閻 波，劉靜武，李鐵生，左興堂，劉廣于，彭 珍

（北京首鋼股份有限公司，河北唐山 064404）

引言

近年來，隨著鋼鐵企業節能意識的提升，以低熱值的高爐煤氣為燃料的燃氣-蒸汽聯合循環機組提高了鋼鐵企業能源經濟循環利用，降低了鋼鐵產品成本，而且避免了富裕煤氣的放散，既回收了二次能源又減少了環境污染，具有明顯的經濟效益和社會效益。

燃燒是燃氣輪機的關鍵技術。快速、準確檢測燃燒的穩定性，保證燃燒的穩定，降低燃機設備故障停機風險，成為行業重點研究方向。

1 鋼鐵企業低熱值燃氣輪機

目前鋼鐵企業已應用的低熱值燃氣輪機生產商主要有三菱、通用和西門子公司，其中三菱占有率超過80%。本文重點對三菱生產的燃機進行研究。

鋼鐵企業的燃機，主要以高爐副產的低熱值高爐煤氣為燃料，其類型主要有M251、M701SDA、M701SDAX 和 M701SF 等，熱值范圍從2 900 kJ/m3至4 800 kJ/m3，燃機入口煙氣溫度從1 100 ℃至1 300 ℃，整體發電效率38%～48%。由于其熱值范圍廣，整體效率高，設備運行穩定，在鋼鐵企業得到了廣泛的應用。

2 工藝系統介紹

2.1 燃料系統

低熱值的高爐煤氣或高焦混合煤氣經電除塵器除塵后，由煤氣加壓機加壓至1 MPa左右后進入燃機燃燒室進行燃燒，產生的高溫煙氣推動燃氣透平（燃氣輪機）做功。

2.2 燃燒配風系統

空氣經燃機入口空氣過濾器（一般為三級），進入空氣加壓機加壓至1 MPa 左右，一路進入燃燒室參與燃燒，另一路通過燃燒室旁路閥進入燃燒室尾筒。同時空氣加壓機采用多級抽氣來滿足轉子和靜葉的冷卻。燃燒配風由空氣加壓機入口可調導葉及燃燒室旁路閥調整。

2.3 燃燒系統

經過煤氣壓縮機加壓的高溫高壓煤氣，進入燃燒筒內噴嘴，然后與空氣進行預混合后在燃燒筒內燃燒，燃燒方式為低速擴散燃燒，煙氣溫度達到1 100 ℃以上。高溫的煙氣經燃燒室及尾筒，進入燃機入口推動燃機做功。

高爐煤氣熱值低，CH4、H2含量低，燃燒特性差，因此燃燒室采用獨特設計的帶燃燒室旁通閥的環管型燃燒室，為低速擴散式燃燒室，通過燃燒室旁通閥調節進入一次燃燒區的空氣量，達到調節主燃燒區的燃空比。其具有保證點火時良好的著火性能，保證低負荷或低熱值條件下，高燃燒效率和燃燒穩定性的特點。

3 燃燒振動

燃燒振動指的是燃機燃燒室內由于燃燒產生的周期性、大幅度壓力振蕩，也稱燃燒噪聲。燃燒振動發生在高溫的火焰區域，是由于燃燒不穩定造成的，如果壓力等級超過一定的范圍，將對燃燒室及其部件造成損傷。

燃燒不穩定受到燃料種類、燃料-空氣當量比、噴嘴結構和安裝位置、燃燒室狀態、燃燒室溫度和壓力等多種參數的影響，因此每個燃燒系統中所表現的特征都不相同。

3.1 燃燒振動的類型

燃燒振動類型分為固有燃燒不穩定、燃燒室腔體不穩定和燃燒系統不穩定。

固有燃燒不穩定：主要是指化學動力學不穩定、熱擴散不穩定或水力學不穩定。

燃燒室腔體不穩定：是指在燃燒室內燃燒熱波動導致的壓力振蕩。

燃燒系統不穩定：是指在燃燒室內燃燒熱波動與壓力振蕩的相互作用受到系統其他部分的影響，包括壓氣機排氣系統、燃料供應系統和燃燒室排氣系統（透平進口導葉）。

3.2 燃燒振動檢測

目前燃機主要的燃燒振動檢測方法為：火焰檢測裝置、葉片通道測溫裝置（BPT）、燃燒室內壓檢測裝置（CPFM）。

火焰檢測裝置：檢測火焰是否存在，并將燃燒產生的光信號（高爐煤氣燃燒產生的紫外線）轉化為電壓信號進行顯示。

葉片通道溫度測溫裝置（BPT）：監測熱通道出口煙氣溫度，由于無法直接測量內筒壁溫、燃機入口煙氣溫度，采用測量熱通道出口煙氣溫度來間接反應每個燃燒筒燃燒情況。通過監測每一個熱通道出口煙氣溫度，實現了對葉片通道超溫的快速反應，同時實現對出口煙氣溫度場的分布情況分析。

燃燒室內壓檢測裝置（CPFM）：通過檢測燃燒室內壓力變化和加速度變化，判斷燃燒的穩定性，是否發生燃燒振動［1］。

3.3 燃燒振動報警的原因

（1）儀表問題

燃燒振動內壓探頭零輸出或低靈敏度報警。零輸出通常的原因是由于前置器故障，導致前置器電源未供電引起。低靈敏度報警可能原因是探頭故障、電纜保溫差、取壓管堵塞、探頭安裝間隙不合適或安裝變形漏氣。

（2）加速度探頭報警或跳機

加速度探頭高頻段報警或跳機，但CPFM 的壓力振動值正常，運行參數也無明顯變化。可能原因是探頭安裝螺栓松動或脫落，導致與底座安裝存在間隙，周圍管道漏氣（轉子冷卻風管道）或本體保溫局部不良，引起受熱報警。

（3）燃燒振動低頻報警

燃機升速中發生真實燃燒振動，振動頻率為8～30 Hz，伴隨升速不力、排煙段振動大等現象。

（4）燃燒振動中頻報警

機組正常運行期間，燃料熱值控制出現波動，振動頻率為30～100 Hz，系統預報警。主要原因為熱值波動導致燃料流量波動，引起燃燒室噴嘴差壓發生波動，進而引起燃燒振動中頻報警。

（5）燃燒振動高頻報警

正常運行時，2 個及以上燃燒筒燃燒振動在相同波段超過跳機值，燃機跳機。主要原因為空氣過濾器差壓過高引起壓氣機入口空氣量減少或燃燒室旁路閥開度過大，回流至燃燒室尾筒空氣增多，導致燃燒用空氣量降低，燃燒強度降低，觸發燃燒振動高頻報警。

4 實際案例

4.1 安裝精度對燃燒的影響

安裝精度主要考慮燃機大修后燃燒室旁路閥旁路環同心度的安裝精度。

隨著燃機長時間運行，燃燒室旁路閥旁路環存在受熱變形的可能，一方面會造成卡澀，另一方面會導致旁路環同心度發生變化。如果其同心度發生較大變化，會導致進入燃燒室冷卻風量發生變化，尤其在機組低負荷過程（開機過程），會引起燃燒筒出口溫度、葉片通道溫度降低，嚴重時，會觸發葉片通道溫度偏差大跳機。

4.1.1 案例

某單位M251燃機開機過程運行參數見圖1。

圖1 葉片通道溫度隨轉速變化曲線（調整前）

從圖1 可以看出，從2 000 r/min 以后，隨著空壓機抽汽閥逐步關閉，葉片通道溫度受到影響，個別葉片通道溫度偏差發生較大波動，5#葉片溫度偏差最大達到50.4 ℃。

4.1.2 原因分析

從現象看，5#葉片通道偏差高，通過檢查，5#葉片通道溫度高于其他測點，且高于正常運行數值。初步懷疑燃燒室出口煙氣溫度高所致，考慮燃料和配風的一致性，問題應該在燃燒室旁路供風系統。

檢查燃燒室旁路閥及各執行機構，活動正常無卡塞。檢查旁路環，發現有變形，同心度出現偏差，流量特性發生變化，風量減少，引起燃燒室出口溫度偏高，5#葉片溫度偏高，進而引起5#葉片通道偏差高。

通過大修，對變形的旁路環進行加工處理，并對燃燒室旁路閥旁路環同心度進行調整，保證其同心度。開機后的運行曲線見圖2。

圖2 葉片通道溫度隨轉速變化曲線（調整后）

整個開機過程各個葉片通道溫度變化平穩。空壓機抽汽閥關閉過程中，期間葉片通道溫度變化平穩，葉片通道溫度偏差最大16 ℃，取得較大改善，提升了機組的燃燒穩定性。

4.2 熱值突降引起燃燒振動

燃機燃燒需要考慮煤氣熱值波動和燃燒振蕩。煤氣熱值的波動會引起燃料噴嘴的噴射壓差變化，為了保持燃燒穩定性，噴射壓差需控制在一定的范圍內。當燃燒室內壓力增加時，噴射壓差減小，燃料流量就會減小；當燃燒室內壓力減小時，噴射壓差增加，燃料流量也相應地變大。因此燃料流量就會根據燃燒室壓力而波動和振蕩，燃燒振蕩就有被放大的可能，超過一定幅值的燃燒振蕩會導致燃燒室損壞。

煤氣熱值的波動范圍通常采用沃泊指數（WI）來表征煤氣成分和特性的變化，一般要求煤氣的WI變化在一定范圍（一般控制在±15%以內）［2］。當WI發生變化，如果噴射壓差不變，進入燃機的熱量就會變化；如果保持熱量不變，噴射壓差變化就會增大，從而引起燃燒振蕩。故雖然燃機設計工作范圍較廣，其熱值范圍從2 900 kJ/m3至4 800 kJ/m3，但運行期間要求熱值波動范圍小于±50 kJ/m3.

鋼鐵企業的高爐煤氣系統，由于高爐運行工況不同，所產生的煤氣熱值略有差異。當高爐進行檢修、停風和送風的時候，尤其送風期間，低熱值的煤氣進入管網，會引起燃機入口煤氣熱值急降，導致燃燒振動，進而機組跳機。

4.2.1 事故案例

高爐送風前，燃機熱值3 406 kJ/m3，增熱焦氣流量440 m3。高爐送風后燃機葉片通道偏差大報警，壓力波動低頻報警，隨后葉片通道偏差大停機（火焰丟失）。停機后燃機熱值下降至2 873 kJ/m3，負荷從13 MW突降至8.9 MW。

4.2.2 原因分析

從現象看，熱值降低是引起燃燒振動，進而引起跳機的直接原因，熱值儀的滯后性是引起事故的間接原因。燃燒振動報警及跳機時，熱值沒有明顯降低，跳機后熱值開始降低，熱值儀的滯后性影響了機組燃燒調整。

熱值儀為橫河CM6G型直燃式熱值儀，見圖3。高爐煤氣或者混合煤氣經取樣管，通過兩組并聯的過濾器進行除塵，然后經過隔膜氣泵抽取加壓后，經洗氣器，鼓泡器、除濕器后經過流量調節閥進入燃燒器燃燒，進行熱值測量。

因取樣氣需進入洗氣器、鼓泡器和除濕器稀釋后燃燒，所以導致了熱值儀的滯后性。鋼鐵企業已應用的熱值儀還有分析熱值儀，通過氣體成分分析計算的熱值儀，其滯后性優于直燃式，但是其測量偏差較大。

無論是直燃式熱值儀，還是分析式熱值儀，其對于燃機熱值異常調整都存在一定影響，故手動干預、系統調整尤為重要。

整體調整目標為使用最近高氣柜緩沖高爐送風初期高氣，通過放散配合將低熱值高爐煤氣放散。高爐熱風爐在高爐合氣時安排熱風爐使用高爐煤氣，消耗低熱值的高爐煤氣，根據高爐送風量，安排高氣柜旁路逐步開啟，同步根據分析熱值儀數值核算焦氣調整量，手動進行調整。

4.3 配風異常引起的燃燒振動

配風系統對于燃燒系統也至關重要。燃燒配風不足，會造成某個或多個燃燒器不完全燃燒，其直觀現象就是機組負荷快速降低，多個葉片通道溫度緩慢降低，葉片通道溫度報警，燃燒振動報警。燃燒配風略高于正常量，整體參數正常，發電效率略低，但燃燒配風過量，會導致個別燃燒薄弱的燃燒筒滅火，機組甩部分負荷（具體看滅火的燃燒筒數量），燃燒振動及葉片通道溫度急劇降低發出報警，機組跳機。

三菱配風系統是通過壓氣機入口導葉和燃燒室旁路閥來實現的。壓氣機入口導葉主要根據不同負荷調整壓氣機進口空氣流量，燃燒室旁路閥通過調整壓氣機出口至燃燒室尾通的風量（不參與燃燒的風量），來保證用于燃燒器燃燒的風量，總體來看燃燒的配風調節精度不高。從整體系統設計來看，燃燒室旁路閥對于燃燒配風調整至關重要。燃燒室旁路閥結構見圖4。

圖4 燃燒室旁路閥結構圖

從整體運行情況看，燃燒室旁路閥故障多以卡澀為主，其主要原因為氣缸或油缸磨損、機構變形或潤滑不良等。旁路閥閥板定位銷脫落，引起單個閥板調整不良也會造成配風異常，由于其不易被發現，也應作為重點關注的對象。

4.3.1 事故案例

高氣限燒開始降負荷，燃燒振動探頭觸發低頻預報警，燃機甩負荷，之后葉片通道溫度偏差大報警，機組跳閘。

4.3.2 原因分析

跳機前后機組及臨近機組熱值變化在3 260 kJ/m3～3 235 kJ/m3，熱值穩定，排除熱值對燃燒影響。燃機負荷從14.9 MW 降至9.8 MW，隨后8#葉片通道溫度開始快速降低，偏差大跳機。期間其他葉片通道溫度正常，說明8#葉片通道溫度對應燃燒筒滅火，導致負荷突降，同時伴隨其溫度降低，最終導致跳機。對燃機可調靜葉（IGV）指令對應運行參數檢查，數據正常，對燃燒室旁路閥檢查，發現旁路閥卡澀。負荷26 MW 時，燃燒室旁路閥指令14.3%，現場實際閥位10%。跳機前1 min 負荷15 MW 時，燃燒室旁路閥指令55%，現場實際閥位10%，指令與實際偏差45%。

停機后將執行機構和閥門解開，單試執行機構，確認氣缸或氣路是否存在問題，并進行處理。對旁路環瓢偏度及間隙進行測量，檢查是否有變形，并進行加工調整。通過以上措施，重新對旁路閥、燃燒室旁通閥進行靜態試驗，有較大改善，氣缸或油缸還需要進一步改善。

5 結束語

燃燒振動是燃氣輪機運行監控的重要參數，嚴重時會導致機組跳機，甚至造成燃燒室的損壞。引起燃燒振動的因素很多，但主要因素是空燃比、燃料成分變化以及設備安裝問題。本文通過對燃燒振動產生原因的分析并結合實際案列，提出改善燃燒室旁路閥旁路環同心度，穩定燃氣熱值以及通過處理旁路閥故障優化配風系統等預防措施和建議，對于提高燃機的燃燒穩定性具有一定借鑒意義。