燃气轮机干式火焰检测器改造得必要性

时间：2024-08-31

温文忠

(深圳南山热电股份有限公司，广东深圳 518052)

在社会经济飞速发展的当前时期，电力系统的稳定是关系到国计民生的重要因素。发电厂作为电力系统电能生产环节，其安全稳定运行是保持电力系统稳定重要的一环。早期的燃气轮机火焰检测器多采用循环水冷却，这种冷却方式与干式火焰检测器相比存在多种不安全因素，给机组运行造成安全隐患。本文对燃气轮机水冷火焰检测器的工作原理、保护程序及其潜在隐患进行详细分析，同时也介绍了干式火焰检测器的工作原理，希望能为国内早期的燃气轮机干式火焰检测器改造提供一定的借鉴。

1 概述

我国近些年安装了相当数量的大型燃气-蒸汽联合循环发电机组。为了响应国家“节能减排”的号召，有效降低发电产生的氮氧化物排放，这些大型燃气轮机基本采用了干式低NOx(Dry Low NOx，DLN)燃烧技术[1]，且为了保持低负荷工况的燃烧稳定性采用了燃料分级燃烧技术，不同级火焰检测技术水平及稳定直接影响机组安全正常运行。火焰检测器不稳定将会增加由于检测火焰强度低于门槛值而触发机组熄火保护程序误动的可能性，因此提高火焰检测器的可靠性尤为重要。深圳某9E燃气轮机联合循环热电厂于2011年对原采用传统扩散燃烧技术9E燃气轮机完成了干式低NOx燃烧技术(DLN 1.0)改造。DLN 1.0 燃烧系统是由一个多级预混燃烧室组成，设置了8个火焰检测器,分别对各种燃烧模式切换燃烧工况的火焰进行实时检测，火焰检测器采用循环冷却水进行冷却。其存在众多不安全因素，给机组运行造成安全隐患。

2 火焰检测器工作原理及机组熄火保护程序简介

9E燃气轮机配置得DLN 1.0 燃烧系统由8个紫外线(UV)火焰检测器分别对一、二区进行火焰检测。燃气轮机利用可燃气体作为主燃料燃烧时，在火焰初始燃烧区辐射较强的紫外线，因此采用了紫外线火焰检测器进行检测来判别燃烧室是否点火成功。火检采用碳化硅(SiC)感测器，这是一种碳化硅光敏二极管，其特点是对紫外线辐射特别敏感。燃料在燃烧时，由化学反应产生闪烁的紫外线辐射，使碳化硅光敏二极管感应，转变成电信号，再经放大器处理后，输出4～20 mA模拟量，送入燃气轮机控制系统MARK VIe， MARK VIe 把该4～20 mA信号转化成百分比，与一个门槛值比较后，用以指示在燃烧室中是否有火焰，当数值高于门槛值时便确认火焰存在。

火焰检测系统方块图如图1所示。9E 燃气轮机在#1、#2、#3、#14 燃烧室分别设置了一区和二区火焰检测器：一区为28FD-1P、28FD-2P、28FD-3P、28FD-14P；二区为28FD-1S、28FD-2S、28FD-3S、28FD-14S。通过四选二逻辑判断一区或二区是否有火焰，通过逻辑L28FPD和L28FSD接入燃气轮机熄火保护系统。

图1 火焰检测系统方块图

DLN 1.0 燃烧室的火焰检测器的布置：一区火焰检测器安装在燃烧室外壳上，二区火焰检测器穿过中心体进入燃烧室二区监视火焰，如图2所示。

图2 DLN 1.0 燃烧室火焰检测器布置图

3 存在问题

9E燃气轮机DLN 1.0 燃烧室配备得RS-FS-9001紫外线火焰检测器，最高工作温度235 ℃，需要使用循环冷却水(冷却水温度10 ～ 52 ℃)通过冷却盘旋管进行冷却，每个传感器冷却水流量为3.8～5.7 L/min。火焰检测器安装在9E燃气轮机的#1、#2、#3、#14 燃烧室上，火检冷却水管安装在燃气轮机缸体上方,如图3所示。

图3 燃烧室火焰检测器及冷却水管布置

该套火焰检测系统投运，存在以下隐患风险：

1) GE燃气轮机运行一段时间后，压气机中分面漏气、燃烧室热辐射、透平缸漏气[2]等因素会造成燃机间温度升高，机组运行时，缸体热辐射可导致火焰检测器周围温度达到300～400 ℃，而且振动较大；火焰检测器及其冷却水盘管长期在高温和振动环境下工作，冷却盘旋管接头容易脱落。该厂完成DLN 1.0 改造后燃气轮机曾出现过1号燃烧室一区28FD-1P 冷却盘旋管接头松动，造成冷却水滴落在压排缸上，缸体遇冷收缩，最终导致动静部件碰擦，机组被迫停机。

2) 冷却水管通过卡套连接，存在一定断裂风险并导致冷却水泄漏。某9FA机组曾因此出现火焰检测器水冷管路泄漏，水滴长期落到燃气轮机缸体上，导致缸体变形和机组被迫停运，造成巨大经济损失。

3) 由于冷却水管堵塞、冷却水管阀门未打开导致火焰检测器冷却水不足，造成火焰检测系统故障，被迫停机。国内多个燃气轮机电厂曾发生多起机组因该原因而发生火焰检测器失去冷却水，造成火焰检测器相继未监测到火焰强度信号，最终导致机组满负荷运行时被迫停运。

经过调研，干式火焰检测器耐高温，无需冷却水，如将现有RS-FS-9001紫外线火焰检测器改造为干式火焰检测器，可以取消冷却水系统，从而消除以上安全隐患。

4 干式火焰检测器工作原理及安装实例

干式火焰检测器通过检测火焰燃烧发出的紫外线波长信号来进行火焰强度检测，把敏感的电子元件从热端移到冷端，提高设备的运行可靠性。因此干式火焰检测器不需要冷却水进行探头冷却。以Dry325型号干式火焰检测器为例，图4 为探头，图5 为典型系统配置，图6 为现场一区火焰检测器布置示意图。其具有以下主要特点：(1) 无需冷却水对探头进行冷却. 检测器耐温325 ℃；(2) 燃机间无需电缆套管；(3) 无需冷却水,延长传感器的更换时间，省去冷却水管线的维护；(4) 矿物隔热电缆,无需使用电缆套管和易损的光缆；(5) 允许一直运行,即使在水洗期间也可运行；(6) 直接安装,无须修改程序；(7) 适用于多种燃料；(8) 适用于所有GE重型燃气轮机。

图4 探头

图5 典型系统配置

电厂改造后安装图，图7 为干式火焰检测器探头热端，图8 为干式火焰检测器探头冷端。