摘要：9FA燃气轮机目前大部分使用的是DLN2.0燃烧系统，由于其燃烧模式和控制系统的原因造成运行过程中瞬时出现烟气的氮氧化物排放浓度超出国家环保局制定的排放标准；另外由于在燃烧模式切换的过程中和极端天气下，由于燃烧脉动或其他不确定因素，导致燃烧室损坏，增加了运行风险和检修成本。因此文章就9FA燃机透平排气分散度高的原因分析及预防对策展开分析。
关键词：9FA燃气轮机；排气分散度；原因；预防对策
9FA燃机在高温下连续运行，燃烧器、火焰筒等热通道部件难免会出现各种故障，运行中难以直接对这些高温部件进行监测以便及时发现故障，采用了测量透平排气温度的方法来监视判断高温部件工作是否正常。当燃烧室燃烧不正常，火焰筒、过渡段破裂引起透平一级喷嘴前温度场不均匀时都会引起透平进、出口流场和排气温度场的严重不均匀，因此，通过测量排气温度场是否均匀（即测量透平排气分散度的大小），即可间接监测燃烧是否正常。分析总结燃机透平排气分散度大的原因并提出相应的应对措施，对确保机组的安全稳定运行，有着深远意义。
1 9FA燃机概述
9FA型燃气轮机为典型的单轴结构，与传统的9E型燃气轮机相比较，省去了一个中间轴承，三支承变成了双支承。动力输出由透平排气端（热端）改变为压气机进气端（冷端）。透平改变为轴向排气，有利于与余热锅炉的连接。其控制系统应用GE公司的Speedtronic MKV，有三冗余度，由3台计算机分担燃气轮机的控制职能，三冗余的计算机或传感器之一发生故障时，内部的表决逻辑将透平控制重新定向于两台能工作的计算机和传感器，因而有较高的可靠性。其辅机安装在分开的底盘上，也有一定的冗余度。
2 燃机透平排气分散度高原因分析
2.1排气热电偶故障
排气热电偶布置在透平排气热通道中，因测量环境恶劣，运行中受气流冲刷、机组共振影响，经常发生热电偶偏斜，热电偶严重磨损，固定点松动，接线端子松动，热电偶导线高温老化，导线裸露与相邻部件发生碰磨而开路，而这些都会导致排气热电偶测量失准或故障。通常在 MAＲK－Ⅵ控制界面上发现有以下象征：监视有 1个排气温度测点明显偏低，但相邻温度点 均正常，或控制 系统 因 S1/ Sallow≥5．00，发出热电偶故障、燃烧故障报警，都可以判断出该排气热电偶故障。GE 公司《9F 级单轴燃气 －蒸汽联合循环机组运行维护手册》中指出：运行中一个排气热电偶故障时，机组可继续运行，但降低了机组运行的安全、可靠性，若发生相邻热电偶故障，或有3个排气热电偶故障，机组将遮断停机，因此，要尽可能及早更换和消除该缺陷。特别是在机组启动过程中，在燃机点火、全速、低负荷阶段应严密监视排气温度变化情况，这些阶段发生排气热电偶故障后，由于燃机温度较低，可立即进入现场进行更换或检查，在进行检查前必须解除排气分散度保护，维持机组当前工况，防止检查人员误动相邻热电偶造成排气分散度保护误动。在机组正常运行中发生排气热电偶故障，可将故障排气热电偶中间接线与其他热电偶并接，从而将故障热电偶旁路，直至机组停运后再及时消除缺陷。
2.2燃烧室燃料喷嘴有异物堵塞
个别燃烧室由于喷嘴堵塞，局部燃料量减少，直接影响该燃烧室正常工作，使得排气温度场产生一个低温区，造成排气分散度高。出现该异常情况，一般都将使排气分散度保护动作，机组遮断停机，该异常情况在机组运行时起因突然，减负荷无效。某公司 2 台机组在 2007 年初连续出现数次因排气分散度高跳机，事后用内窥镜对有关燃烧室喷嘴检查发现喷嘴通道内有异物，异物来源是燃料管道的法兰上缠绕垫片的金属丝和石墨条。透平天然气集管和各燃烧室燃料歧管法兰均采用耐高温的石墨绕丝垫床，在机组运行一阶段后，石墨绕丝垫内圈焊点松脱和断裂后，碎片随燃料进入燃烧室喷嘴通道，造成燃烧不均匀，利用内窥镜和吸尘器将异物清除，同时将所有燃料集管和各燃烧室燃料歧管以及清吹管线上的法兰垫片更换成带内外环的缠绕垫片后，机组恢复正常。机组运行时，通流部分由于气旋作用，发生故障的燃烧室位置与排气热电偶测量位置之间有一个滞后角，并与负荷、压气机进口可转导叶（IGV）开度有关。机组运行一阶段后，对法兰密封垫要及时检查、更换，总结运行小时数，减少此类故障。
2.3燃烧室燃料歧管破损，管道法兰漏气
将造成进入该燃烧室的燃料量减少，排气分散度高，燃机透平间内燃料外漏可以结合透平间危险气体监测系统进行综合判断。
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2.4燃烧室破裂，喷嘴烧蚀
燃烧室喷嘴烧蚀将造成火焰偏斜，火焰中心偏离设计区域，可能引起局部超温，排气分散度高。喷嘴组件发生故障后，会造成火焰筒、过渡段等部位变形、烧穿，一级喷嘴破裂损伤，而透平热通道部件超温危害极大，会直接缩短部件工作寿命。
2.5燃烧切换
9FA 机组在 190～200MW负荷进行燃烧切换过程中，切换点附近发生燃烧不稳定、燃烧振荡或燃料清吹阀故障，导致燃烧切换失败，此时燃料控制阀频繁动作，造成天然气流量波动，从而使排气分散度增大越限，引起机组遮断。
2.6压气机进气加热系统故障
9FA 燃机压气机进气加热系统（IBH）与IGV相互配合，具有扩大DLN 2.0+燃烧室预混燃烧工作范围和限制压比超限的作用，因此在部分负荷时，IBH 控制阀参与压气机空气流量调节。当IBH 控制阀发生故障，MAＲK VI 逻辑判断 IBH 阀位与指令偏差超过15%，且持续时间超过15s时，IBH 将故障全开。当控制系统燃机复位后，IBH 控制阀恢复正常开度，但此时压气机流量的突然改变会使燃空比瞬间变化，火焰稳定性突降，导致排气分散度大。
2.7机组燃烧调整
机组进行燃烧调整时，调整不当使燃烧安全裕度低。同时，季节性的大气温度、湿度变化，天然气的热值变化以及燃料控制阀精度等抵消了安全裕量，造成机组排气分散度大，从而导致燃烧故障。
2.8机组启停时，天然气控制阀调节品质差
机组启停过程中，由于燃料控制阀调节品质差，流量非线性，导致燃料量波动，燃烧品质下降，造成排气分散度增大。
2.9一级喷嘴烧损、开裂，冷却空气流道堵塞
若排气分散度高是由燃烧系统故障引起的，造成的局部超温对透平一级喷嘴损伤很大，也直接影响其工作寿命。
3 燃机透平排气分散度高采取的对策
燃机带负荷运行时，一旦出现排气分散度大报警，应引起足够重视，一般从以下几方面进行处理。（1）如果排气分散度在增大，应持续减负荷运行；此时如果排气分散度继续增大，应考虑停机检查。（2）IBH 控制阀故障，应减负荷至 180MW，待燃烧切换后，D5 供气环管重新投入，燃烧稳定后再进行控制系统复位，及时检查阀门定位器。（3）定期检查燃烧部件、热电偶的问题，查明各燃料喷嘴燃料分配不均匀的原因。（4）根据数据的趋势分析，停机前记录热电偶状况。（5）停机后对火焰筒和过渡段进行孔窥检查或者拆出进行目视检查。（6）检查燃料喷嘴、旋流器和各燃料支管，查明有无堵塞和烧坏。
排气分散度是燃机运行时表征燃烧状况好坏的重要参数，排除测量原因，一般排气分散度大都预示着燃烧系统发生了故障。新安装或燃烧室更换后的机组，运行中的排气分散度都较小，但随着机组运行小时数和启停次数增加，热通道部件受热疲劳、热冲击、高温蠕变的影响，特别是在规定的燃烧部件检查（CI小修）前期，排气分散度大，说明透平入口温度场已出现了不均匀。国内同类型机组平时运行时排气分散度高，其热通道部件损伤概率较高。有些机组虽然排气分散度接近报警值，机组并无遮断，但热通道部件损伤已十分严重。安装了 CDM和负荷快减保护后，系统就会在燃烧压力波动的初期监测到变化。该系统比单独采用排气分散度监测具有提前性，能在排气分散度增大前通过燃烧自动调整，来减小燃烧振荡，保护透平热通道部件，降低因排气分散度大引起的机组跳闸风险。
总之，文章通过简要分析9FA燃机透平排气分散度高的原因，并提出了一系列预防措施。同时由于采用单一的排气分散度对燃烧状况监测有一定局限性。若通过技术改造升级加装 CDM，一定能够有效降低由于透平排气分散度高引发的故障频率，从而确保机组安全、高效运行。
参考文献：
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论文作者:曹树平
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
标签：分散度论文; 机组论文; 热电偶论文; 燃烧室论文; 故障论文; 喷嘴论文; 燃料论文; 《电力设备》2019年第3期论文;