9FA燃機燃燒監測系統介紹及案例分析

（杭州華電半山發電有限公司，杭州 310000）

0 引言

STAG 109FA單軸聯合循環機組是當前世界上最先進的燃氣—蒸汽聯合循環大型發電機組之一。它由PG9351FA型燃氣輪機（下簡稱9FA燃機）D10型三壓有再熱系統的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發電機和三壓有再熱但帶冷凝器除氧的自然循環余熱鍋爐組成。除余熱鍋爐由國內成套外，其余均由美國通用電氣公司（簡稱GE公司）提供[1]。燃氣輪機、蒸汽輪機和發電機剛性的串聯在一根長軸上，軸配置形式為：GT—ST—GEN（燃機—汽機—發電機），轉速3 000 r/min，從發電機方向看軸按逆時針方向轉動。

1 燃燒監測系統的介紹及分析

9FA燃機無法直接測量18個燃燒室的溫度，在排氣擴壓段均勻分布了31個排氣熱電偶，通過對這31個排氣溫度（高低）分散程度的實時監測來判斷燃燒室是否工作在正常狀態。S1、S2、S3分別為分散度1、分散度2、分散度3，即31個排氣熱電偶中最高點排氣溫度與最低點、次低點、次次低點的差值，Sa為允許分散度，是一個計算值。一旦監測到排氣分散度超過允許范圍，則控制系統會發出相應的報警甚至跳機信號，從而起到保護燃燒室、透平等高溫部件的作用。

允許排氣分散度＝TTXM×TTKSPL4－CTDA×TTKSPL3＋TTKSPL5。

穩定工況下TTXSPL的上下限為170 ℉（94.4 ℃）和50 ℉（27.8 ℃），變工況過程中增加100 ℉（55.6 ℃），相當于退出燃燒檢測，以避免排氣分散度引起的報警或跳機。

平均排氣溫度TTXM是除去比31個排氣溫度測點中第2高點低500 ℉（277.8 ℃）的所有測點后，再除去剩下測點中的最高點與最低點，余下測點的算術平均值。

TTKSPL4＝0.145。

壓氣機排氣溫度CTDA的上下限為725 ℉（385 ℃）和300 ℉（148.9 ℃）。

TTKSPL3＝0.08。

TTKSPL5＝60 ℉。

1.1 報警和跳機信號情況

1.1.1 排氣分散度報警

（1）燃燒故障報警信號（COMBUSTION TROUBLE），產生原因是S1或S3/Sa≥1（即：分散度1或分散度3≥允許分散度），延時1 s。（2）熱電偶故障報警信號（EXHAUST THERMOCOUPLE TROUBLE），產生原因是S1/Sa≥5（即：分散度1≥允許5倍的允許分散度，說明某點排氣溫度異常偏高，壞點），延時4 s。

1.1.2 排氣分散度跳機

排氣溫度分散度大遮斷報警信號（HIGH EXHAUST TEMPERATURE SPREAD TRIP），產生原因是當L4置1且L14HS置1（即機組95%額定轉速以上）時，燃燒監測保護起作用。在燃燒監測保護起作用的情況下，出現下列情況中的任意一種時，排氣溫度分散度大跳機[2]。

（1）1≤S1/Sa＜5且S2/Sa≥0.8（即分散度1＜5倍的允許分散度，但≥允許分散度，且分散度2≥0.8倍的允許分散度）且S1最低排氣溫度點和S2次低排氣溫度點相鄰，延時2 s。（2）S1/Sa≥5且S2/Sa≥0.8（即分散度1≥5倍的允許分散度且分散度2≥0.8倍的允許分散度）且S2次低排氣溫度點和S3次次低排氣溫度點相鄰，延時2 s。（3）S3/Sa≥1（即分散度3≥允許分散度），延時2 s。

2 燃燒系統異常

某日中午，#1機負荷250 MW時出現排氣分散度增大的情況，當時平均排氣溫度TTXM為648 ℃，31個排氣溫度中最低的3個分別是第8、9、10點，允許排氣分散度Sa為80 ℃，最大分散度S1為25 ℃。至下午3點鐘，機組負荷為288 MW，排氣分散度增大的情況趨于嚴重，但未出現報警，當時的Sa為79 ℃， S1為55 ℃，TTXM為642 ℃，最低的3個排氣溫度分別為第6、7、8點。次日凌晨3點，機組負荷320 MW，S1接近Sa（Sa為76 ℃，S1為74 ℃），最低的3個排氣溫度分別為第5、6、7點。次日10點7分鐘，#1機負荷267 MW，Sa為88 ℃，S1、S2、S3分別為70 ℃、42 ℃、40 ℃，TTXM為647 ℃，當時最低點為8、9、7，分別為579 ℃、605 ℃、609 ℃，明顯形成低溫區。11點46分鐘因排氣分散度大機組從220 MW跳機，跳機前瞬間出現了#4火焰探頭無火、燃燒故障、火焰探測故障報警，之后出現排氣分散度大跳機、熄火、解列。當時最低的3個排氣溫度11點546 ℃，第10點573 ℃， 12點576 ℃，TTXM為648 ℃。

對機組排氣分散度大跳機前排氣溫度低溫區隨負荷變化的移動規律列表如表1所示。

表1 排氣溫度低溫區隨負荷變化的移動規律

停機后對燃燒室進行孔窺檢查時發現第18、1、2燃燒器噴嘴的PM4通道存在管道法蘭墊片碎屑的現象，進行更換后解決了機組運行中排氣分散度不正常的問題。

3 燃料通道進異物

某日，#2機正常運行中再因#18和#1燃燒器噴嘴的PM4通道工作異常，引起機組排氣分散度大跳機。之后對#1和#18的1、2燃燒器的PM4噴嘴進行孔窺檢查，同時吸岀了#18、#1燃燒器PM4通道內的異物。機組重新啟動后恢復正常。

對機組排氣分散度大跳機前排氣溫度低溫區隨負荷變化的移動規律列表如表2所示。

表2 排氣溫度低溫區隨負荷變化的移動規律

通過兩次的排氣分散度總結可知，因為燃機的旋轉方向為順時針（從排氣擴壓段向壓氣機方向看），因此燃氣的氣流也將產生順時針方向的旋轉。當某一燃燒室出現故障無法正常燃燒時，反映到排氣溫度，低溫區將發生順時針偏移，負荷越高，偏轉角越小，負荷越低，偏轉角越大。

發現排氣溫度低溫區隨負荷變化的移動規律，從實際運行參數可以看出，一旦燃燒系統出現異常，不僅排氣分散度將明顯增大，排氣溫度低溫區明顯形成，而且隨機組負荷的減小，排氣溫度低溫區將順時針方向偏移。

4 燃燒監測系統異常

某日 7點42分#3機第二次CI后首次點火成功，8點55分投入溫度匹配，8點18分#3機排氣熱電偶第15點壞，直接開路。8點58分排氣熱電偶第24點開始大幅波動，9點20分徹底壞，當時第24點－57 ℉，第15點0 ℉，第16點613 ℉，TTXM700 ℉，滿足了S1/Sa≥5且S2/Sa≥0.8，且S2與S3低點相鄰的排氣分散度大跳機條件。停機后熱工更換了15、16、24、25、26、27、28共7個排氣溫度測溫元件。

5 預防措施

通過分析，我們知道了燃燒檢測系統對于機組安全運行，存在著重要的意義。工作在高溫區的燃機燃燒系統組件，出現各種的異常情況在所難免，為避免出現人為因素造成的燃燒系統事故擴大，我們應該注意以下幾方面。

（1）機組點火后及運行中，需要經常觀察排氣分散度的變化情況，一旦發現有增大的趨勢，需要高度關注，并且立即檢查是否出現了明顯的排氣低溫區，且判斷低溫區是否隨負荷的變化而偏移。若僅僅是排氣熱電偶故障造成的排氣分散度增大，不會出現排氣低溫區隨負荷變化而偏移的情況[3]。

（2）機組運行中出現了排氣分散度明顯增大，且排氣低溫區明顯隨負荷變化時，建議及時停機，對燃燒系統進行孔窺檢查，發現并解決問題后再重新啟動機組，避免設備故障的擴大。

（3）一旦出現了因排氣分散度大造成的跳機，在分析清楚原因之前不能盲目重新啟動機組。因為機組的燃燒監測保護只有在95%額定轉速以上才起作用，在點火后至全速前這段時間內，即使因燃燒系統故障導致排氣分散度嚴重異常，也不會造成機組跳機。在未判斷清楚燃燒系統故障程度之前，盲目重新啟動機組很可能造成事故的擴大。

（4）機組啟動前若發現一點以上排氣溫度嚴重異常，應處理正常后再啟動機組，避免因排氣熱電偶異常導致無謂跳機。

（5）忽視排氣分散度增大趨勢，盲目運行將導致嚴重后果。

6 結束語

文章對9FA燃機燃燒監測系統進行了簡單的介紹、案例分析以及注意事項，在以后的工作中要不斷的總結經驗，將燃燒系統故障的發生熄滅于萌芽階段，保證安全生產。