PG9171E型燃气轮机异常熄火分析及技术改造

时间：2024-08-31

姚书恒，陈志超，范洪武，柏盛

(1. 上海电力哈密宣力燃气发电有限公司，新疆哈密 839000；2. 上海电力股份有限公司罗泾燃机发电厂，上海 200949)

国内某燃气轮机电厂安装有2台19万kW燃气-蒸汽联合循环发电机组，燃气轮机发电机组是由南京汽轮电机(集团)有限责任公司生产的PG9171E型燃气轮机和QFR-135-2J型发电机配套组成。燃气轮机主要由额定功率为1 000 kW的启动马达、17级的轴流式压气机、14个燃烧室组成的 DLN1.0燃烧系统、3级燃气轮机透平组成。自2015年投产以来，它一直作为调峰机组。2台机组在运行过程中，均发生过火焰信号丢失故障，本文针对该现象进行分析，并提出改进方法。

1 故障现象

2017年1月22日，2号机组正在运行，燃气轮机负荷134.02 MW，从10:14开始1区4个火焰检测器检测火焰强度从0%缓慢下降并最终稳定在-25%。在机组停机过程中，燃气轮机负荷降至90 MW左右时，燃气轮机进行燃烧模式切换，1区点火继电器动作，进行1区点火，但1区4个火焰检测器一直未收到火焰信号。MARK VI控制系统发出报警显示DLN燃烧系统故障。

2 原因分析

燃气轮机在不同燃烧模式下，燃料控制阀对燃料喷嘴的流量分配不同，如图1所示，列出了DLN1.0燃烧切换过程中重要的四个阶段。

(a) 初始燃烧模式

(b) 贫贫燃烧模式

(d) 预混稳定模式图1 9E燃气轮机不同燃烧模式示意图

9E燃气轮机DLN1.0燃烧系统产生火焰丢失的原因可能涉及到设计安装、燃烧工况和硬件故障等方面，如火焰探测器产生误信号、镜头结露或积垢、点火器安装不到位等[1]。其中，在火焰检测器出现误信号时，如在1区无火焰的情况下判断有火焰，造成燃料流量控制阀出现流量分配误差，造成1区自燃，可能造成天然气喷嘴损坏或变形，天然气喷嘴出现泄漏等严重后果[2]。

9E燃气轮机配置的DLN1.0燃烧系统需要8个紫外线火焰检测器分别对1区、2区燃烧区进行火焰检测，紫外线火焰检测器利用含氢燃烧火焰具有高能量紫外光辐射的特点来判别火焰的存在，其光电器件为紫外光敏管，可不受可见光和红外光的影响，对相邻燃烧器火焰有较高的鉴别力，一般使用在燃油、燃气设备上[3]。

在GE燃气轮机上使用的火焰检测器输出一个脉冲信号，其频率正比于被检测的火焰强度[4]。来自火焰检测器的强火焰指示信号将具有0～250 Hz的频率，经过检测回路转换后，将对应的4～20 mA信号送入燃气轮机控制系统进行百分比转化后，将其与一个门槛值比较，以指示在燃烧室中是否有火焰。当数值高于组态中的设定值时即确认火焰已存在[5]。

火焰检测系统安装位置如图2所示，图中所示的火焰检测系统中有8个火焰检测通道，1区火焰检测器28FD-1P、28FD-2P、28FD-3P、28FD-14P，2区火焰检测器28FD-1S、28FD-2S、28FD-3S、28FD-14S。

图2 9E燃气轮机火检设备示意图

图3为9E燃气轮机闭冷水系统结构，闭冷水泵出口而来的冷却水通过一个温控阀，一部分去冷却润滑油，一部分直接去后段冷却火检等设备。而在实际运行中，由于此温控阀调节性能极差，无法满足调节需求，因此将此三通阀旁路全关，通过调节板换冷却水进口阀来调节冷却水流量[6]。通过润滑油母管温度来调节进入润滑油板换闭冷水的流量，从而达到调节润滑油温度的作用。当环境温度较低时，燃气轮机冷却水进口阀开度较小，导致进入火检冷却水流量低，所以对火检的冷却效果产生负面影响。又因为火检冷却水进出口连接至同一母管，在小流量时进出口压差更小，更加剧了火检处冷却水的节流效果，影响火检正常运行。

图3 9E燃气轮机火焰探测系统闭冷水系统图

机组当日运行过程中，燃烧室1区4个火焰检测器显示火焰强度相继降为负值，说明1区4个火检均失去检测作用。燃气轮机在停机过程中，需要首先从预混稳定模式切换至贫贫燃烧模式，1区点火时由于检测不到1区火焰，导致切换失败。由于2号机组火检冷却水未安装放空门，火检冷却水管路内可能会集聚空气，冷却水管道内的空气及高温下部分汽化的水蒸气积聚在管道中，使得火检冷却效果差,失去检测作用[7]。

3 改进措施

(1) 将火检的冷却水管的进出口改到燃气轮机冷却水的进水和回水管上，增大火检的冷却水管的进出口压差，加快水流速，增大换热冷却效果。

(2) 在火检的冷却水管道上增加放空门。

(1)和(2)两种措施实施后极大的减少了火检因冷却水原因产生的故障，但并没解决根本问题。同时，火焰检测系统的8个火焰检测器分别安装在1#、2#、3#、14#喷嘴位置，位于燃气轮机透平缸的顶部[8]。火焰检测器的冷却介质为闭冷水，在机组运行时，如火焰检测器的冷却水发生泄漏，滴落在高温的透平缸上，易造成透平缸体开裂。启动期间火焰的错误指示可能导致装置中未燃烧的燃料积聚，并可能导致火灾或爆炸事故。漏掉应有的跳机现象具有重大的安全隐患，而错误的跳机现象会由于计划外的停机时间导致很大的收入损失。

4 干式火检改造方案

干式火焰检测器是一款用于测量燃气轮机燃烧室内火焰强度的紫外(UV)光敏探测器。该传感器使用与GE Reuter Stokes火焰传感器相同的碳化硅(SiC)光电二极管技术，已有20多年的历史。由于碳化硅材料对于火焰所产生的低频段紫外线非常敏感，因此干式火焰检测器充分利用其可以穿透燃烧室内液体燃料雾滴的特点来检测火焰(图4)。同样它可以应用于检测具有高强度OH键的天然气和其他烃类燃烧所产生的火焰[9]。

图4 干式火检紫外光谱响应图

将现有水冷式火焰检测器改造成干式碳化硅火焰跟踪器 325(FTD 325)转换套件，以取代燃气轮机现有的水冷传感器火焰检测系统。干式火焰检测探头将镜片和检测系统分离(图5)。更换燃气轮机8个水冷式火焰检测器，现有电缆利旧继续使用，换装干式火焰检测器，只需拆除原水冷式火焰检测器的冷却水管。

图5 干式碳化硅火检示意图

干式火检非水冷热端传感器在没有冷却水进行冷却的情况下，最高可以耐受325 ℃的高温，这一特性确保设备可以在恶劣的环境中工作，并且快速响应时间少于 175 ms。当所检测的火焰强度低于6.25%，火检向燃气轮机主控制系统快速发出“火焰熄灭”信号。当所检测火焰强度高于12.5%，火检向燃气轮机主控系统快速发出“火焰存在”信号。将检测系统通过光纤(可配9 m左右的铠装光纤电缆)连接，远离高温环境。这样的安装方式彻底解决了由于冷却水温度高可能导致的探头出现超温的问题。