾化质量、叶片结垢 情况、喷嘴。上述因素都是导致燃烧故障的直接原因。以下将以常见的燃料供给故障与燃烧 部件问题为例进行分析。(1)燃料供给故障在燃气轮机的燃料供给系统中，流量分配器以及喷嘴起到至关重要的作用，在实际运行 中，流量分配器可能出现齿轮磨损
12、情况，导致间隙过大，使供油不充足，影响燃烧过程，进 而使排气温度场不均匀，分散度剧增。由于燃料供给系统导致的排气温度分散度提升通常和 负荷变化是正相关的。尽管9F燃气轮机暂未出现流量分配器受损问题，但是曾应喷嘴堵塞导 致跳机。此次故障发生前机组数据如表1所示。从表1可见，两个相邻排气温度的温度值和其他测点偏差较大，然而S1时而超过允许 值。在之后又多次出现相邻排气温度测点温度偏低的情况。通过燃烧监测结果与故障诊断软 件分析得到，1号与18号燃烧室可能是导致故障的原因，并对其中喷嘴进行窥镜检查。窥镜 检查结果如下：PM3燃料气经过端盖外沿通常有两个主要的通道，每个通道均安装了两个带有五孔的喷 嘴
13、，孔径2毫米。通过窥镜发现，在通道里存在3毫米左右的条状物，此异物可能是缠绕垫 片时使用的石墨条。然后再对金属缠绕垫的断裂情况进行检查，发现PM1、D5等多处出现 松脱及断裂情况，PM4喷嘴通道存在异物，并导致喷嘴堵塞，采用吸尘器将其取出。燃烧部件问题在本机组运行过程中，曾出现2号机组跳机事故。本次故障发生时S1从33.6摄氏度迅 速上升到72.6摄氏度，S2与S3也均上升至少10C，然而并没有发出燃烧故障报警。之后检 查发现，燃气轮机中的燃烧部件出现贯通性裂纹，导致大量排气进入火焰筒，将其冷却，使 得进气温度不均匀，影响正常燃烧过程。4小结本文总结了常见的燃气轮机燃烧故障，并针对不同型号燃气轮机介绍了主流的故障检修 策略，对生产实际有一定指导意义 参考文献1 刘惠明.S109FA燃气轮机燃烧故障的分析与处理J.发电设备,2011,25(5):331-335.2 汪剑波.燃气轮机燃烧脉动现象及抑制方法研究J.电力与能源2015, (1) :82-84.3 李名家，钱程，何万国等燃气轮机燃烧室故障分析及试验研究J.热能动力工 程,2010,25(5):478-481.刘惠明.PG9351FA型燃气轮机燃烧故障的分析与预防措施C./中国电机工程学会燃气轮机 发电专业委员会2014学术年会论文集.2014:300-307,358.
