加強燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測提高燃機運行可靠性

加強燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測提高燃機運行可靠性

上海明華電力技術工程有限公司 黃素華 莊劼

本文介紹了燃機DLN燃燒系統(tǒng)燃燒不穩(wěn)定的嚴重危害，分析了燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測的成功案例，提出DLN燃機用戶有必要加強燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測，一方面及時控制燃燒動態(tài)壓力在許可的范圍內(nèi)，另一方面故障初期就發(fā)出預警信號，可以避免故障擴大化，有效提高燃機運行可靠性，降低DLN燃機運維費用。

燃氣輪機；DLN；燃燒動態(tài)壓力；監(jiān)測；燃燒不穩(wěn)定

0 引言

現(xiàn)代燃用天然氣的先進燃氣輪機（燃機）及其聯(lián)合循環(huán)機組基本都采用干式低NOx（DLN：Dry Low NOx）燃燒技術來降低NOx排放，我國2000年以來引進的F級燃機都采用了DLN燃燒技術，近些年我國有相當部分的E級燃機為了降低NOx的排放，也主要采用DLN燃燒技術對燃燒系統(tǒng)進行升級改造。這主要是因為相對于選擇性催化還原技術（SCR），DLN燃燒技術是一種比較經(jīng)濟的控制NOx排放的技術，而且已經(jīng)能夠滿足目前的國家環(huán)保標準要求。

DLN燃燒技術實質(zhì)是一種貧燃料均相預混燃燒技術，通過控制燃燒溫度和滯留時間，來達到降低NOx排放量的目的。由于燃燒溫度控制較低，DLN燃燒器的燃燒穩(wěn)定性就不如擴散燃燒器，主要表現(xiàn)為燃燒動態(tài)壓力波動大，如何抑制燃燒動態(tài)壓力波動是采用DLN燃燒技術的大型燃機共同面臨的重要問題。我國第一批引進的F級燃機火焰筒鼓包、燃燒部件報廢率高等問題，即與DLN燃燒調(diào)整不當，燃燒不穩(wěn)定、燃燒動態(tài)壓力波動異常有關。據(jù)相關文獻介紹[1]，采用DLN燃燒技術的燃機熱通道部件的修復和更換大部分直接與燃燒不穩(wěn)定問題相關，其維護費用約占F級燃機非燃料成本的70%。

1 燃燒不穩(wěn)定的危害

DLN燃燒系統(tǒng)燃燒不穩(wěn)定會降低燃機的運行性能和可靠性，相應增加燃機維護檢修的頻次和費用。燃燒不穩(wěn)定性是燃機一系列部件損壞的主要原因，包括燃料噴嘴、燃燒器內(nèi)襯、過渡段等。在極端情況下，可能損壞到燃機熱通道部件，并最終通過燃機透平部分，到達排氣擴散段及余熱鍋爐。

燃燒不穩(wěn)定可能引起：回火、由于接近熄火極限而造成的熄火、燃燒系統(tǒng)部件損壞、燃燒模式切換問題、熱通道部件的高周疲勞（HCF：High Cycle Fatigue）損壞、以及透平部分的外物損傷（FOD：Foreign Object Damage）等。

圖1 燒損的噴嘴

圖2 燃燒器內(nèi)襯的裂紋

圖1 是某GEDLN2.0燃燒系統(tǒng)燃燒器噴嘴由于發(fā)生回火而燒損。該噴嘴值班火焰燃料通道燒損后，造成該通道燃料泄漏，這樣在DLN2.0全預混燃燒模式下也有擴散火焰存在，從而造成NOx排放的升高。DLN2.0燃燒系統(tǒng)是GE公司的一個過渡型產(chǎn)品，當控制NOx排放低于15ppm時，其燃燒穩(wěn)定性較差。

燃燒不穩(wěn)定而引起的損壞很容易擴展到燃燒系統(tǒng)其它高溫部件。圖2是由于燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生振動應力而造成的燃燒器內(nèi)襯裂紋。大多數(shù)燃燒部件由燃燒不穩(wěn)定性引起的扭曲損壞，都是由于熱應力和機械應力引起的低周疲勞（LCF：Low Cycle Fatigue）而產(chǎn)生裂紋，然后由聲學、機械和熱應力影響相結(jié)合而引起的高周疲勞（HCF）使裂紋擴展。裂紋通常在高應力集中區(qū)域首先產(chǎn)生，這些高應力集中區(qū)域一般是由材料、幾何結(jié)構(gòu)、焊接甚至空氣冷卻孔造成的。

圖3 遭到外物損傷的透平葉片

圖4 燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)

某些類型的燃機對燃燒動態(tài)不穩(wěn)定非常敏感，在某些情況下可能造成嚴重的破壞。而發(fā)生損壞的初始位置通常取決于部件的諧振特性。當部件的共振頻率與燃燒動態(tài)不穩(wěn)定波動的頻率一致時，很容易造成部件的疲勞損壞。因此部件設計的自然機械頻率必須與發(fā)生燃燒不穩(wěn)定的燃燒動態(tài)壓力波動頻率間保持一個安全設計裕度。例如，S/W501F型燃機就曾經(jīng)發(fā)生過大量的由于燃燒不穩(wěn)定而引起過渡段損壞的案例。

一旦燃燒器和過渡段由于發(fā)生燃燒不穩(wěn)定而發(fā)生破壞時，就有可能產(chǎn)生碎片從而對下游的透平葉片造成災難性的傷害。圖3是S/W501F型燃機透平1、2級葉片受到由于燃燒不穩(wěn)定而破損的過渡段碎片撞擊后的情形。

燃燒動態(tài)不穩(wěn)定有一種高頻動態(tài)壓力波動（HFD：High Frequency Dynamic），有時也稱為“尖叫”（Screech），在工業(yè)燃機上有時也會觀察到。雖然HFD不很常見，但是對燃機設備的破壞力特別強，曾經(jīng)有觀察到，當發(fā)生HFD時，在短短幾分鐘內(nèi)部件就失效了。對S/W 501F和501G曾觀察到大約1600Hz及以上的HFD現(xiàn)象，而對GE F級燃機曾觀察到大約260Hz及以上的HFD現(xiàn)象?！凹饨小敝匀绱颂厥獾囊粋€原因是短時間內(nèi)就會達到很多個振蕩周期而發(fā)生高周疲勞損壞。如果燃燒部件處于2000Hz的高頻振蕩，那么只需500秒就會達到一百萬個周期的振蕩。大都由“尖叫”引起的破壞性的事件，通常發(fā)生在某一個特定部件發(fā)生共振的時候，而該共振由動態(tài)壓力波動激發(fā)。

正是由于燃燒動態(tài)壓力波動潛在的危害性，采用DLN燃燒技術的各大燃機廠商及研究機構(gòu)都研發(fā)了燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)，以便監(jiān)測燃燒動態(tài)壓力，并通過燃燒調(diào)整將其控制在許可的范圍內(nèi)。

燃燒動態(tài)壓力波動是反映燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù)，是燃氣輪機的“心電圖”，通過監(jiān)測燃燒動態(tài)壓力波動的幅值、頻率變化，可以了解燃燒穩(wěn)定性狀態(tài)，可以及早發(fā)現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定狀況，進而進行燃燒調(diào)整，將燃燒動態(tài)壓力波動控制在合理的范圍內(nèi)，從而提高機組運行的穩(wěn)定性和可靠性，減少機組由于燃燒不穩(wěn)定引起的非停，降低燃機熱通道部件的維修費用。

對于采用DLN燃燒技術的燃機，其供應商GE、西門子、三菱都有自己的燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)，而國外的一些第三方公司也有相應的燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)并提供相應的燃燒調(diào)整服務，例如：GTE、KEMA、PSM等。有些監(jiān)測系統(tǒng)是有保護的，而且有些系統(tǒng)帶閉環(huán)調(diào)整功能，而有些監(jiān)測系統(tǒng)只用于收集數(shù)據(jù)和進行燃燒調(diào)整。下面分別介紹三大燃機供應商的燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 三菱燃燒壓力波動監(jiān)測系統(tǒng)

M701F除了常規(guī)的通過排氣溫度進行燃燒監(jiān)測之外,還采用了燃燒筒壓力波動監(jiān)測系統(tǒng)(Combustor Pressure Fluctuation Monitor,CPFM)直接對燃燒狀況進行監(jiān)測。CPFM由20個CP237動態(tài)壓力波動傳感器和4個CA134振動加速度傳感器組成，20個燃燒筒上各裝有一個動態(tài)壓力波動傳感器，#3、#8、#13、#18號燃燒筒上還裝有振動加速度傳感器。CP237和CA134都是壓電式傳感器,其安裝方式是接觸式的。

傳感器輸出的信號通過IPC704前置器放大后送至三菱設計的專用VIM 模塊(Vibration Interface Module)，該模塊的主要功能是提供快速傅里葉變換FFT算法，將接受到的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，并根據(jù)頻率的大小分解為九個頻段。控制邏輯則針對每個CPFM信號的九個頻段分別進行分析處理。

隨著大氣條件、燃氣參數(shù)的變化，以及長時間運行后壓氣機、燃機的熱部件的磨損，燃燒狀況都可能出現(xiàn)劣化的趨勢, 為了能夠?qū)崿F(xiàn)空/燃比的最優(yōu)化調(diào)節(jié)，調(diào)整燃燒至最佳的狀況，M701F燃機還專門設置了獨立于主控制系統(tǒng)的自動燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)(ACPFM)，對燃燒室旁路閥控制信號和值班燃料控制信號進行調(diào)整。嚴重超限的燃燒筒動態(tài)壓力波動可能會導致熱部件的損壞，火焰筒和過渡段都位于高溫區(qū)域，如這些部位受到嚴重損壞，脫落的碎片會隨氣流進入透平段，造成二次破壞。因此CPFM還為燃機提供了連鎖保護功能，在動態(tài)壓力波動初期監(jiān)測到幅值超限，提前RUNBACK(快速減負荷)或及時跳機來阻止熱部件的損壞。

為了能夠進行精細的燃燒調(diào)節(jié)，除了檢測關鍵的燃燒筒動態(tài)壓力波動及振動加速度信號之外，還需要檢測各種參數(shù)，如負荷、壓氣機出口壓力、溫度、葉片通道溫度偏差等，通過回歸分析處理，得到燃燒穩(wěn)定區(qū)域的預測。然后根據(jù)預測結(jié)果對燃燒室旁路閥及值班燃料比例進行調(diào)節(jié)，確保處于正常燃燒區(qū)域。

2.2 西門子燃燒壓力波動監(jiān)測系統(tǒng)

西門子SGT5-4000F燃機是環(huán)形燃燒室，內(nèi)壁敷設陶瓷瓦塊，采用2個高溫動態(tài)壓力傳感器CP216來測量燃燒室動態(tài)壓力波動的“轟鳴”（Humming）信號，而采用3個高靈敏壓電式加速度傳感器CA201或CA901來測量燃燒室缸體振動的加速度。然后通過ARGUS?軟件對反映燃燒室動態(tài)壓力波動的“轟鳴”信號和反映燃燒室缸體振動的加速度信號進行快速傅里葉變換實現(xiàn)對燃燒可視化監(jiān)測。如果“轟鳴”信號超出規(guī)定壓力值范圍之外，則機組降負荷，若持續(xù)一段時間后仍然存在報警則機組保護動作。

而加速度增大的后果是損壞燃燒室內(nèi)的陶瓷瓦塊，故必須監(jiān)測并識別，并且加以快速消除，以最大限度地降低對燃燒室陶瓷瓦塊的損害，確保燃機安全運行。西門子根據(jù)燃機運行工況及造成燃燒室內(nèi)瓷瓦損傷程度，設置4個加速度監(jiān)測限值（GW1、GW2、GW3、GW4）。燃機啟動時燃燒可能不穩(wěn)定，因此在達到一定轉(zhuǎn)速且延遲一段時間后才激活限值GW1、GW2，以監(jiān)測加速度。限值GW1、GW2分別對應不同負荷下的加速度限值，在燃料切換期間限值GW1、GW2無效。而限值GW3是“快速啟動”限值，如果發(fā)生加速度超出限值GW3，則預示燃燒室內(nèi)瓷瓦會嚴重損壞，必須快速切斷燃料（燃機跳閘）。而燃機在基本負荷運行時燃燒的不穩(wěn)定也可以被提早發(fā)現(xiàn)并予以保護，限值GW3不受任何限制始終有效。限值GW3觸發(fā)后，若燃燒室瓷瓦的運行時間不超過2000小時，則需要評估和衡量潛在的安全風險，以判斷是否需要對燃燒室進行檢查?！邦A測”限值GW4在壓氣機進口導葉角度大于一定值，且燃機在基本負荷附近運行時被激活，當監(jiān)測到加速度峰值超過GW4后則降低燃機的負荷，以抑制缸體振動的加大，從而可以通過限值GW4達到早期預測、防止振動進一步加大觸發(fā)跳機的目的。

圖5 過渡段故障的早期頻譜圖（1-4燃燒器）

圖6 過渡段故障的早期頻譜圖（5-8燃燒器）

2.3 GE燃機燃燒壓力波動監(jiān)測系統(tǒng)

GEPG9351FA燃機是分管式燃燒系統(tǒng)，有18個燃燒筒，每個燃燒筒上都安裝有PCB動態(tài)壓力傳感器，每個傳感器與對應的阻尼盤管連接。采集的燃燒動態(tài)壓力信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)據(jù)分析模塊，然后通過快速傅里葉變換（FFT）對各燃燒模式采集的燃燒壓力波動數(shù)據(jù)進行處理和分析，一般按低、中、高分為三個頻段，斷點一般設為100Hz和300Hz，每個頻段都設置有相應的報警值。與三菱和西門子不同的是GE沒有設置燃燒筒的振動加速度傳感器。

我國首批引進的PG9351FA燃機都是DLN2.0+燃燒系統(tǒng)，起初GE公司僅預留了燃燒動態(tài)壓力波動監(jiān)測接口，用于初始投運、熱通道檢修后及季節(jié)性的DLN燃燒調(diào)整。隨著投運燃機熱通道部件報廢率高、部件使用壽命達不到設計要求，GE公司開始推薦其用戶安裝燃燒動態(tài)壓力波動實時監(jiān)測系統(tǒng)（Combustion Dynamic Monitor：CDM），以便控制燃燒動態(tài)壓力波動在許可的范圍內(nèi)，延長熱通道部件的使用壽命。因此，有些PG9351FA燃機用戶安裝了CDM系統(tǒng)，但是這些CDM系統(tǒng)還不是閉環(huán)的，即不能根據(jù)燃燒動態(tài)壓力變化對燃燒自動進行調(diào)整，也不進入機組保護系統(tǒng)，只是用于收集數(shù)據(jù)以及就地和遠程DLN燃燒調(diào)整。而在GE公司近幾年推出的DLN2.6+燃燒系統(tǒng)則實現(xiàn)了閉環(huán)控制，即可以針對氣溫、燃料組分等變化引起的燃燒動態(tài)壓力波動增大進行實時的調(diào)整和控制，將燃燒動態(tài)壓力波動的幅值控制在許可的范圍內(nèi)。

圖7 值班燃燒器故障的相鄰燃燒器頻譜圖[1]

3 燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測的成功案例

盡管燃燒系統(tǒng)的頻譜特征隨燃料分配和負荷變化而變化，但是在相同燃料分配和負荷下，不同燃燒器的這些頻譜特征應該是完全相同的。通過觀察這些頻譜特征的差別可以來甄別燃燒系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題。對特定的燃燒器或相鄰的位置通常會發(fā)生一些局部的現(xiàn)象，如某個部件損壞或流動紊亂，此時該燃燒器的頻譜就會表現(xiàn)出與眾不同的特征。而燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測可以觀察所有燃燒器的頻譜特征，并且可以結(jié)合機組運行參數(shù)來進一步甄別出該燃燒器的問題，在燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障的初期就發(fā)出警報，避免故障的擴大化，有效降低燃機運維成本。對DLN燃燒系統(tǒng)燃機的燃燒動態(tài)壓力波動監(jiān)測在國外已經(jīng)有非常多的成功案例，下面介紹過渡段故障和值班噴嘴故障案例：

3.1 過渡段故障

由圖5、圖6可見，該燃燒器運行中典型的主要峰值應出現(xiàn)在135～145Hz，然而4、5、6號燃燒器在235Hz處出現(xiàn)了另一個峰值。并且5號燃燒器該頻率處的幅值比相鄰的4、6號燃燒器相應的幅值高。初步判斷5號燃燒器有故障，停機檢查后發(fā)現(xiàn)5號燃燒器的過渡段有破損。

3.2 值班噴嘴發(fā)生裂紋

在本案例中，運行人員首先接受到的信息是16號燃燒器在100～500Hz頻段出現(xiàn)了報警信號。圖7是11至16號燃燒器的頻譜圖，16號燃燒器的頻譜幅值超過了報警值。

圖中16號燃燒器明顯的顯示在156Hz處出現(xiàn)了尖峰信號，稍微偏離了系統(tǒng)正常峰值的頻率范圍（125～135Hz）。再仔細看，與16號燃燒器鄰近的15號燃燒器在156Hz處峰值雖然沒有超報警值，但是也比較高，而11號到14號燃燒器在156Hz處的峰值并不明顯，初步判斷16號燃燒器出現(xiàn)故障。

仔細分析燃機的運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)燃機NOx排放升高3～5ppm，燃機排氣溫度差升高45℃。但是，排氣溫度差仍然低于報警值，在部件損壞進一步擴展前不會被注意到。但是通過CDM監(jiān)測和對機組運行數(shù)據(jù)的分析，決定對16號和15號燃燒器進行內(nèi)窺鏡檢查，檢查表明16號燃燒器的值班燃料噴嘴出現(xiàn)裂紋。由于裂紋的存在，一部分燃料從法蘭焊縫的裂紋處進入燃燒器。如果這種狀況繼續(xù)進行下去，值班燃料噴嘴就可能發(fā)生斷裂，并且斷裂部分會進入下游透平部分引起災難性的損害。

4 結(jié)束語

為了降低NOx的排放，燃機DLN燃燒器的燃料/空氣比的控制范圍變得更小、更精確，因此，當環(huán)境溫度、濕度發(fā)生變化或者燃料組分發(fā)生變化時，就可能引起燃燒不穩(wěn)定，造成燃機非正常減負荷或跳機，損傷熱通道部件、縮短檢修周期、增加運維成本。而這種燃燒不穩(wěn)定會通過燃燒動態(tài)壓力波動這個特征參數(shù)反映出來，通過對燃燒動態(tài)壓力的監(jiān)測和分析，可以在燃燒部件發(fā)生故障初期發(fā)出預警，從而避免故障的擴大化，有效提高燃機運行的安全可靠性，降低燃機運維費用。

1.Combustion Instabilities in Gas Turbine Engines:Operational Experience,Fundamental Mechanisms, and Modeling. Timothy C. Lieuwen,Vigor Yang , Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics,Inc. (ISBN 156347669X) ：p4.