M701 F4型燃氣輪機燃燒振動的產生機理與影響因素

節鵬舉

（浙江浙能金華燃機發電有限責任公司，浙江 金華 321000）

M701 F4型燃氣輪機燃燒振動的產生機理與影響因素

節鵬舉

（浙江浙能金華燃機發電有限責任公司，浙江 金華 321000）

為了解燃氣輪機產生燃燒振動的原因及其給機組帶來的危害，分析了燃氣輪機燃燒室壓力振動產生的機理、振動的類型以及危害和產生振動的幾個重要因素。以一起三菱M701F4型燃氣輪機跳機為例，指出燃燒室壓力波動大引起的跳機原因是程序設置錯誤所致，并提出了防范措施。

燃氣輪機；燃燒室；壓力波動；燃燒振動

M701F4型燃氣輪機是三菱重工投入商業運行中最為先進的機型，具有熱效率高、啟停速度快、污染小、自動化程度高等特點。為了使燃氣輪機安全可靠的運行，首先要確保燃燒室內燃燒的穩定，若燃燒室內燃燒不穩定，輕則導致熄火跳機，重則會對燃燒室造成不同程度的損壞。燃燒振動的產生有多種形式，只有更多地了解產生的原因，才能夠有效地采取相應措施來應對由此帶來的不良后果，優化燃燒方式和燃空比，從而使機組安全、有效地運行。

1 燃燒振動的產生

在燃燒室的火焰區域內，燃燒所產生的熱量以聲光的模式釋放，如果外界因素發生改變，那么劇烈的聲光又會產生大量的熱量，反過來又加劇了聲光的釋放，從而激發壓力波動的產生，繼而產生燃燒振動，如圖1所示。

M701F4型燃氣輪機使用的燃料是天然氣，如果燃料與空氣的比例配合不好，即燃空比（F/A）在燃燒調整時若裕度不合適，則當外界因素發生輕微改變時，易出現燃燒不穩定，燃燒振動繼而產生。因此，發生燃燒振動的主要原因是燃空比在某個特定工況下發生了改變，不適合當時工況所需的比例。燃空比的控制主要體現在燃料噴嘴和燃燒室旁路閥開度的配比上，在燃燒室中燃料的進氣量主要通過主A/B燃料噴嘴、頂環燃料噴嘴和值班燃料噴嘴的開度控制，空氣的進氣量主要通過燃燒室旁路閥的開度來控制，通過改變旁路閥的開度來調節燃燒室空氣的比例，從而改變燃燒室中的流場和壓力分布，防止爆燃，保持燃燒的穩定，避免燃燒振動的產生。

圖1 燃燒室振動壓力產生機理

燃燒室內存在2種燃燒方式，即擴散燃燒和預混燃燒1。主A/B、頂環燃料噴嘴在燃燒室內是預混燃燒，可以有效降低NOX的排放，但是這種燃燒方式燃燒穩定性差，可能會出現回火；值班燃料噴嘴在燃燒室內是擴散燃燒，其火焰穩定性好，但是降低NOX的能力低。從燃燒方式上可以看出，預混燃燒易產生燃燒振動，擴散燃燒可以有效地改善火焰穩定性，從而對燃燒振動有一定的抑制作用。

2 燃燒振動的類型

燃燒室壓力振動的類型共有3種模式，其產生的機理、影響部位和發生的頻帶也各不相同，根據頻帶可將其分為低頻振動（赫姆霍茲振動）、高頻振動（軸向振動）和超高頻振動（圓周振動）。

2.1 赫姆霍茲低頻振動

低頻振動發生的頻率在15～50 Hz，因葉片的自振頻率和轉子加速時的赫姆霍茲頻率產生了共振。一旦低頻振動發生，燃氣輪機很容易熄火。出現這種燃燒振動時，燃燒器本體不會發生損傷，但是會引發4級動葉、排氣通道和鍋爐產生振動。三菱的F級機組的透平4級動葉有圍帶，因此不用擔心會發生動葉的傷害。

在發生低頻振動時，為了防止設備受到損壞，可以調整火焰的穩定來消除或改善低頻振動的影響。要使火焰穩定，可增大值班燃料噴嘴開度的比例；還可以打開燃燒室旁路閥，減少流入內筒的空氣量，從而提高火焰部位的燃空比。

2.2 軸向振動

軸向振動發生的頻率在50～500 Hz，它的產生是因為不同燃燒器部位的自振頻率和軸向的壓力波動頻率重合。軸向振動的產生會使所有燃燒器發生振動（在后面的案例中所發生的燃燒室壓力波動就發生在這個頻率波段，20個燃燒室基本都發生了振動），如果經常發生超出基準的這種振動，就會造成對燃燒器不同程度的損傷。

發生軸向振動時，為避免燃燒器受到損傷，可以采取移動火焰的位置，或者降低火焰的溫度等措施來減少燃燒器的損傷。在調整的過程中，可以關閉旁路閥來增加火焰部位的空氣，從而降低火焰的溫度；或者通過調節值班燃料噴嘴開度的比例，來移動火焰的位置。

2.3 圓周振動

圓周振動發生的頻率在500～5 000 Hz，它的產生是由于燃燒器自振頻率和周向壓力波動頻率產生共振。圓周振動產生的破壞性是最大的，此振動與燃燒器特定的部位發生共振，振動能量很高，在瞬間就會損壞燃燒器。因此，對于此類振動必須要以預防為主，一旦發生就是重大事故。

由于圓周振動的破壞性極大，因此在做燃燒調整時，要把握所發生的振動特性，通過調整能量分布，主要是燃空比和流速，從而避免出現發生振動的能量分布。

3 燃燒振動的主要影響因素

表1 天然氣組成成分 %

3.1 燃料成分的影響

M701F4型燃氣輪機的燃料供應是油、氣兩用的，目前進入中國市場投入商業運行的都是以天然氣為燃料。天然氣作為清潔能源，具有安全、經濟和環保多項優點，其主要成分是甲烷，但是不同省份的天然氣氣源不同，因此組成成分也有很大差異，如表1所示。

天然氣中甲烷的含量約在80%～98%之間，甲烷的含量越高，其熱值就越低。天然氣中甲烷含量的變化會改變燃燒室中火焰的位置，作為防范措施可以通過旁路閥的開度來進行修正，如表2和圖2所示。

因此，在燃燒調整結束后，天然氣中甲烷的含量不能變化太大，M701F4型可變范圍是±5%，若是超出此范圍必須重新進行燃燒調整，否則會因燃燒不穩定導致燃燒振動，對設備造成損傷。

在天然氣的組成成分中，甲烷與其他成分相比具有比較穩定的分子結構，其化學反應速率相對較慢，因此它的濃度對火焰溫度和位置都有一定影響，如表3和圖3所示。

表2 旁路閥開度對火焰的影響

圖2 旁路閥開度與燃燒振動的關系趨勢

表3 甲烷濃度對火焰的影響

圖3 甲烷濃度與燃燒振動的關系

3.2 燃料溫度的影響

在負荷一定的情況下，進入燃燒室燃料的流量是一定的。但是不同溫度下，燃料的體積流量不同，進入燃燒室燃料的密度和流速也不同。燃料溫度的變化會使燃料密度隨之發生變化，而密度的變化就會影響射入空氣質量，當射入空氣質量生變化時，就會影響到燃料和空氣的預混程度。而預混效果的變化就與壓力波動有關，因此燃料溫度的變化最終會影響到燃燒室的壓力波動。

燃料和空氣的預混效果最終還會影響到NOX的排放，預混燃燒可有效降低NOX的排放，圖4為燃料溫度變化對壓力波動和NOX排放的影響。

圖4 燃料溫度與燃燒振動的關系

3.3 進氣溫度的影響

進氣溫度對壓力波動的影響與燃料溫度對壓力波動的影響原理基本相同，當進氣溫度變化而空氣質量流量不變時，進氣空氣體積流量和流速隨之變化，因此空氣和燃料的預混程度發生變化，從而產生燃燒室壓力波動。

根據進氣溫度的變化，可對IGV/BV/PLCSO（壓氣機進口可轉導葉/燃燒室旁通閥/燃料限制控制信號輸出）進行溫度的修正，保證燃燒狀態的穩定；但是如果修正不適當，可能會發生不穩定燃燒。

4 燃燒振動導致跳機案例

4.1 跳機前機組狀態

浙能常山天然氣發電有限公司1號機組為三菱M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組。1號機在跳機前就地和電子間無任何消缺工作，運行人員對DCS（分散控制系統）和TCS（汽輪機控制系統）無任何操作；機組狀態是燃氣輪機轉速3 000 r/min，機組總負荷 186.88 MW，旁通閥開度52.19%，IGV開度39°，天然氣壓力3.9 MPa，天然氣溫度200℃，燃機負荷116.05 MW，汽機負荷72.83 MW，高壓主汽門開度98.7%，中壓主汽門100%，低壓主汽門100%。

4.2 故障經過

12∶13∶00，機組并網。

14∶20∶00機組總負荷176.7 MW，多個燃燒室（1，2，4，5，7，8，9號）中頻2壓力波動出現預報警，報警多次并自動復歸。

14∶22∶00，多個燃燒室（2—20號）中頻2壓力值出現預報警或高報警，報警多次并自動復歸。

14∶25∶51，4，9，13號燃燒室壓力波動限制on報警（定值：大于20 kPa報警）。

14∶26∶17，燃燒室壓力波動高超限遮斷，機組跳閘，機組總負荷186.9 MW。

4.3 檢查與分析

跳機報文顯示跳機原因為：壓力波動高超限遮斷，檢查發現4號、9號、13號燃燒室（中頻2）壓力波動值超限。

現場對各燃燒室壓力波動傳感器進行檢查，發現其固定良好無松動，機組在開機及帶負荷運行過程中，各壓力波動傳感器數據傳送正常，未發現異常。排查控制器、卡件、接線等因素，未發現異常。

核查機組運行過程中各天然氣參數，通過現場核對和比對熱值儀、密度數據、天然氣壓力、溫度、天然氣成分均未發現異常。

檢查燃燒室天然氣管道和各天然氣控制閥動作均正常，檢查門禁、場景監控記錄、運行操作情況，排除了因天然氣系統泄漏或誤碰造成機組遮斷。

TCS其他相關參數檢查核對，發現汽輪機、燃氣輪機負荷計算分配存在問題：燃氣輪機負荷116.1 MW，汽輪機負荷72.8 MW，其中燃氣輪機負荷偏小13%，這將會使燃氣輪機負荷控制的低氮燃燒器旁路閥開度比正常時增大20%，造成燃燒室燃燒不穩定，壓力波動增大。

造成以上汽輪機、燃氣輪機負荷分配異常的原因是：東方電氣自控人員進行 TCS2 CPUA/ CPUB適配器故障處理時，更換CPUA卡并重新下裝了TCS控制程序。程序中汽輪機負荷計算修正曲線設置錯誤，造成汽輪機、燃氣輪機負荷分配出錯，燃氣輪機旁通閥開度偏大，導致燃空比發生較大改變，引起燃燒室燃燒不穩定，燃燒室壓力波動值超限導致遮斷。

4.4 防范措施

（1）今后TCS控制程序更新前，必須提供書面修改文件，程序更新后必須進行核對工作。確認TCS目前所有程序已全部編譯下裝。

（2）完善運行規程中關于燃燒室壓力波動大相關處理措施，并舉一反三對其他事故處理措施進行補充和完善。

（3）加強對程序修改監督管理，并對書面修改文件進行確認和記錄工作。

（4）加強對運行規程及運行異常處理措施的學習和培訓。

5 結語

燃燒振動會導致機組跳機，甚至燃燒室損壞。雖然引起燃燒振動的因素有很多，但最終反應的是燃空比的變化，在燃料成分、進氣溫度等外界條件發生較大變化、超出了A-CPFM（燃燒室壓力波動自動調整系統）的調整范圍、燃空比不能滿足現有的工況時，必須重新進行燃燒調整，以免對機組造成損傷。

[1]張欣剛，任靜，徐治皋．燃氣輪機燃燒室預混燃燒不穩定性的數值研究[J]．動力工程，2007，27（6）∶850-855．

[2]吳海濱．M701 F燃機的燃燒室壓力波動監視系統[J]．燃氣輪機技術，2009，22（2）∶60-63．

[3]李祥晟，豐鎮平．燃氣輪機燃燒室振蕩被動控制方法的數值研究[J]．動力工程，20O7，27（3）∶318-322

[4]周曉宇，潘勇進．DIN-2.0+燃燒室燃燒異常的判斷及處理[J]．燃氣輪機技術，2007，20（2）∶56-60．

（本文編輯：陸 瑩）

Generating Mechanism and Influencing Factors of Combustion Vibration in M701 F4 Gas Turbine

JIE Pengju
（Zhejiang Zheneng Jinhua Gas-fired Cogeneration Co.，Ltd.，Jinhua Zhejiang 321000，China）

In order to learn reason of combustion vibration of gas turbine and its harm to units，the paper expounds mechanism of pressure vibration in combustion chamber of gas turbine，vibration types，hazards as well as several vibration generating factors.By taking a trip accident of M701F4 gas turbine manufactured by Mitsubishi，the paper analyzes that generator tripping due to large fluctuation of combustion chamber pressure is caused by program missetting；besides，it presents preventive measures.

gas turbine；combustion chamber；pressure fluctuation；combustion vibration

TK477

B

1007-1881（2015）11-0065-04

2015-09-17

節鵬舉（1987），男，助理工程師，主要從事天然氣發電熱工技術工作。