燃氣輪機環形燃燒室燃燒失穩原因分析及防范措施

劉建生

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華東電力試驗研究院， 合肥 230000)

1 問題提出的背景

燃氣輪機發電具有技術先進、有利于電網調峰和更加環保等優勢，在國內發電領域占有一定的比重。國內主要引進GE、三菱、安薩爾多和西門子等廠家的燃氣輪機機型，設備技術存在一定的差異，尤其在燃燒系統設計方面差異最大。幾家制造單位在天然氣燃燒方面做了大量的研究，燃氣輪機燃燒設備更新換代最快，燃燒效率、污染物排放指標競爭最為激烈。

目前重型燃氣輪機主流燃燒室分為環形和環管形兩種。環形燃燒室在燃燒器后部形成一個大的環形腔室，在腔室內壁覆有高溫隔熱瓦，用于隔離高溫煙氣和燃氣輪機缸體，高溫煙氣混合后進入透平。環形燃燒室以西門子SGT5- 4000F、安薩爾多AE94.3A兩種機型為代表。環管形燃燒室由圓周分布的多個筒形燃燒器組成，各燃燒器分別組織燃燒，煙氣沿燃燒筒、過渡段送入后部的透平。GE公司9F、三菱公司M701F燃氣輪機均采用環管形燃燒室[1]。

2 環形和環管形燃燒室的區別

環形和環管形燃燒室是燃氣輪機發展中形成的兩種不同技術路線，在燃燒組織方面具有不同的特點。

2.1 環形燃燒室

以安薩爾多的AE94.3A燃氣輪機為例(如圖1所示)，該機型采用環形燃燒室，共有24個燃燒器，分布于燃燒室前側端蓋。該公司最新燃氣輪機的燃燒器有值班、預混1、預混2三路燃料，由燃料閥對流量進行調節后送入環管，經環管分別進入24個燃燒器。值班燃氣為擴散燃燒方式，燃燒溫度較高，用于維持燃燒火焰穩定；預混燃氣為預混燃燒方式，燃燒溫度較低，保證燃燒產生的氮氧化物維持在較低水平[2-4]。燃燒器燃燒生成的煙氣進入相通的環形燃燒室，高溫煙氣可以在該區域進行混合后進入下游透平做功。

2.2 環管形燃燒室

以三菱公司M701F燃氣輪機為例，該機型燃燒室有20個燃燒器，分布于燃燒室前端蓋。該機型燃燒器為筒形(如圖2所示)，分別由燃燒器和尾筒組成，尾筒又稱為過渡段。該燃燒器有值班、主燃料A、主燃料B、頂環四路燃料，由燃料閥對流量和壓力調節后送入環管，經環管分別進入20個燃燒器。值班燃氣為擴散燃燒方式，主燃料A、B和頂環均為預混燃燒模式，四路燃氣配合能夠維持燃燒穩定，并獲得較低的氮氧化物等污染物排放[5]。燃燒器生成的高溫煙氣沿各燃燒筒、尾筒后部的弧段進入透平做功。

圖2 燃氣輪機環管形燃燒室示意圖

2.3 兩種燃燒室的區別

環形燃燒室的多個燃燒器燃燒生成的煙氣進入到同一個環形腔室，優點是燃燒器后部相通，生成的煙氣能夠相互混合，溫度場分布更為均勻；缺點是各燃燒器會相互影響，若單個燃燒器出現燃燒波動，引起壓力或溫度擾動后會影響其他燃燒器，并可能產生燃燒共振，擴大燃燒波動，誘發嚴重的熱聲振蕩現象。由于煙氣經過混合，導致透平后部溫度元件測量的溫度趨向一致，難以識別個別燃燒器存在的燃燒不穩問題，燃燒器缺陷容易被掩蓋。

環管形燃燒室的筒形燃燒器是獨立的個體，僅通過連焰管相連，用于完成燃燒器的串聯點火功能。每個燃燒筒形成一個獨立的燃燒空間，獨立組織燃燒，基本不受其他燃燒器的影響。一般在筒形燃燒器后部透平設置輪間溫度對燃燒器燃燒情況進行監測，燃燒器出現燃燒異常會體現在輪間溫度偏差上，能夠快速識別燃燒器是否存在故障。獨立的燃燒器產生的燃燒振蕩不會對其他燃燒器造成影響，不易引發燃燒器間的共振現象，更有利于維持燃燒系統穩定。

從國內天然氣發電機組運行情況來看，環形燃燒室的缺陷明顯多于環管形燃燒室。環管形燃燒室缺陷一般位于單個燃燒器，出現燃燒波動熄火、加速度超標等異常，故障停機后一般也不會對燃燒器造成損壞。但環形燃燒室在燃燒器出現故障時會相互影響，產生燃燒振蕩，造成燃燒波動瞬間惡化，導致大量燃料的能量在燃燒室瞬間爆發，對燃燒室產生較大的加速度沖擊，造成隔熱瓦塊的損壞，并危及下游透平設備。近年來，安薩爾多AE94.3A燃氣輪機燃燒失穩波動造成機組跳機，并導致隔熱瓦開裂損壞的故障較多。

3 環形燃燒室調試或運行中出現的問題

為了達到更高的安全性和運行效率，燃氣輪機在投運前和季節變化時均要進行燃燒調整。燃氣輪機在燃燒調整中要對燃料閥、空氣閥進行調整，以維持更低的污染物排放和更高的運行效率。燃燒調整需對穩定燃燒上下限進行確定，因此燃燒調整具有一定的風險性，需要根據燃燒調整規程和調試經驗謹慎操作，防止出現跳機事件?，F就環形燃燒室燃氣輪機跳機的幾個案例進行簡介和分析。

(1) 某燃氣輪機燃燒調整時，在對值班燃料進行下限試探中，突然出現燃燒波動，燃燒室嗡鳴聲和加速度突然增大，造成燃燒室內部隔熱瓦塊損壞。

(2) 某燃氣輪機在燃燒調整過程中，由于系統故障引發燃料閥門開度突變，燃燒室出現劇烈的波動，燃燒室嗡鳴聲和加速度突然升高，造成燃燒室內部隔熱瓦塊損壞并脫落，傷及后部透平葉片。

(3) 某燃氣輪機在運行中，值班燃料閥因溫度低，出現天然氣中含有的硫析出，造成閥門堵塞，使得值班流量降低，導致燃燒室出現燃燒波動，加速度突然增大，造成燃燒室內部隔熱瓦塊出現裂紋。

4 原因分析

4.1 燃燒波動的機理

對于重型燃氣輪機，為了降低氮氧化物的排放，同時獲得較高的效率，一般采用最小值班燃料來維持火焰的穩定。對于燃氣輪機天然氣燃燒機理，國內外科研機構、大學有多年的研究，并進行過不同燃空比、壓力、溫度等環境下的試驗[6-7]。雖然預混燃燒能夠維持較低溫度的燃燒，但由于燃燒溫度較低，燃燒過程極不穩定，如果失去值班火焰，就會造成燃燒波動，甚至熄火跳機。

對于環管形燃燒室，如果單個燃燒器值班燃料突然減少，會造成該燃燒器火焰不穩，如果值班火焰過小甚至熄滅，將無法提供給預混燃燒足夠的能量，會造成預混燃燒波動，局部出現熄火、重新點燃的動態過程。燃燒筒內部劇烈波動，系統就會發出該燃燒器燃燒波動、加速度大報警，甚至觸發保護跳機。由于單個燃燒器的燃料有限，能量較小，因此燃燒波動幅度較小，對燃燒器涂層一般不會造成損壞。

對于環形燃燒室，各燃燒器后部相連，一旦某個燃燒器故障造成值班燃料減少，值班燃燒提供的能量不足以維持預混火焰的燃燒，該燃燒器就會出現燃燒波動，預混火焰也會出現熄火、重新點燃的過程，造成小范圍的燃燒波動。如果值班燃料減少到一定程度，就會造成預混燃料無法維持正常燃燒，整個燃燒器瞬間失去火焰，該處的燃燒壓力驟降，其他燃燒器的火焰壓力就會轉向該燃燒器，造成火焰偏斜。同時由于流入該燃燒器的預混燃料逐漸增多，燃料又會被瞬間點燃，燃燒壓力會驟然增加，造成燃燒室壓力的劇烈波動，氣體激波在燃燒室內反復作用，不斷積累增大，瞬間產生激烈的轟鳴和更大的加速度沖擊。由于環形燃燒室采用較為脆弱的隔熱陶瓷瓦塊作為隔離層，該瓦塊承受超過8g的加速度沖擊時，會產生裂紋，甚至碎裂(如圖3所示)。

圖3 燃燒室加速度突增導致損壞的隔熱陶瓷瓦塊

4.2 熱聲振蕩的預防

燃氣輪機燃燒室燃燒的劇烈波動破壞力巨大，燃料的能量瞬間在密閉的空間釋放，帶來的沖擊力也是巨大的，不但燃燒室陶瓷瓦塊無法承受該加速度沖擊，甚至燃燒器等金屬部件也會在沖擊中發生嚴重損壞，整個過程還會伴隨強烈的嘯叫噪聲，這就是燃燒的熱聲振蕩現象。國內外燃燒專家對熱聲振蕩現象做過具體研究，并提出過避免熱聲振蕩的相關措施。

(1) 查找故障燃燒器并進行處理

為了消除燃燒室熱聲振蕩故障，首先通過技術手段找到故障燃燒器。如果燃燒器出廠流量測試合格，流量分散度符合標準，安裝也滿足設計規范要求，就需要對現場進行排查。首先對值班燃氣流量閥進行檢查，對流量計進行校驗，以檢查閥門的流量特性是否符合要求[8]。其次對燃燒器的燃料噴嘴進行檢查，保證燃料噴嘴暢通，必要時返廠或在現場進行流量測試，排除燃燒器噴嘴堵塞的可能。最后對環管、供氣軟管、接頭和法蘭進行檢查，保證管路系統不存在泄漏。運行經驗表明，某型燃氣輪機值班燃料總流量降低40 g/s、單個燃燒器降低不到2 g/s，即可發生燃燒失穩造成跳機。

(2) 安裝監測軟件系統，超前進行控制

為了對燃氣輪機燃燒室進行監控，部分燃氣輪機在燃燒室安裝了嗡鳴探頭和加速度測量元件。通過對嗡鳴聲和加速度信號的實時測取，并依靠軟件進行頻譜分析。軟件一般通過傅里葉變換獲得時域、頻域的轉換，得到不同頻域壓力信號的振幅變化(如圖4所示)。通過對不同頻域幅值的變化，可以超前發現各頻域振幅的異常，并通過增加值班燃料、降低機組負荷等手段來保持燃燒穩定，在一定程度上避免熱聲振蕩的發生。

圖4 燃燒振蕩壓力信號頻域分布示意圖

當前燃燒室嗡鳴加速度頻譜分析系統有西門子公司的ARGUS系統，三菱公司在控制系統中內置了類似的分析模塊，國內上海交通大學、上海電氣燃氣輪機有限公司等研究機構對該分析系統進行了研究，實現了算法集成，并作為后續分析軟件服務供用戶選擇[9]。

5 防范措施

為了減小環形燃燒室的燃燒波動，將燃燒不穩、熱聲振蕩對燃燒室造成的損壞降低到最低程度，提出如下防范措施。

1) 合理設計燃燒室及燃燒器的結構，保證運行中的空氣和燃料供給流量滿足設計要求。燃燒器的值班燃料、預混燃料互相配合應能夠維持燃燒穩定，并兼顧較高燃燒效率和較低污染物排放。

2) 合理組織燃燒，按燃料成分、熱值設置合理的燃料特性曲線[10]。通過燃燒模擬仿真和現場試驗獲得不同負荷點的值班燃料邊界，作為燃燒調整的依據。

3) 安裝前測試每個燃燒器的燃料流量特性，保證燃燒器流量分散度符合偏差要求，必要時進行CFD流體力學數學仿真模擬計算。

4) 對天然氣配氣閥門及管道、環管進行檢查清理[11]，消除管道及接口滲漏，并對流量計進行校驗。出現嗡鳴聲和加速度信號增大、透平排煙溫度分散度超標等異常時對天然氣濾網、各燃燒器供應管路、燃燒器燃料噴嘴進行全面檢查，防止因噴嘴堵塞造成燃燒波動。

5) 按燃氣輪機燃燒器各設計工況進行燃燒調整[12]，如燃料閥、空氣閥開度流量特性應良好，出現偏差及時查找原因，必要時對管路系統缺陷進行排查并處理。

6) 在燃氣輪機調試和運行中加強監視，為防止出現燃燒室熱聲振蕩對設備造成損壞，安裝嗡鳴加速度頻譜分析系統，并設置數據異常報警，發現燃燒不穩及時進行干預。

7) 提高環形燃燒室的強度和耐沖擊能力，對陶瓷隔熱瓦塊進行升級，防止因加速度大造成隔熱瓦塊的大面積損壞，從而避免損傷后部透平葉片。

8) 對空氣系統進行檢查，保證壓氣機入口濾芯工作正常。機組停機時對壓氣機IGV、CV1開度進行檢查，并對傳動機構定期進行檢修維護。

9) 在燃氣輪機燃燒調整前制定合理的技術方案，設置各燃料閥的流量調整區間，并在調整過程中對燃燒室壓力波動情況進行監視，出現異常及時對方案進行調整。

10) 加強對天然氣燃料的管理，定期對過濾器進行檢查，保證天然氣清潔；進入燃氣輪機的天然氣溫度應正常，必要時進行加熱，防止低溫下析出硫或其他雜質對燃料閥門或噴嘴造成堵塞。

6 小結

隨著國內燃氣輪機安裝數量的不斷增多，部分燃氣輪機環形燃燒室存在的問題也逐漸暴露出來。燃燒室壓力劇烈波動、加速度突增有較大的破壞作用，一旦發生會造成較大的設備事故和經濟損失，目前也已經得到了燃氣輪機發電企業的重視。本文對燃氣輪機燃燒室燃燒波動的原因和機理進行了分析，重點對環形燃燒室燃燒器由于各種原因導致的值班燃料流量減小并引發燃燒室劇烈振蕩進行了介紹，并提出了較為可行的防范措施，為同類型燃氣輪機的運行和維護提供了借鑒。