天然氣電廠燃燒器輔助噴嘴積碳問題分析與處理

林森

摘 要：天然氣電廠燃燒器輔助噴嘴積碳是導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定和透平部件損傷的主要原因之一，危害極大。燃料噴嘴主要包括輔助噴嘴和主燃料噴嘴，在機(jī)組啟動、負(fù)荷劇烈變化時，為防止火焰熄滅，輔助燃料噴嘴進(jìn)行擴(kuò)散燃燒穩(wěn)定火焰，當(dāng)輔助噴嘴頂部積碳堵塞燃料孔時，燃燒情況將變得非常不穩(wěn)定，并且碳顆粒脫落后會隨著高溫?zé)煔庀蛲钙椒较蛄鲃樱街趧?、靜葉環(huán)冷卻涂層上使葉片冷卻效果極具惡化，帶來破壞性的后果。本文通過對輔助噴嘴積碳原因進(jìn)行分析，提出解決方法，消除安全隱患，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：燃機(jī)透平;燃燒器;積碳;強(qiáng)化冷卻型噴嘴

1 引言

某電廠安裝2臺M701F4型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，采用單軸一拖一布置，額定出力為452MW，燃?xì)廨啓C(jī)采用環(huán)管型預(yù)混多噴嘴干式低NOx燃燒室結(jié)構(gòu)，燃料噴嘴采用了混合運(yùn)行方式，配有兩級燃燒器組件，包括1個輔助燃料噴嘴、8個主燃料噴嘴和16個頂環(huán)噴嘴。輔助噴嘴位于燃燒器中心，采用擴(kuò)散燃燒方式;8個主燃料噴嘴彼此獨立環(huán)繞在輔助噴嘴周圍采用預(yù)混燃燒方式。由于輔助噴嘴與主燃料噴嘴火焰燃燒方式不同，所以兩個噴嘴的空氣旋流器在設(shè)計上有所差異，當(dāng)空氣通過輔助噴嘴旋流器后，與輔助噴嘴噴出的燃?xì)庵苯踊旌先紵?，而流?jīng)主燃料噴嘴旋流器的空氣形成渦流，在一個喇叭口形組件中與來自主噴嘴的燃?xì)忸A(yù)混合但并不燃燒，然后從側(cè)邊射入輔助噴嘴火焰所在的燃燒區(qū)域被點燃，此時混合的可燃?xì)怏w燃燒溫度較低，氮氧化物排放明顯減少。在機(jī)組高負(fù)荷時，控制輔助噴嘴的燃料保持火焰穩(wěn)定，增加主噴嘴的燃料提升機(jī)組出力，同時增加預(yù)混燃燒的比重，維持NOx的排放在合理范圍，可見輔助噴嘴在整個燃燒過程中起到至關(guān)重要作用。

2 輔助燃料噴嘴頂部積碳情況

為了提高燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組效率，目前F級燃機(jī)透平燃?xì)獬鯗匾迅哌_(dá)1400℃以上，因此確保透平部件得到良好的冷卻效果尤為重要。2019年該廠燃機(jī)透平部位進(jìn)行T級檢修，在缸內(nèi)解體時發(fā)現(xiàn)一級動、靜葉片涂層上附著大量黑色顆粒，堵塞了葉片冷卻孔，聚積處的涂層已經(jīng)大面積脫落，少量葉片金屬存在被燒穿現(xiàn)象。由于在一級動、靜葉片上最為明顯，并且燃燒器內(nèi)高溫高壓氣體通過過渡段后直接進(jìn)入一級靜葉環(huán)，所以有必要將全部燃燒器進(jìn)行解體檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)輔助燃料噴嘴頂部存在積碳情況，涂層不同程度脫落、冷卻孔部分被堵塞，并且聚積的碳粒子會隨著高溫高壓煙氣向透平方向流動，附著在動、靜葉環(huán)冷卻涂層上。將相關(guān)情況與廠家溝通、分析后確認(rèn)，輔助噴嘴頂部積碳會造成噴嘴本身及透平葉片涂層脫落、裂紋、高溫氧化開孔等損傷現(xiàn)象。

3 輔助噴嘴積碳情況的原因分析

（1）燃料系統(tǒng)過濾精度不夠，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存在雜質(zhì)。燃?xì)怆姀S燃料系統(tǒng)管線長、設(shè)備多，包括管網(wǎng)輸送管道、調(diào)壓站、前置模塊、燃料調(diào)節(jié)閥等設(shè)備，如果管道、設(shè)備內(nèi)部存在鐵銹等顆粒，同時系統(tǒng)內(nèi)過濾器過濾精度不夠，那么沒有被清除干凈的固體顆粒就可能會在燃燒后殘留在噴嘴的頂部，長時間累積形成積碳現(xiàn)象。

（2）燃?xì)鈿庠粗辛蚧锏裙腆w顆粒含量超標(biāo)。該廠使用的天燃?xì)鈿庠磥碜怨芫W(wǎng)，燃?xì)獬煞植豢杀苊獯嬖诙鄻踊?，且不確定性較高，超標(biāo)的固體顆粒燃燒后吸附在輔助燃料噴嘴頂部，形成積碳現(xiàn)象。因此氣源中存在固體顆粒可能是原因之一。

（3）壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及缸體內(nèi)部長時間未清理，存在鐵銹等固體顆粒。該廠機(jī)組為調(diào)峰機(jī)組，全年運(yùn)行小時數(shù)相對較少，導(dǎo)致檢修周期較長，且缸體內(nèi)零部件冷熱狀態(tài)變化頻繁，易形成銹蝕，長時間不檢查清理，鐵銹等固體顆粒會隨著壓縮空氣進(jìn)入燃燒器的輔助噴嘴，堵塞頂部燃料孔形成堆積現(xiàn)象。

（4）進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)存在固體顆粒。進(jìn)氣系統(tǒng)包括粗濾和精過濾兩部分，氣源取自外界空氣，機(jī)組運(yùn)行時，參與燃燒的壓縮空氣通過進(jìn)氣系統(tǒng)過濾后進(jìn)入燃燒器內(nèi)，如果濾芯精度等級不夠、失效導(dǎo)致過濾效果差，或者系統(tǒng)設(shè)備銹蝕存在固體顆粒，那么氣源中就會攜帶雜質(zhì)進(jìn)入燃燒器輔助噴嘴，長時間未清理也會形成堆積現(xiàn)象。

（5）輔助噴嘴材質(zhì)及頂部結(jié)構(gòu)形式原因。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時，輔助燃料噴嘴起到穩(wěn)定燃燒作用，因此始終處于高溫狀態(tài)，特別是噴嘴頂部靠近火焰位置溫度最高，如果材質(zhì)選用不當(dāng)或者結(jié)構(gòu)形式設(shè)計存在隱患，不能及時將熱量散發(fā)，那么金屬材質(zhì)及表面涂層就一直在超過額定溫度的環(huán)境中工作，導(dǎo)致輔助噴嘴本身結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生固體碳粒子，隨著運(yùn)行時間的延長，固體碳粒子逐漸增多聚積在頂部形成積碳現(xiàn)象。

4 輔助噴嘴積碳問題的處理

（1）燃料系統(tǒng)、缸體內(nèi)部存在鐵銹等固體顆粒問題的處理方法，要對缸體內(nèi)部、轉(zhuǎn)子、以及系統(tǒng)設(shè)備管道進(jìn)行解體檢查，存在底部積水、大面積銹蝕情況，必須打磨清除干凈，保持潔凈度。并且在運(yùn)行維護(hù)方面加強(qiáng)監(jiān)督，停機(jī)后及時排放疏水，定期對設(shè)備進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查確保狀況良好。根據(jù)該廠機(jī)組檢修經(jīng)驗，最好能夠在每次燃?xì)廨啓C(jī)檢修時，同時進(jìn)行附屬系統(tǒng)以及過濾器的解體檢查清理，確保在一個檢修周期內(nèi)潔凈度處于良好狀態(tài)，消除隱患。

（2）針對燃料系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)過濾器濾芯精度達(dá)不到要求這一問題的解決方法，可以選擇系統(tǒng)上檢修位置方便的過濾器，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)提高過濾效果，同時提高濾芯精度等級，來滿足過濾精度要求。該廠對燃?xì)饨K端過濾器進(jìn)行改進(jìn)，濾網(wǎng)由原來水平放置改成垂直放置，同時提高精度等級，取得較好的過濾效果。

（3）燃?xì)鈿庠粗辛蚧锏裙腆w顆粒含量超標(biāo)問題的處理方法，首先要對氣源氣體成分進(jìn)行化驗分析，明確成分占比是否符合規(guī)定要求，如果固體顆粒含量超標(biāo)，那么需要有針對性的對燃?xì)庵蓄w粒進(jìn)行分離或者吸附處理，保證燃?xì)獬煞趾窟_(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

（4）該廠在處理本次輔助噴嘴頂部積碳現(xiàn)象過程中，通過對可能造成積碳原因逐一排查，最后得出結(jié)論，現(xiàn)有的輔助噴嘴材質(zhì)及頂部結(jié)構(gòu)形式不佳是導(dǎo)致積碳現(xiàn)象的主要原因。正在使用的輔助噴嘴頂部冷卻孔分布較少、散熱冷卻效果差，隨著運(yùn)行時間增加，導(dǎo)致大量固體顆粒聚積在噴嘴頂部，在高溫作用下形成積碳現(xiàn)象。處理方法是更換為冷卻強(qiáng)化型輔助噴嘴，改變頂部結(jié)構(gòu)形式，增加冷卻空氣孔降低頂部溫度，減少碳粒子生成，并通過冷卻空氣將碳粒子吹散，避免積碳現(xiàn)象產(chǎn)生。更換冷卻強(qiáng)化型噴嘴后，對輔助噴嘴、透平設(shè)備進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，并未發(fā)現(xiàn)積碳現(xiàn)象，運(yùn)行至今效果良好。

5 結(jié)論

燃燒器輔助噴嘴積碳問題主要與噴嘴頂部結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。積碳現(xiàn)象是較為嚴(yán)重的設(shè)備隱患，不僅影響燃燒效果和設(shè)備使用壽命，而且會危及機(jī)組安全運(yùn)行，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，所以對于透平燃燒器噴嘴等高溫通道部件的檢查要全面細(xì)致，重點查看表面冷卻通道是否完好以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，同時提高冷卻空氣品質(zhì)，保證附屬設(shè)備潔凈度，出現(xiàn)異常情況全面分析，找到主要原因消除隱患，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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