燃氣輪機干式火焰檢測器改造得必要性

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

在社會經濟飛速發展的當前時期，電力系統的穩定是關系到國計民生的重要因素。發電廠作為電力系統電能生產環節，其安全穩定運行是保持電力系統穩定重要的一環。早期的燃氣輪機火焰檢測器多采用循環水冷卻，這種冷卻方式與干式火焰檢測器相比存在多種不安全因素，給機組運行造成安全隱患。本文對燃氣輪機水冷火焰檢測器的工作原理、保護程序及其潛在隱患進行詳細分析，同時也介紹了干式火焰檢測器的工作原理，希望能為國內早期的燃氣輪機干式火焰檢測器改造提供一定的借鑒。

1 概述

我國近些年安裝了相當數量的大型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組。為了響應國家“節能減排”的號召，有效降低發電產生的氮氧化物排放，這些大型燃氣輪機基本采用了干式低NOx(Dry Low NOx，DLN)燃燒技術[1]，且為了保持低負荷工況的燃燒穩定性采用了燃料分級燃燒技術，不同級火焰檢測技術水平及穩定直接影響機組安全正常運行?；鹧鏅z測器不穩定將會增加由于檢測火焰強度低于門檻值而觸發機組熄火保護程序誤動的可能性，因此提高火焰檢測器的可靠性尤為重要。深圳某9E燃氣輪機聯合循環熱電廠于2011年對原采用傳統擴散燃燒技術9E燃氣輪機完成了干式低NOx燃燒技術(DLN 1.0)改造。DLN 1.0 燃燒系統是由一個多級預混燃燒室組成，設置了8個火焰檢測器,分別對各種燃燒模式切換燃燒工況的火焰進行實時檢測，火焰檢測器采用循環冷卻水進行冷卻。其存在眾多不安全因素，給機組運行造成安全隱患。

2 火焰檢測器工作原理及機組熄火保護程序簡介

9E燃氣輪機配置得DLN 1.0 燃燒系統由8個紫外線(UV)火焰檢測器分別對一、二區進行火焰檢測。燃氣輪機利用可燃氣體作為主燃料燃燒時，在火焰初始燃燒區輻射較強的紫外線，因此采用了紫外線火焰檢測器進行檢測來判別燃燒室是否點火成功?；饳z采用碳化硅(SiC)感測器，這是一種碳化硅光敏二極管，其特點是對紫外線輻射特別敏感。燃料在燃燒時，由化學反應產生閃爍的紫外線輻射，使碳化硅光敏二極管感應，轉變成電信號，再經放大器處理后，輸出4～20 mA模擬量，送入燃氣輪機控制系統MARK VIe， MARK VIe 把該4～20 mA信號轉化成百分比，與一個門檻值比較后，用以指示在燃燒室中是否有火焰，當數值高于門檻值時便確認火焰存在。

火焰檢測系統方塊圖如圖1所示。9E 燃氣輪機在#1、#2、#3、#14 燃燒室分別設置了一區和二區火焰檢測器：一區為28FD-1P、28FD-2P、28FD-3P、28FD-14P；二區為28FD-1S、28FD-2S、28FD-3S、28FD-14S。通過四選二邏輯判斷一區或二區是否有火焰，通過邏輯L28FPD和L28FSD接入燃氣輪機熄火保護系統。

圖1 火焰檢測系統方塊圖

DLN 1.0 燃燒室的火焰檢測器的布置：一區火焰檢測器安裝在燃燒室外殼上，二區火焰檢測器穿過中心體進入燃燒室二區監視火焰，如圖2所示。

圖2 DLN 1.0 燃燒室火焰檢測器布置圖

3 存在問題

9E燃氣輪機DLN 1.0 燃燒室配備得RS-FS-9001紫外線火焰檢測器，最高工作溫度235 ℃，需要使用循環冷卻水(冷卻水溫度10 ～ 52 ℃)通過冷卻盤旋管進行冷卻，每個傳感器冷卻水流量為3.8～5.7 L/min。火焰檢測器安裝在9E燃氣輪機的#1、#2、#3、#14 燃燒室上，火檢冷卻水管安裝在燃氣輪機缸體上方,如圖3所示。

圖3 燃燒室火焰檢測器及冷卻水管布置

該套火焰檢測系統投運，存在以下隱患風險：

1) GE燃氣輪機運行一段時間后，壓氣機中分面漏氣、燃燒室熱輻射、透平缸漏氣[2]等因素會造成燃機間溫度升高，機組運行時，缸體熱輻射可導致火焰檢測器周圍溫度達到300～400 ℃，而且振動較大；火焰檢測器及其冷卻水盤管長期在高溫和振動環境下工作，冷卻盤旋管接頭容易脫落。該廠完成DLN 1.0 改造后燃氣輪機曾出現過1號燃燒室一區28FD-1P 冷卻盤旋管接頭松動，造成冷卻水滴落在壓排缸上，缸體遇冷收縮，最終導致動靜部件碰擦，機組被迫停機。

2) 冷卻水管通過卡套連接，存在一定斷裂風險并導致冷卻水泄漏。某9FA機組曾因此出現火焰檢測器水冷管路泄漏，水滴長期落到燃氣輪機缸體上，導致缸體變形和機組被迫停運，造成巨大經濟損失。

3) 由于冷卻水管堵塞、冷卻水管閥門未打開導致火焰檢測器冷卻水不足，造成火焰檢測系統故障，被迫停機。國內多個燃氣輪機電廠曾發生多起機組因該原因而發生火焰檢測器失去冷卻水，造成火焰檢測器相繼未監測到火焰強度信號，最終導致機組滿負荷運行時被迫停運。

經過調研，干式火焰檢測器耐高溫，無需冷卻水，如將現有RS-FS-9001紫外線火焰檢測器改造為干式火焰檢測器，可以取消冷卻水系統，從而消除以上安全隱患。

4 干式火焰檢測器工作原理及安裝實例

干式火焰檢測器通過檢測火焰燃燒發出的紫外線波長信號來進行火焰強度檢測，把敏感的電子元件從熱端移到冷端，提高設備的運行可靠性。因此干式火焰檢測器不需要冷卻水進行探頭冷卻。以Dry325型號干式火焰檢測器為例，圖4 為探頭，圖5 為典型系統配置，圖6 為現場一區火焰檢測器布置示意圖。其具有以下主要特點：(1) 無需冷卻水對探頭進行冷卻. 檢測器耐溫325 ℃；(2) 燃機間無需電纜套管；(3) 無需冷卻水,延長傳感器的更換時間，省去冷卻水管線的維護；(4) 礦物隔熱電纜,無需使用電纜套管和易損的光纜；(5) 允許一直運行,即使在水洗期間也可運行；(6) 直接安裝,無須修改程序；(7) 適用于多種燃料；(8) 適用于所有GE重型燃氣輪機。

圖4 探頭

圖5 典型系統配置

電廠改造后安裝圖，圖7 為干式火焰檢測器探頭熱端，圖8 為干式火焰檢測器探頭冷端。

5 應用經驗

目前，同類型電廠逐步進行干式火焰檢測器改造，采用分體式冷、熱端分離，運用高溫光纖進行連接，取消原盤管水冷方式。從效果來看，其運行故障率低，火焰檢測安全可靠，解決原火焰檢測器因高溫影響及其冷卻水問題而造成工作異常、機組被迫停機，杜絕了冷卻水滴漏而造成缸體變形，大大提高機組安全可靠性。

圖6 現場一區火焰檢測器布置示意圖

圖7 干式火焰檢測器探頭熱端

圖8 干式火焰檢測器探頭冷端