某型燃氣輪機燃料噴嘴故障研究

王廣順 郭 越

（1.北京黎明航發(fā)動力科技有限公司，遼寧 沈陽 110043；2.沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

某型燃氣輪機是在航機基礎上研發(fā)設計而成，填補了國產10MW功率級燃氣輪機的空白，取得了多項技術專利，并獲得了遼寧省新產品鑒定及中航工業(yè)科技進步一等獎。作為我國第一臺具有完全自主知識產權的燃氣輪機，可廣泛應用于發(fā)電、熱電冷聯(lián)供、應急電源、管輸增壓等動力裝置。對該型燃氣輪機中熱值型機組停機進行熱通道孔探儀檢查，以確保燃氣輪機始終處于完好、可用狀態(tài)，保證用戶安全、可靠運行。

1 故障描述

分解下燃料噴嘴并通過孔探儀檢查，發(fā)現(xiàn)噴嘴頭部有塊狀積炭，同時浮動環(huán)部件一側跟隨燃料噴嘴脫離原安裝位置，而另一側擋邊則掉入燃燒室內部。分別檢查15個燃料噴嘴及浮動環(huán)，發(fā)現(xiàn)均燒蝕嚴重，且部分噴嘴頭部有過燒現(xiàn)象如圖1、圖2所示。

2 原因分析

2.1 燃料噴嘴設計尺寸。燃料噴嘴設計為加注蒸汽的雙通道噴嘴，燃料及蒸汽從噴嘴頭部的12個孔道進入燃燒室火焰筒。由于加注蒸汽，因此噴嘴孔道流通面積較僅注入燃料氣的流通面積有相應加大。噴嘴浮動環(huán)由渦流器襯套和渦流器擋圈焊接組成（如圖3所示），燃料噴嘴頭部安裝在浮動環(huán)內，浮動環(huán)對噴嘴起支撐和限制作用，同時對進入燃燒室內腔的空氣起到引流的作用，從而使部分氣流對渦流器起到冷卻保護的作用。

2.2 浮動環(huán)金相檢查。在實體顯微鏡下觀察噴嘴浮動環(huán)襯套，發(fā)現(xiàn)斷口氧化現(xiàn)象嚴重，斷口邊緣部位的晶粒增大，中心部位的組織強化相析出增多，未見斷裂特征，為燒蝕形貌。除此之外，經實體顯微鏡觀察，兩個浮動環(huán)襯套的壁厚均有不同程度的薄厚不均現(xiàn)象，分析此現(xiàn)象產生的原因，應為浮動環(huán)襯套與噴嘴之間局部溫度過高，導致襯套材料變軟，工作過程中在振動應力的作用下，致使襯套壁厚減薄。同時在壁薄處可見明顯的顏色變化。綜上金相分析結果及試件外觀變化，判斷浮動環(huán)襯套的斷口為高溫燒蝕斷口，浮動環(huán)襯套損傷均為高溫燒蝕所致。

圖1 燃料噴嘴

圖2 浮動環(huán)

圖3 浮動環(huán)焊接組件

2.3 運行條件。在GB/T 13674-92《輕型燃氣輪機燃料使用規(guī)范》中，明確提出燃氣輪機對氣體燃料中液態(tài)碳氫物和水合物的要求是：“液態(tài)碳氫化合物和氣體燃料的水合物——最高凝結溫度應比燃料系統(tǒng)的最低溫度低一個安全溫度范圍（一般為25℃～30℃）”。而用戶燃料里明顯含液態(tài)物質，導致進入燃料噴嘴的氣體燃料中出現(xiàn)液體燃料。在氣體燃料噴嘴設計時，采用直射方式，當氣體燃料中含有液體燃料時，注入的含液體的燃料不能夠霧化處理，則在局部形成射流燃燒區(qū)，對火焰筒可造成局部過燒故障；同時，當火焰后移至渦輪導向器時，可造成導向器葉片和渦輪的燒蝕或導致熱通道部件的使用壽命大幅降低，甚至造成重大安全事故。

3 結論

經過對噴嘴及浮動環(huán)故障形貌以及機組運行條件進行分析，聯(lián)產發(fā)電廠燃料噴嘴為燃用氣體燃料噴嘴，由于加注蒸汽致使噴嘴的燃氣噴口孔徑變大；在實際應用中，加注蒸汽系統(tǒng)一直未投入使用；燃料氣供氣溫度較低未達到規(guī)范要求，導致氣體燃料中冷凝析出較多液體燃料。以上因素綜合影響，噴嘴的燃氣噴口孔徑變大，使進入氣體燃料噴嘴的燃料氣噴射速度減弱導致火焰燃燒距離變小，火焰前移至噴嘴頭附近燃燒致使局部溫度過高；同時由于燃料氣所含液態(tài)燃料不能充分燃燒，聚集在噴嘴頭部形成積炭導致燃料噴口全部或部分堵塞，進一步降低了燃料流速使噴嘴頭部火焰形成回流。這種情況積累到一定程度，在運行振動應力等的作用下，逐漸使噴嘴頭與支撐和限制噴嘴頭部的浮動環(huán)組件之間局部超溫，最終回流的燃氣燃燒后導致浮動環(huán)組件燒蝕并分離脫落。

4 建議措施

為滿足聯(lián)產發(fā)電廠機組繼續(xù)運行的迫切需求，機組排故措施分為近期措施和遠期措施兩個階段。

4.1 近期措施

4.1.1 燃料氣去液。首先消除燃料氣中含液態(tài)燃料問題，可采取的措施有：在燃料氣供氣管線出口至燃氣輪機燃料進口范圍內，增加管線伴熱裝置，以保證燃料氣供氣溫度要求，消除燃料氣中液體燃料含量；或在氣體燃料進入燃氣輪機前加設氣液分離裝置，以消除液體燃料。

4.1.2 浮動環(huán)臨時改制。更換15個噴嘴浮動環(huán)，臨時將噴嘴浮動環(huán)結構進行更改，改制后的浮動環(huán)將渦流器襯套與渦流器擋邊以整體方式加工，取消渦流器襯套內擋邊，密切關注運行狀態(tài)以確保機組的運行安全。

4.2 遠期建議。在消除液態(tài)燃料進入燃氣輪機的前提下，盡快將加濕和注蒸汽系統(tǒng)投入運行，以保證噴嘴工作在設計狀態(tài)；或將燃料噴嘴改進設計，將噴嘴頭部燃氣噴口尺寸縮小，以提高燃氣從噴嘴孔向火焰筒的噴射速度，使燃燒火焰后移，減小火焰前移的可能性，避免此類故障再次發(fā)生。

[1]劉凱，張寶誠，馬洪安，等.某重型燃氣輪機雙燃料噴嘴組試驗器研制及流量試驗[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21（02）：48-52.