燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室燃燒失穩(wěn)原因分析及防范措施

劉建生

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院， 合肥 230000)

1 問題提出的背景

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電具有技術(shù)先進(jìn)、有利于電網(wǎng)調(diào)峰和更加環(huán)保等優(yōu)勢，在國內(nèi)發(fā)電領(lǐng)域占有一定的比重。國內(nèi)主要引進(jìn)GE、三菱、安薩爾多和西門子等廠家的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型，設(shè)備技術(shù)存在一定的差異，尤其在燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面差異最大。幾家制造單位在天然氣燃燒方面做了大量的研究，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒設(shè)備更新?lián)Q代最快，燃燒效率、污染物排放指標(biāo)競爭最為激烈。

目前重型燃?xì)廨啓C(jī)主流燃燒室分為環(huán)形和環(huán)管形兩種。環(huán)形燃燒室在燃燒器后部形成一個(gè)大的環(huán)形腔室，在腔室內(nèi)壁覆有高溫隔熱瓦，用于隔離高溫?zé)煔夂腿細(xì)廨啓C(jī)缸體，高溫?zé)煔饣旌虾筮M(jìn)入透平。環(huán)形燃燒室以西門子SGT5- 4000F、安薩爾多AE94.3A兩種機(jī)型為代表。環(huán)管形燃燒室由圓周分布的多個(gè)筒形燃燒器組成，各燃燒器分別組織燃燒，煙氣沿燃燒筒、過渡段送入后部的透平。GE公司9F、三菱公司M701F燃?xì)廨啓C(jī)均采用環(huán)管形燃燒室[1]。

2 環(huán)形和環(huán)管形燃燒室的區(qū)別

環(huán)形和環(huán)管形燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展中形成的兩種不同技術(shù)路線，在燃燒組織方面具有不同的特點(diǎn)。

2.1 環(huán)形燃燒室

以安薩爾多的AE94.3A燃?xì)廨啓C(jī)為例(如圖1所示)，該機(jī)型采用環(huán)形燃燒室，共有24個(gè)燃燒器，分布于燃燒室前側(cè)端蓋。該公司最新燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器有值班、預(yù)混1、預(yù)混2三路燃料，由燃料閥對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)后送入環(huán)管，經(jīng)環(huán)管分別進(jìn)入24個(gè)燃燒器。值班燃?xì)鉃閿U(kuò)散燃燒方式，燃燒溫度較高，用于維持燃燒火焰穩(wěn)定；預(yù)混燃?xì)鉃轭A(yù)混燃燒方式，燃燒溫度較低，保證燃燒產(chǎn)生的氮氧化物維持在較低水平[2-4]。燃燒器燃燒生成的煙氣進(jìn)入相通的環(huán)形燃燒室，高溫?zé)煔饪梢栽谠搮^(qū)域進(jìn)行混合后進(jìn)入下游透平做功。

2.2 環(huán)管形燃燒室

以三菱公司M701F燃?xì)廨啓C(jī)為例，該機(jī)型燃燒室有20個(gè)燃燒器，分布于燃燒室前端蓋。該機(jī)型燃燒器為筒形(如圖2所示)，分別由燃燒器和尾筒組成，尾筒又稱為過渡段。該燃燒器有值班、主燃料A、主燃料B、頂環(huán)四路燃料，由燃料閥對(duì)流量和壓力調(diào)節(jié)后送入環(huán)管，經(jīng)環(huán)管分別進(jìn)入20個(gè)燃燒器。值班燃?xì)鉃閿U(kuò)散燃燒方式，主燃料A、B和頂環(huán)均為預(yù)混燃燒模式，四路燃?xì)馀浜夏軌蚓S持燃燒穩(wěn)定，并獲得較低的氮氧化物等污染物排放[5]。燃燒器生成的高溫?zé)煔庋馗魅紵?、尾筒后部的弧段進(jìn)入透平做功。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)管形燃燒室示意圖

2.3 兩種燃燒室的區(qū)別

環(huán)形燃燒室的多個(gè)燃燒器燃燒生成的煙氣進(jìn)入到同一個(gè)環(huán)形腔室，優(yōu)點(diǎn)是燃燒器后部相通，生成的煙氣能夠相互混合，溫度場分布更為均勻；缺點(diǎn)是各燃燒器會(huì)相互影響，若單個(gè)燃燒器出現(xiàn)燃燒波動(dòng)，引起壓力或溫度擾動(dòng)后會(huì)影響其他燃燒器，并可能產(chǎn)生燃燒共振，擴(kuò)大燃燒波動(dòng)，誘發(fā)嚴(yán)重的熱聲振蕩現(xiàn)象。由于煙氣經(jīng)過混合，導(dǎo)致透平后部溫度元件測量的溫度趨向一致，難以識(shí)別個(gè)別燃燒器存在的燃燒不穩(wěn)問題，燃燒器缺陷容易被掩蓋。

環(huán)管形燃燒室的筒形燃燒器是獨(dú)立的個(gè)體，僅通過連焰管相連，用于完成燃燒器的串聯(lián)點(diǎn)火功能。每個(gè)燃燒筒形成一個(gè)獨(dú)立的燃燒空間，獨(dú)立組織燃燒，基本不受其他燃燒器的影響。一般在筒形燃燒器后部透平設(shè)置輪間溫度對(duì)燃燒器燃燒情況進(jìn)行監(jiān)測，燃燒器出現(xiàn)燃燒異常會(huì)體現(xiàn)在輪間溫度偏差上，能夠快速識(shí)別燃燒器是否存在故障。獨(dú)立的燃燒器產(chǎn)生的燃燒振蕩不會(huì)對(duì)其他燃燒器造成影響，不易引發(fā)燃燒器間的共振現(xiàn)象，更有利于維持燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定。

從國內(nèi)天然氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況來看，環(huán)形燃燒室的缺陷明顯多于環(huán)管形燃燒室。環(huán)管形燃燒室缺陷一般位于單個(gè)燃燒器，出現(xiàn)燃燒波動(dòng)熄火、加速度超標(biāo)等異常，故障停機(jī)后一般也不會(huì)對(duì)燃燒器造成損壞。但環(huán)形燃燒室在燃燒器出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)相互影響，產(chǎn)生燃燒振蕩，造成燃燒波動(dòng)瞬間惡化，導(dǎo)致大量燃料的能量在燃燒室瞬間爆發(fā)，對(duì)燃燒室產(chǎn)生較大的加速度沖擊，造成隔熱瓦塊的損壞，并危及下游透平設(shè)備。近年來，安薩爾多AE94.3A燃?xì)廨啓C(jī)燃燒失穩(wěn)波動(dòng)造成機(jī)組跳機(jī)，并導(dǎo)致隔熱瓦開裂損壞的故障較多。

3 環(huán)形燃燒室調(diào)試或運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

為了達(dá)到更高的安全性和運(yùn)行效率，燃?xì)廨啓C(jī)在投運(yùn)前和季節(jié)變化時(shí)均要進(jìn)行燃燒調(diào)整。燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒調(diào)整中要對(duì)燃料閥、空氣閥進(jìn)行調(diào)整，以維持更低的污染物排放和更高的運(yùn)行效率。燃燒調(diào)整需對(duì)穩(wěn)定燃燒上下限進(jìn)行確定，因此燃燒調(diào)整具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，需要根據(jù)燃燒調(diào)整規(guī)程和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)謹(jǐn)慎操作，防止出現(xiàn)跳機(jī)事件?，F(xiàn)就環(huán)形燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)跳機(jī)的幾個(gè)案例進(jìn)行簡介和分析。

(1) 某燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整時(shí)，在對(duì)值班燃料進(jìn)行下限試探中，突然出現(xiàn)燃燒波動(dòng)，燃燒室嗡鳴聲和加速度突然增大，造成燃燒室內(nèi)部隔熱瓦塊損壞。

(2) 某燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒調(diào)整過程中，由于系統(tǒng)故障引發(fā)燃料閥門開度突變，燃燒室出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，燃燒室嗡鳴聲和加速度突然升高，造成燃燒室內(nèi)部隔熱瓦塊損壞并脫落，傷及后部透平葉片。

(3) 某燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行中，值班燃料閥因溫度低，出現(xiàn)天然氣中含有的硫析出，造成閥門堵塞，使得值班流量降低，導(dǎo)致燃燒室出現(xiàn)燃燒波動(dòng)，加速度突然增大，造成燃燒室內(nèi)部隔熱瓦塊出現(xiàn)裂紋。

4 原因分析

4.1 燃燒波動(dòng)的機(jī)理

對(duì)于重型燃?xì)廨啓C(jī)，為了降低氮氧化物的排放，同時(shí)獲得較高的效率，一般采用最小值班燃料來維持火焰的穩(wěn)定。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃燒機(jī)理，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)有多年的研究，并進(jìn)行過不同燃空比、壓力、溫度等環(huán)境下的試驗(yàn)[6-7]。雖然預(yù)混燃燒能夠維持較低溫度的燃燒，但由于燃燒溫度較低，燃燒過程極不穩(wěn)定，如果失去值班火焰，就會(huì)造成燃燒波動(dòng)，甚至熄火跳機(jī)。

對(duì)于環(huán)管形燃燒室，如果單個(gè)燃燒器值班燃料突然減少，會(huì)造成該燃燒器火焰不穩(wěn)，如果值班火焰過小甚至熄滅，將無法提供給預(yù)混燃燒足夠的能量，會(huì)造成預(yù)混燃燒波動(dòng)，局部出現(xiàn)熄火、重新點(diǎn)燃的動(dòng)態(tài)過程。燃燒筒內(nèi)部劇烈波動(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出該燃燒器燃燒波動(dòng)、加速度大報(bào)警，甚至觸發(fā)保護(hù)跳機(jī)。由于單個(gè)燃燒器的燃料有限，能量較小，因此燃燒波動(dòng)幅度較小，對(duì)燃燒器涂層一般不會(huì)造成損壞。

對(duì)于環(huán)形燃燒室，各燃燒器后部相連，一旦某個(gè)燃燒器故障造成值班燃料減少，值班燃燒提供的能量不足以維持預(yù)混火焰的燃燒，該燃燒器就會(huì)出現(xiàn)燃燒波動(dòng)，預(yù)混火焰也會(huì)出現(xiàn)熄火、重新點(diǎn)燃的過程，造成小范圍的燃燒波動(dòng)。如果值班燃料減少到一定程度，就會(huì)造成預(yù)混燃料無法維持正常燃燒，整個(gè)燃燒器瞬間失去火焰，該處的燃燒壓力驟降，其他燃燒器的火焰壓力就會(huì)轉(zhuǎn)向該燃燒器，造成火焰偏斜。同時(shí)由于流入該燃燒器的預(yù)混燃料逐漸增多，燃料又會(huì)被瞬間點(diǎn)燃，燃燒壓力會(huì)驟然增加，造成燃燒室壓力的劇烈波動(dòng)，氣體激波在燃燒室內(nèi)反復(fù)作用，不斷積累增大，瞬間產(chǎn)生激烈的轟鳴和更大的加速度沖擊。由于環(huán)形燃燒室采用較為脆弱的隔熱陶瓷瓦塊作為隔離層，該瓦塊承受超過8g的加速度沖擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至碎裂(如圖3所示)。

圖3 燃燒室加速度突增導(dǎo)致?lián)p壞的隔熱陶瓷瓦塊

4.2 熱聲振蕩的預(yù)防

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒的劇烈波動(dòng)破壞力巨大，燃料的能量瞬間在密閉的空間釋放，帶來的沖擊力也是巨大的，不但燃燒室陶瓷瓦塊無法承受該加速度沖擊，甚至燃燒器等金屬部件也會(huì)在沖擊中發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，整個(gè)過程還會(huì)伴隨強(qiáng)烈的嘯叫噪聲，這就是燃燒的熱聲振蕩現(xiàn)象。國內(nèi)外燃燒專家對(duì)熱聲振蕩現(xiàn)象做過具體研究，并提出過避免熱聲振蕩的相關(guān)措施。

(1) 查找故障燃燒器并進(jìn)行處理

為了消除燃燒室熱聲振蕩故障，首先通過技術(shù)手段找到故障燃燒器。如果燃燒器出廠流量測試合格，流量分散度符合標(biāo)準(zhǔn)，安裝也滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，就需要對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行排查。首先對(duì)值班燃?xì)饬髁块y進(jìn)行檢查，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，以檢查閥門的流量特性是否符合要求[8]。其次對(duì)燃燒器的燃料噴嘴進(jìn)行檢查，保證燃料噴嘴暢通，必要時(shí)返廠或在現(xiàn)場進(jìn)行流量測試，排除燃燒器噴嘴堵塞的可能。最后對(duì)環(huán)管、供氣軟管、接頭和法蘭進(jìn)行檢查，保證管路系統(tǒng)不存在泄漏。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，某型燃?xì)廨啓C(jī)值班燃料總流量降低40 g/s、單個(gè)燃燒器降低不到2 g/s，即可發(fā)生燃燒失穩(wěn)造成跳機(jī)。

(2) 安裝監(jiān)測軟件系統(tǒng)，超前進(jìn)行控制

為了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行監(jiān)控，部分燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒室安裝了嗡鳴探頭和加速度測量元件。通過對(duì)嗡鳴聲和加速度信號(hào)的實(shí)時(shí)測取，并依靠軟件進(jìn)行頻譜分析。軟件一般通過傅里葉變換獲得時(shí)域、頻域的轉(zhuǎn)換，得到不同頻域壓力信號(hào)的振幅變化(如圖4所示)。通過對(duì)不同頻域幅值的變化，可以超前發(fā)現(xiàn)各頻域振幅的異常，并通過增加值班燃料、降低機(jī)組負(fù)荷等手段來保持燃燒穩(wěn)定，在一定程度上避免熱聲振蕩的發(fā)生。

圖4 燃燒振蕩壓力信號(hào)頻域分布示意圖

當(dāng)前燃燒室嗡鳴加速度頻譜分析系統(tǒng)有西門子公司的ARGUS系統(tǒng)，三菱公司在控制系統(tǒng)中內(nèi)置了類似的分析模塊，國內(nèi)上海交通大學(xué)、上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司等研究機(jī)構(gòu)對(duì)該分析系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了算法集成，并作為后續(xù)分析軟件服務(wù)供用戶選擇[9]。

5 防范措施

為了減小環(huán)形燃燒室的燃燒波動(dòng)，將燃燒不穩(wěn)、熱聲振蕩對(duì)燃燒室造成的損壞降低到最低程度，提出如下防范措施。

1) 合理設(shè)計(jì)燃燒室及燃燒器的結(jié)構(gòu)，保證運(yùn)行中的空氣和燃料供給流量滿足設(shè)計(jì)要求。燃燒器的值班燃料、預(yù)混燃料互相配合應(yīng)能夠維持燃燒穩(wěn)定，并兼顧較高燃燒效率和較低污染物排放。

2) 合理組織燃燒，按燃料成分、熱值設(shè)置合理的燃料特性曲線[10]。通過燃燒模擬仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)獲得不同負(fù)荷點(diǎn)的值班燃料邊界，作為燃燒調(diào)整的依據(jù)。

3) 安裝前測試每個(gè)燃燒器的燃料流量特性，保證燃燒器流量分散度符合偏差要求，必要時(shí)進(jìn)行CFD流體力學(xué)數(shù)學(xué)仿真模擬計(jì)算。

4) 對(duì)天然氣配氣閥門及管道、環(huán)管進(jìn)行檢查清理[11]，消除管道及接口滲漏，并對(duì)流量計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。出現(xiàn)嗡鳴聲和加速度信號(hào)增大、透平排煙溫度分散度超標(biāo)等異常時(shí)對(duì)天然氣濾網(wǎng)、各燃燒器供應(yīng)管路、燃燒器燃料噴嘴進(jìn)行全面檢查，防止因噴嘴堵塞造成燃燒波動(dòng)。

5) 按燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器各設(shè)計(jì)工況進(jìn)行燃燒調(diào)整[12]，如燃料閥、空氣閥開度流量特性應(yīng)良好，出現(xiàn)偏差及時(shí)查找原因，必要時(shí)對(duì)管路系統(tǒng)缺陷進(jìn)行排查并處理。

6) 在燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)試和運(yùn)行中加強(qiáng)監(jiān)視，為防止出現(xiàn)燃燒室熱聲振蕩對(duì)設(shè)備造成損壞，安裝嗡鳴加速度頻譜分析系統(tǒng)，并設(shè)置數(shù)據(jù)異常報(bào)警，發(fā)現(xiàn)燃燒不穩(wěn)及時(shí)進(jìn)行干預(yù)。

7) 提高環(huán)形燃燒室的強(qiáng)度和耐沖擊能力，對(duì)陶瓷隔熱瓦塊進(jìn)行升級(jí)，防止因加速度大造成隔熱瓦塊的大面積損壞，從而避免損傷后部透平葉片。

8) 對(duì)空氣系統(tǒng)進(jìn)行檢查，保證壓氣機(jī)入口濾芯工作正常。機(jī)組停機(jī)時(shí)對(duì)壓氣機(jī)IGV、CV1開度進(jìn)行檢查，并對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)定期進(jìn)行檢修維護(hù)。

9) 在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整前制定合理的技術(shù)方案，設(shè)置各燃料閥的流量調(diào)整區(qū)間，并在調(diào)整過程中對(duì)燃燒室壓力波動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)視，出現(xiàn)異常及時(shí)對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整。

10) 加強(qiáng)對(duì)天然氣燃料的管理，定期對(duì)過濾器進(jìn)行檢查，保證天然氣清潔；進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣溫度應(yīng)正常，必要時(shí)進(jìn)行加熱，防止低溫下析出硫或其他雜質(zhì)對(duì)燃料閥門或噴嘴造成堵塞。

6 小結(jié)

隨著國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)安裝數(shù)量的不斷增多，部分燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室存在的問題也逐漸暴露出來。燃燒室壓力劇烈波動(dòng)、加速度突增有較大的破壞作用，一旦發(fā)生會(huì)造成較大的設(shè)備事故和經(jīng)濟(jì)損失，目前也已經(jīng)得到了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電企業(yè)的重視。本文對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒波動(dòng)的原因和機(jī)理進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)環(huán)形燃燒室燃燒器由于各種原因?qū)е碌闹蛋嗳剂狭髁繙p小并引發(fā)燃燒室劇烈振蕩進(jìn)行了介紹，并提出了較為可行的防范措施，為同類型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行和維護(hù)提供了借鑒。