燃气轮机环形燃烧室燃烧失稳原因分析及防范措施

燃气轮机环形燃烧室燃烧失稳原因分析及防范措施

孟繁禹

华电福新江门能源有限公司,广东省江门市,529085

摘要：近年来我国的燃气工程建设有了很大进展，燃气轮机燃烧失稳会造成燃烧室内部剧烈扰动，甚至熄火停机。对不同燃气轮机燃烧失稳产生的机理进行分析，认为环形燃烧室更容易产生大幅燃烧波动，并会引发更为严重的热声振荡现象，损伤燃烧室及下游热通道部件。为了避免燃烧波动的产生，本文就燃气轮机环形燃烧室燃烧失稳原因分析及防范措施进行研究，以供参考。

关键词：燃烧波动;熄火停机;机理;环形燃烧室

引言

燃气轮机发电具有技术先进、有利于电网调峰和更加环保等优势，在国内发电领域占有一定的比重。国内主要引进 GE、三菱、安萨尔多和西门子等厂家的燃气轮机机型，设备技术存在一定的差异，尤其在燃烧系统设计方面差异最大。几家制造单位在天然气燃烧方面做了大量的研究，燃气轮机燃烧设备更新换代最快，燃烧效率、污染物排放指标竞争最为激烈。

1燃气轮机结构简介

本文以AE64.3A型燃气轮机作为分析对象，它是一台自成体系的轴流式简单循环，单轴布置的原动机。用来减速和功率出的减速齿轮箱上附带有驱动转子设备的液压马达，它是以一个独立的、封闭式的传动装置出现，安装在燃气轮机的进气端。整台燃气轮机由下列部件所组成：带有柔性连接法兰的空气进气集管。带有辅助驱动法兰的高速行星式减速齿轮箱。轴向、垂直平面分开式壳体的轴流式压气机，有15级压气机,一级进口可调导叶,24个燃烧器。四级叶片的燃气涡轮总成、排气集管。以上这些部件之间采用带有定位凸缘的配对法兰进行精确的对中，再用强力螺栓连接在一起，形成了一个刚性很强的组合体，依次安装在一个用重型钢结构焊接而成的公共底座上面，公用底座与动力模块上的强梁构件之间采用三点支撑的方式连接以减少振动的传递。燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室，和燃气涡轮（即透平）发动机三大部件组成。燃气涡轮发动机与压气机、负载的不同连接方式，使得燃气轮机在结构设计上分成单轴，分轴，套轴，三轴等轴系结构。燃气轮机在发展过程中分为轻型结构和重型结构，轻型结构又分为航机改型和工业型两支，工业型结构在某种程度上可以认为是介乎轻型和重型结构之间的产品型式。

2环形燃烧室调试或运行中出现的问题

为了达到更高的安全性和运行效率，燃气轮机在投运前和季节变化时均要进行燃烧调整。燃气轮机在燃烧调整中要对燃料阀、空气阀进行调整，以维持更低的氮氧化物排放和更高的运行效率。燃烧调整需对稳定燃烧上下限进行确定，因此燃烧调整具有一定的风险性，需要根据燃烧调整规程和调试经验谨慎操作，防止出现跳机事件。现就环形燃烧室燃气轮机跳机的几个案例进行简介和分析。(1)某燃气轮机燃烧调整时，在对值班燃料进行下限试探中，突然出现燃烧波动，燃烧室嗡鸣声和加速度突然增大，造成燃烧室内部隔热瓦块损坏。(2)某燃气轮机在燃烧调整过程中，由于系统故障引发燃料阀门开度突变，燃烧室出现剧烈的波动，燃烧室嗡鸣声和加速度突然升高，造成燃烧室内部隔热瓦块损坏并脱落，伤及后部透平叶片。(3)某燃气轮机在运行中，值班燃料阀因温度低，出现天然气中含有的硫析出，造成阀门堵塞，使得值班流量降低，导致燃烧室出现燃烧波动，加速度突然增大，造成燃烧室内部隔热瓦块出现裂纹。对于环管形燃烧室，如果单个燃烧器值班燃料突然减少，会造成该燃烧器火焰不稳，如果值班火焰过小甚至熄灭，将无法提供给预混燃烧足够的能量，会造成预混燃烧波动，局部出现熄火、重新点燃的动态过程。燃烧筒内部剧烈波动，系统就会发出该燃烧器燃烧波动、加速度大报警，甚至触发保护跳机。由于单个燃烧器的燃料有限，能量较小，因此燃烧波动幅度较小，对燃烧器涂层一般不会造成损坏。

3防范措施

3.1通讯故障排除

查找电气图纸，确定燃气控制阀的通讯模块单元位置。没有发现相应线路、模块故障、报警灯显示等情况，并且工控机上未出现通讯故障报警。基本排除通讯故障原因。

3.2网格及边界条件

考虑到计算资源的限制，计算模型做一定的简化，包括计算区域选取整模型的1/8扇形区域，并在网格制作过程中，将对称面做周期性网格边界处理，此外，未对火焰筒壁面多斜孔进行实际建模，相应地修正了该部分空气流量配比；采用专业网格生成软件ICEM12.1对计算区域进行网格划分，由于计算区域结构复杂，在此采用了非结构网格，在旋流器、喷嘴、主燃孔、掺混孔及冷却孔等附近进行了加密，通过网格无关性验证以后，最终采用的网格量约600万。

3.3燃气控制阀阀芯卡死排查

发生关停后，检查燃气控制阀状态发现其已快速关闭到0位置，该关闭过程从反馈信号上未见明显的卡滞或者波动表现，并且通过拆开阀芯进行检查，未发现阀芯卡滞问题，故基本可以判断不是阀芯卡死所致。阀芯检查情况将阀芯位置管线拆开进行了检查，检查发现燃气滤器无水、无明显其它问题，滤芯脏的程度和正常使用情况相符，由此也基本排除了燃料气处理系统的问题。然后对燃气轮机燃气控制阀阀芯进行了检查，检查发现阀芯也和正常使用情况吻合。

3.4火焰形状分析

在环形燃烧室内，天然气与空气混合后火焰呈空心柱状，接触燃烧的部分主要集中在天然气柱与空气柱的交界处，这说明在环形燃烧室内也没有完成气体混匀。火焰在喷口处没有继续燃烧至球形拱顶顶端，形成的燃烧火焰高度较短，并向下方蓄热室聚拢延伸，火焰在向下延伸过程中，火焰宽度呈减小趋势，并烧至蓄热室格子砖处。在环形内燃室气体出口处和蓄热室内壁处火焰形状变化较大。

3.5对天然气配气阀门及管道、环管进行检查清理

消除管道及接口渗漏，并对流量计进行校验。出现嗡鸣声和加速度信号增大、透平排烟温度分散度超标等异常时对天然气滤网、各燃烧器供应管路、燃烧器燃料喷嘴进行全面检查，防止因喷嘴堵塞造成燃烧波动。

3.6安装监测软件系统，超前进行控制，实现自动燃烧调整功能

为了对燃气轮机燃烧室进行监控，部分燃气轮机在燃烧室安装了嗡鸣探头和加速度测量元件。通过对嗡鸣声和加速度信号的实时测取，并依靠软件进行频谱分析。软件一般通过傅里叶变换获得时域、频域的转换，得到不同频域压力信号的振幅变化。通过对不同频域幅值的变化，可以超前发现各频域振幅的异常，并通过增加值班燃料、降低机组负荷等手段来保持燃烧稳定，在一定程度上避免热声振荡的发生，通过程序控制实现自动燃烧调整功能。

结语

在随后对故障阀的拆检研究中，发现其控制电路板上有一处疑似烧灼变焦黄的痕迹，其它没有发现明显异常。由于现场暂时不具备对控制电路板和芯片进行检测的条件，只能等后期再送修或逐步研究。随着国内燃气轮机安装数量的不断增多，部分燃气轮机环形燃烧室存在的问题也逐渐暴露出来。燃烧室压力剧烈波动、加速度突增有较大的破坏作用，一旦发生会造成较大的设备事故和经济损失，目前也已经得到了燃气轮机发电企业的重视。本文对燃气轮机燃烧室燃烧波动的原因和机理进行了分析，重点对环形燃烧室燃烧器由于各种原因导致的值班燃料流量减小并引发燃烧室剧烈振荡进行了介绍，并提出了较为可行的防范措施，为同类型燃气轮机的运行和维护提供了借鉴。

参考文献

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