燃?xì)廨啓C(jī)燃燒振蕩現(xiàn)象及診斷方法

顧正皓,張寶，張浩權(quán)，毛志偉，胡洲

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310007）

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒振蕩現(xiàn)象及診斷方法

顧正皓1,張寶1，張浩權(quán)2，毛志偉1，胡洲1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310007）

燃燒振蕩現(xiàn)象是影響現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行安全的重要因素，了解和控制燃燒振蕩現(xiàn)象的機(jī)制、特征，診斷及分析運(yùn)行過(guò)程中的燃燒問(wèn)題，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行維護(hù)具有重要意義。

燃?xì)廨啓C(jī)；燃燒振蕩；診斷

為降低排放水平，燃?xì)廨啓C(jī)大量應(yīng)用了DLN（干式低NOX）技術(shù)來(lái)降低排氣中的NOX含量，但是這種貧燃預(yù)混燃燒方式的物理和化學(xué)特性使燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃料組分的變化比常規(guī)的擴(kuò)散燃燒方式更加敏感。燃料的物理和化學(xué)性質(zhì)變化會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒中發(fā)生吹滅、自點(diǎn)火、排放升高等現(xiàn)象。燃燒過(guò)程中不穩(wěn)定的熱量釋放和壓力波動(dòng)會(huì)使燃燒室中產(chǎn)生燃燒振蕩，影響燃燒部件的壽命甚至損壞燃燒部件。

1 燃燒不穩(wěn)定的機(jī)制

對(duì)于現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的大功率燃燒室，燃燒過(guò)程中在很短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的能量，不可避免會(huì)帶來(lái)燃燒室內(nèi)的壓力波動(dòng)，這種波動(dòng)可用燃燒室聲場(chǎng)來(lái)表示。燃燒室內(nèi)熱量的釋放速率和壓力波動(dòng)均呈周期性的變化，當(dāng)熱量釋放與壓力波動(dòng)相位相同或接近時(shí)，壓力的波動(dòng)得以加強(qiáng)。壓力波動(dòng)幅度的增加反過(guò)來(lái)使熱量釋放速率的波動(dòng)加大，熱量釋放與壓力波動(dòng)成正反饋。反之，當(dāng)熱量釋放波動(dòng)的相位與壓力波動(dòng)的相位相差90°以上時(shí)，兩者之間會(huì)形成負(fù)反饋，從而減少壓力和能量的波動(dòng)。在燃燒過(guò)程中也有一些使壓力波動(dòng)減小的阻尼因素，如聲音能量的向外釋放以及在燃燒室內(nèi)通過(guò)其他的變化轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰康姆绞?。?dāng)不穩(wěn)定的能量波動(dòng)超過(guò)阻尼后，將導(dǎo)致燃燒振蕩的產(chǎn)生。

1.1 燃燒不穩(wěn)定的激勵(lì)機(jī)制

燃燒振蕩的因素及產(chǎn)生位置如圖1所示。

圖1 燃燒振蕩的因素及產(chǎn)生位置

（1）燃燒輸送管線與聲場(chǎng)耦合：在未達(dá)到臨界工況時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴前后壓降的波動(dòng)會(huì)影響進(jìn)入燃燒器的燃料流量，導(dǎo)致熱量釋放速率的波動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)壓力的波動(dòng)。大多數(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴在臨界工況下工作，噴嘴進(jìn)口壓力基本等于壓氣機(jī)排氣壓力的2倍，這時(shí)噴嘴后的壓力波動(dòng)不會(huì)改變?nèi)剂系牧髁?，通過(guò)噴嘴的燃料流量只與閥前壓力和燃料閥開(kāi)度相關(guān)。

（2）等效空燃比的振蕩：燃燒器中的壓力波推進(jìn)到預(yù)混區(qū)，影響了預(yù)混過(guò)程和燃料及空氣的供給速率，反應(yīng)混合物的等效空燃比周期性變化。濃度周期性變化的混合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致熱量釋放速率的振蕩，激發(fā)燃燒的不穩(wěn)定性。

（3）燃燒霧化、蒸發(fā)和混合的振蕩：聲場(chǎng)和燃燒霧化噴射的耦合影響燃燒噴射的形狀、顆粒的大小、霧化的速率及燃料與周圍氣體的混合，導(dǎo)致周期性的燃燒供給變化及等效空燃比變化，驅(qū)動(dòng)聲場(chǎng)的振蕩。

（4）火焰形狀及區(qū)域的振蕩：燃燒器中壓力波的傳播使火焰的形狀和區(qū)域發(fā)生周期性的變化。

（5）從燃燒區(qū)通過(guò)流量分離而形成大尺寸的漩渦結(jié)構(gòu)，其卷吸的高溫燃燒產(chǎn)物能快速地使反應(yīng)物點(diǎn)火燃燒，快速的燃燒和膨脹使大尺寸的漩渦破裂形成小的紊流，扭曲和改變了火焰峰面的形狀，形成不穩(wěn)定的熱量釋放過(guò)程。

1.2 燃燒不穩(wěn)定的阻尼機(jī)制

（1）粘性和熱傳遞阻尼：當(dāng)壓力波與燃燒室邊界作用時(shí)，通過(guò)反射、吸收，消耗了壓力波的能量。

（2）聲能的傳播和輻射：燃燒室的聲能可以通過(guò)燃燒室中的開(kāi)口區(qū)向外耗散能量，有的燃?xì)廨啓C(jī)制造廠在燃燒室的外殼上安裝阻尼管，通過(guò)阻尼管來(lái)抑制特定范圍的振蕩頻率。

（3）聲能頻率之間的傳遞：燃燒振蕩的頻譜中通常包含多個(gè)頻率，某一頻率下的能量在特定條件下向其倍頻頻率或次同步頻率傳遞能量，能量在高頻率下耗散得更快，因此整體的振蕩能量得以降低。

2 燃燒不穩(wěn)定的頻率特征

目前大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組配備了CDM（燃燒振蕩監(jiān)測(cè)裝置），通過(guò)CDM可以監(jiān)測(cè)燃燒振蕩的頻率、幅度及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)燃燒故障進(jìn)行診斷。

燃燒振蕩可分為L(zhǎng)FD（低頻振蕩）、MFD（中頻振蕩）和HFD（高頻振蕩）。低頻振蕩的頻率范圍通常在10~50 Hz，如GE的7FA為17 Hz，SW501F為25 Hz，振動(dòng)幅值隨著燃燒溫度的降低而升高，通常在極低的、接近熄火極限的貧燃工況下發(fā)生。LFD最容易識(shí)別的特征是：振蕩可以通過(guò)聽(tīng)覺(jué)感知，就好像貨車開(kāi)過(guò)產(chǎn)生的轟鳴聲。產(chǎn)生LFD的機(jī)組需要進(jìn)行春秋季節(jié)性的燃燒調(diào)整，以適應(yīng)氣溫的變化。需要進(jìn)行燃燒調(diào)整的征兆是NOX排放水平的降低和LFD的增加以及每個(gè)燃燒器的頻譜都存在這種低頻頻率。局部的低頻振蕩可能是某一個(gè)部件產(chǎn)生了問(wèn)題，并不需要進(jìn)行相關(guān)的燃燒調(diào)整。低頻振蕩通常是軸向振蕩，會(huì)增加燃燒部件的應(yīng)力水平。

中頻振蕩的頻率范圍通常在100~250 Hz，如GE的7FA為130~150 Hz，SW501F為120~140 Hz。中頻振蕩的幅值與燃燒溫度和負(fù)荷成正比，即中頻振蕩現(xiàn)象通常在高負(fù)荷區(qū)間容易觀察到。中頻振蕩對(duì)燃燒部件的危害程度小于低頻振蕩。

高頻振蕩較為少見(jiàn)，但其一旦發(fā)生將對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)部件造成很大危害。在GE公司生產(chǎn)的F級(jí)燃汽輪機(jī)上能觀察到260 Hz及以上的頻率。由于高頻振蕩的頻率很高，如果發(fā)生較大的振蕩，部件很快會(huì)因高周疲勞而損壞，通常發(fā)生的原因是燃燒系統(tǒng)的部件與聲音場(chǎng)產(chǎn)生了共振。

CDM也可用于燃燒調(diào)整，通過(guò)改變分級(jí)燃燒的燃料量比例來(lái)達(dá)到改變?nèi)紵袷幩胶团欧潘降哪康摹ＭǔＨ剂戏峙浔壤糜诟淖僋OX排放和燃燒振蕩水平。IGV（進(jìn)口導(dǎo)葉）對(duì)于部分負(fù)荷下的CO排放水平具有較大的影響，0.5~1°的變化會(huì)使CO的排放變化超過(guò)100 mg/L。

采用CDM的記錄數(shù)據(jù)來(lái)判斷燃燒故障的關(guān)鍵點(diǎn)是：在正常工況下，不同的燃燒器無(wú)論頻率還是振幅都應(yīng)該比較均勻。雖然振蕩的特性隨著負(fù)荷和燃料分配的比例改變，但是不同燃燒器之間的一致性是運(yùn)行人員判斷燃燒故障的關(guān)鍵，如果個(gè)別燃燒器的特性發(fā)生了變化，通常意味著該燃燒器或其相鄰燃燒器部件出現(xiàn)了問(wèn)題。另外，CDM數(shù)據(jù)也能輔助運(yùn)行人員作出停機(jī)、減負(fù)荷判斷，以避免故障的擴(kuò)大。

3 燃燒故障的診斷

如表1所示，燃燒診斷工作表將故障特征與故障聯(lián)系起來(lái)，其中的數(shù)值表示故障特征表現(xiàn)的可能性，數(shù)值越大，可能性越大，數(shù)字3表示有明顯的變化且燃燒部件可能有損壞。所有的故障參數(shù)都有共同的特征：均影響全部或部分燃料噴嘴的局部空燃比。如果返修部件沒(méi)有經(jīng)過(guò)正確校準(zhǔn)（如噴嘴流量不平衡），部分噴嘴可能會(huì)引發(fā)燃燒不穩(wěn)，并隨著時(shí)間的推移而發(fā)生故障。如果燃料或空氣流量受到噴嘴故障、堵塞的影響或壓氣機(jī)出口工況發(fā)生變化，就會(huì)引發(fā)1個(gè)或多個(gè)燃燒器的燃燒振蕩。火焰筒和過(guò)渡段的故障會(huì)導(dǎo)致空氣從噴嘴旁路，從而產(chǎn)生局部的富氧工況，使NOX排放升高。通常情況下部件的損壞將導(dǎo)致燃燒振蕩在頻率和幅度上發(fā)生變化，氣溫的變化通常影響低頻和中頻的尖峰，負(fù)荷的變化通常會(huì)使頻率偏移，因此要在相同的氣溫和負(fù)荷工況下比較頻率特征信號(hào)。

4 燃燒故障案例分析

4.1 流量受限故障

某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)在接近滿負(fù)荷時(shí)發(fā)生了大約25 Hz的低頻振蕩，周期性地超過(guò)報(bào)警值，并且在中頻區(qū)也有較高的振蕩，但小于報(bào)警值，如圖2所示。檢查所有的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)只有1個(gè)燃燒器可能有問(wèn)題，而其他燃燒器的振蕩幅度均小于報(bào)警值。進(jìn)一步檢查歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該燃燒器發(fā)生燃燒振蕩時(shí)，回火溫度熱電偶顯示值（即熱電偶溫度測(cè)量值，測(cè)量壓氣機(jī)排氣溫度）升高了16℃?；鼗饻囟葻犭娕嘉挥谌紵鞯母吡魉賲^(qū)，是預(yù)混的下游、主燃區(qū)的上游，與燃燒振蕩發(fā)生點(diǎn)處于同一個(gè)平面。回火溫度的報(bào)警值為93℃，而且排放水平、排氣溫度都沒(méi)有發(fā)生變化。低頻振蕩預(yù)示了燃燒器可能有熄火和流量波動(dòng)的情況發(fā)生。隨后檢查發(fā)現(xiàn)，有外來(lái)異物堵塞在旋流葉片處，因此降低了空氣流量和速度，當(dāng)燃料流速小于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，產(chǎn)生了回火的現(xiàn)象。該故障的特征滿足表1中空氣通道受阻的故障。

4.2 值班噴嘴裂紋故障

圖2 動(dòng)態(tài)頻譜圖

某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的第16個(gè)燃燒器的中、高頻燃燒振蕩超過(guò)了報(bào)警值。圖3為11—16號(hào)燃燒器的壓力頻譜，如圖所示15和16號(hào)燃燒器發(fā)生了頻率為156 Hz的燃燒振蕩，而11—14號(hào)燃燒器沒(méi)有該頻率。16號(hào)燃燒器的燃燒振蕩超過(guò)了報(bào)警值，頻率超過(guò)正常的125~135 Hz的頻率范圍，2個(gè)燃燒器通過(guò)聯(lián)焰管耦合，并且能聽(tīng)到聲音。檢查機(jī)組數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)NOX排放量上升了3~5 mg/m3，并且排氣分散度逐漸上升了45°，但沒(méi)有超過(guò)報(bào)警值。通過(guò)孔窺檢查15號(hào)和16號(hào)燃燒器，發(fā)現(xiàn)16號(hào)燃燒器值班噴嘴的法蘭焊接處有裂紋，裂紋位于值班噴嘴的熱端法蘭焊接處，主要原因是機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的高頻振動(dòng)帶來(lái)的應(yīng)力疲勞。該現(xiàn)象符合表1中“燃料噴嘴被侵蝕或被燒毀”故障中的低頻振蕩增加、NOX排放發(fā)生變化和排氣分散度變化的特征。

4.3 過(guò)渡段故障

某燃燒器的主導(dǎo)頻率大約在135~145 Hz。由圖4可見(jiàn)，在4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)燃燒器中發(fā)現(xiàn)了頻率為225 Hz的燃燒振蕩，5號(hào)燃燒器振蕩幅值最大。振蕩幅值隨時(shí)間推移而增加，即使減負(fù)荷也難于消除該振蕩，機(jī)組最終由于某一點(diǎn)極低的溫度所導(dǎo)致的排氣分散度大而跳閘。故障原因是過(guò)渡段產(chǎn)生裂紋，當(dāng)過(guò)渡段裂紋逐漸擴(kuò)大以后，壓氣機(jī)空氣直接通過(guò)過(guò)渡段的裂口進(jìn)入燃燒器，并冷卻了燃燒器的出口煙氣溫度，排氣熱電偶因此檢測(cè)到了較低的排氣溫度。低周疲勞產(chǎn)生了過(guò)渡段的初始裂紋，高周疲勞擴(kuò)大了裂紋，高穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平加上高動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平導(dǎo)致了過(guò)渡段的快速損壞。該故障符合表1中“過(guò)渡段破裂”的高頻振蕩、排氣分散度增加等特征。

表1 燃燒振蕩診斷工作表

圖3 11-16號(hào)燃燒器的壓力頻譜

圖4 1—8號(hào)燃燒器的頻譜

5 結(jié)語(yǔ)

燃燒振蕩對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行具有重大的影響，通過(guò)對(duì)燃燒振蕩的機(jī)制、現(xiàn)象以及實(shí)例分析，能更好地診斷和分析運(yùn)行過(guò)程中的燃燒問(wèn)題，提高機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性。

[1]TIMOTHY C.LIEUWEN，VIGOR YANG.Combustion Instabilities in Gas Turbine Engines-Operation Experience, Fundamental Mechanisms and Modeling[M].Reston∶American Institute of Aeronautics and Astronautics，2005.

[2]L.ANGELLO.TuningApproachesforDLNCombustor Performance and Reliability[R].Califonia∶Electric Power research institute，2005.

（本文編輯：徐晗）

Combustion Oscillation in Gas Turbine and the Diagnostic Method

GU Zhenghao1，ZHANG Bao1，ZHANG Haoquan2，MAO Zhiwei1，HU Zhou1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，Chian；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）

Combustion oscillation is the major factor influencing the operation safety of modern gas turbine.It is of significance for operation and maintenance of gas turbine to learn and control the mechanism,characters and application of combustion oscillation.

gas turbine；combustion oscillation；diagnosis

TK267

：B

：1007-1881（2014）10-0045-04

2014-08-04

顧正皓（1972-），男，安徽鳳陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究工作。