摘　要：對某廠燃氣輪機在夏季高溫環(huán)境高負荷條件下跳車頻繁的問題進行分析，結合燃氣輪機跳車過程中的參數(shù)變化以及燃氣輪機工作時發(fā)出的噪聲，認為燃燒室工作時發(fā)生振蕩燃燒是跳車的根本原因。對燃氣輪機進行相應的燃燒調(diào)整是解決跳車故障的有效手段。

關鍵詞：燃氣輪機；　跳車；  振蕩燃燒；  燃燒調(diào)整

Cause Analysis and Solutions for Gas Turbine Trip

Abstract：The frequent trips of gas turbine in a plant under the condition of high temperature environment and high load in summer are analyzed．Combined with the variation of parameters in the process of gas turbine trip and noise emitted from the gas turbine during operation，the oscillation combustion in the combustor is considered as being the basic cause of the trip．The combustion adjustment of gas turbine is an effective method tor solving the trip fault．

Keywords：gas turbinej tripi oscillation combustion；combustion adjustment

1　概述

南方某廠的制冷劑壓縮機由西門子燃氣輪機SGT200-2S拖動，但是自投產(chǎn)以來燃氣輪機一直存在高負荷跳車問題。該問題大多發(fā)生在溫度較高的夏季，冬季也曾發(fā)生過跳車現(xiàn)象，但是概率相對較低。雖然燃氣輪機廠家工程技術人員對其進行過小的調(diào)整，但仍然無法解決燃氣輪機高溫環(huán)境中高負荷工況跳車問題。具體故障表現(xiàn)為在溫度較高的環(huán)境里高負荷工況下跳車頻繁，而在較低環(huán)境溫度下跳車現(xiàn)象較少；燃氣輪機無法達到甚至大大低于設計輸出功率，造成制冷劑壓縮機無法滿負荷運轉(zhuǎn)，影響工廠的實際產(chǎn)能。因此該廠一直在尋求燃氣輪機高溫高負荷條件下跳車問題的解決方法。

SGT200-2S為西門子生產(chǎn)的雙軸燃氣輪機，空氣經(jīng)過燃氣輪機壓氣機后與燃料混合進入燃燒室燃燒，燃燒后的高溫高壓炯氣進入第一段透平做功，該段透平帶動與之同軸的燃氣輪機壓氣機壓縮入口空氣，并不對燃氣輪機本體以外輸出功；做功后的煙氣進入與第一段透平不同軸的第二段透平再次做功，第二段透平帶動通過聯(lián)軸器與之相連的制冷劑壓縮機。

2　工廠備選解決方案

針對燃氣輪機高溫情況下易跳車的故障表現(xiàn)，該工廠擬采用降低空氣入口溫度的方法解決跳車問題。其方案可行性研究報告認為，工廠夏季平均環(huán)境溫度高達30℃，相對濕度為70％～80％，溫度高、濕度大是造成燃氣輪機輸出功率不足的主要原因。燃氣輪機額定輸出功率為7.65MW，制冷劑壓縮機設計輸入功率為6.13MW，理論上燃氣輪機應能滿足制冷劑壓縮機滿負荷下的功率要求。但在實際運行過程中，按照制冷劑壓縮機功率計算，夏季負荷率最高只能維持在80％左右，相當于燃氣輪機在該環(huán)境溫度下的輸出功率僅有4.9MW左右，遠低于燃氣輪機的額定輸出功率。該廠技術人員總結實際運行經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)實際運行中環(huán)境溫度與制冷劑壓縮機負荷率的關系見表l。

該工廠認為制冷劑壓縮機能維持的最大負荷與環(huán)境溫度有密切聯(lián)系，擬采用以下改造方案解決高溫環(huán)境下燃氣輪機跳車問題：在燃氣輪機壓氣機入口前加裝冷卻裝置，對入口空氣進行冷卻，確保38℃、相對濕度80％、質(zhì)量流量35kg／s的入口空氣能夠冷卻至l2℃，析出的水分通過絲網(wǎng)氣水分離裝置除去，通過降低入口空氣溫度的方法保證制冷劑壓縮機能滿負荷運行。預計改造后燃氣輪機輸出功率約為7.25MW，能夠滿足制冷劑壓縮機的功耗要求，整個改造項目總造價約為2142×10⁴元。

3　該廠燃氣輪機故障分析

該工廠制冷劑壓縮機冬季曾有滿負荷運行的記錄，實施進氣冷卻改造后也許能夠?qū)崿F(xiàn)夏季滿負荷運行，但也僅僅是從表面上避免燃氣輪機夏季高負荷跳車問題，未從本質(zhì)上解決燃氣輪機高溫高負荷下跳車問題，其原因如下。

3.1　燃氣輪機設計性能理論上能滿足壓縮機需求

溫度升高、濕度增大固然會降低燃氣輪機的輸出功率，但是根據(jù)SGT200-2S燃氣輪機性能曲線，其設計功率能夠滿足當?shù)馗鱾€溫度下制冷劑壓縮機的功耗要求。SGT200-2S在大氣絕對壓力為l01kPa、相對濕度為60％的設定狀況以及額定轉(zhuǎn)速下輸出功率隨溫度的變化曲線見圖l。從圖1中可以看出，即使在40℃下理論上燃氣輪機輸出功率仍能滿足制冷劑壓縮機的功耗要求。該廠所處地區(qū)夏季平均環(huán)境溫度為32.7℃，低于40℃；該地區(qū)夏季相對濕度為80％，高于燃氣輪機設定狀況下的相對濕度，可能會造成燃氣輪機輸出功率有所降低，但影響效果應該較小^[1]。

為了明確相對濕度對燃氣輪機輸出功率影響的大小，利用美國AspenTech公司的Aspen Plus軟件對其進行了模擬計算。在101kPa大氣絕對壓力下，體積流量為22.5m³／s、溫度為30℃的空氣進入壓氣機壓縮至l.1MPa，送入絕熱反應器與質(zhì)量流量為0.437kg／s的燃氣反應，生成的高溫高壓煙氣進入透平做功，透平發(fā)出的功率與壓氣機消耗的功率之差即為燃氣輪機的輸出功率。

對相對濕度為0和相對濕度為70％的兩種工況進行模擬：相對濕度為0時，凈輸出功率為6381kW；相對濕度為70％時，凈輸出功率為6351kW。從以上結果可以看出，相對濕度增大會降低燃氣輪機輸出功率，但是影響只有0.5個百分點左右。

綜上所述，在該廠所處地區(qū)的環(huán)境條件下，燃氣輪機的設計輸出功率理論上能滿足制冷劑壓縮機的功耗要求。因此如能通過其他方式解決燃氣輪機跳車問題，可避免額外增設空氣冷卻裝置，達到節(jié)省投資的目的。

3.2　燃氣輪機故障分析

環(huán)境溫度較高時，該燃氣輪機只能在較小負荷下正常運行，輸出功率遠低于設計值。如果試圖提高燃氣輪機輸出功率，在燃氣輪機升負荷過程中，還未達到設定負荷就因燃燒室火焰熄滅而跳車。曾經(jīng)懷疑空燃比嚴重失衡或旋流器工作異常是燃燒室熄火跳車的原因，但是根據(jù)現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)以及運行人員反映的情況發(fā)現(xiàn)，燃氣輪機并沒有出現(xiàn)空燃比嚴重失衡或旋流器工作異?，F(xiàn)象。首先，經(jīng)計算，SGT200-2S的過?？諝庀禂?shù)約為3.5～3.9，隨工況不同有所變化，而一般燃氣輪機穩(wěn)定燃燒的過?？諝庀禂?shù)范圍為2.7～30.0，因此總的來看空燃比處于正常范圍；其次，該廠更換可變進氣導葉(Variable Inlet Gas Vane，VGV)控制連桿后，發(fā)生火焰吹熄現(xiàn)象的燃燒室從7號變?yōu)?span lang="EN-US">3號，而之前3號燃燒室工作正常，由此說明3號以及7號燃燒室的旋流器工作正常，旋流器也不是造成燃氣輪機跳車的原因。

為分析燃氣輪機跳車原因，將燃氣輪機跳車前后相關重要參數(shù)繪制成圖(VGV控制連桿更換前的數(shù)據(jù))，燃氣輪機跳車時間發(fā)生在下列圖2～5中5s左右。

SGT200-2S燃氣輪機為雙軸燃氣輪機，燃氣輪機第一、第二段透平軸轉(zhuǎn)速及主輔燃料閥相對開度跳車前后l0s數(shù)據(jù)如圖2所示，左側(cè)縱坐標表示燃氣輪機透平轉(zhuǎn)速，右側(cè)縱坐標表示主輔燃料閥相對開度。

SGT-200-2S燃氣輪機有8個燃燒室，每個燃燒室都設置了測溫熱電偶，7號燃燒室和8號燃燒室跳車前后10s數(shù)據(jù)如圖3所示，其他燃燒室溫度變化情況與8號燃燒室情況類似。

燃氣輪機第一段透平后設置了16個測溫熱電偶，其中2個熱電偶跳車前后l0s數(shù)據(jù)如圖4所示，根據(jù)熱電偶測點位置可以確定這兩個熱電偶測得的是7號燃燒室后的煙氣溫度。圖4中的數(shù)據(jù)顯示第一級透平后的溫度甚至高于圖3中燃燒室的溫度，這是因為圖3中顯示的燃燒室溫度并不是透平進口初溫(該溫度通常為ll00℃以上)，而是實際燃燒室內(nèi)熱電偶布點處的溫度，由于燃燒室溫度并不是均勻的，該熱電偶所處位置溫度較低。

結合圖2～4可以看出，在最初主、輔燃料閥相對開度不變的情況下，每個燃燒室的溫度都很穩(wěn)定；隨著工況的變化，由于某種原因燃氣輪機轉(zhuǎn)速稍稍下降，為了阻止燃氣輪機透平轉(zhuǎn)速下降的趨勢，在2s左右主輔燃料閥的相對開度都增大，但是7號燃燒室排出的煙氣溫度突然急劇下降，同時7號燃燒室的熱電偶顯示的溫度也迅速下降，表明增加的燃料并沒有燃燒或者完全燃燒，相反由于7號燃燒室可能發(fā)生了火焰吹熄現(xiàn)象，溫度進一步降低。為提高燃氣溫度，保證燃氣輪機的功率，在2.5s左右控制系統(tǒng)增大主燃料閥的相對開度，但是更多燃料的進入并沒有改善7號燃燒室的燃燒狀況，7號燃燒室的溫度持續(xù)降低，隨后主燃料閥的相對開度再次增大。從圖3中可以看到，8號燃燒室溫度隨著燃料的增多，煙氣溫度進一步升高，盡管6s之前主燃料閥相對開度已經(jīng)降低到最小，由于管路中存留的燃料和熱慣性原因，8號燃燒室6s之后還維持很短時間高溫后溫度才開始下降(除7號燃燒室外，其余燃燒室與8號燃燒室情況類似)，唯有7號燃燒室溫度持續(xù)下降。當7號燃燒室溫度過低時，說明進入7號燃燒室的燃料未完全燃燒，燃氣輪機跳車，主輔燃料閥的相對開度同時大幅減小。

燃燒室4個不同頻率壓力信號跳車前后10s數(shù)據(jù)如圖5所示，這4個壓力信號表征燃燒室火焰振蕩特征頻段的強度。頻率l、頻率2、頻率3、頻率4代表頻率依次降低。從圖5可以看出，在2s左右，高頻段頻率1、頻率2的值突降，圖3和圖4中7號燃燒室的溫度也突然降低；3s左右，高頻段強度進一步降低，低頻段信號頻率4突然增強，7號燃燒室的溫度也再次下降；4s左右，這一趨勢進一步加強，7號燃燒室溫度也進一步降低；6s以后，所有頻段的信號強度都減弱，這是因為主、輔燃料閥都已經(jīng)關小，燃燒室功率下降。從以上變化趨勢可以看出，火焰高頻振動減弱、低頻振動加強代表燃燒不穩(wěn)定的增強，最后導致火焰被吹滅，燃燒室溫度下降。該廠現(xiàn)場操作人員也反映，燃氣輪機運行過程中除了正常的運行噪聲外，還有周期性的轟隆聲，這些外部表現(xiàn)與燃氣輪機熱聲振蕩燃燒現(xiàn)象非常相似。周期性的燃燒不穩(wěn)定，并且出現(xiàn)較大振幅的壓力波動，這種現(xiàn)象通常稱為熱聲振蕩燃燒。

該廠SGT200-2S燃氣輪機為了降低NOx排放，采用干式低排放燃燒室，屬于預混燃燒方式，預混燃燒相比傳統(tǒng)的擴散燃燒，更容易產(chǎn)生振蕩燃燒現(xiàn)象^[2]。

3.3　環(huán)境溫度與跳車頻率的關系

該廠SGT200-2S燃氣輪機跳車的一個顯著特點就是冬季溫度低不跳車或者跳車頻率很低，而夏季溫度高則只能保持較低負荷運行，無法升至較高負荷，容易在升負荷過程中發(fā)生跳車。環(huán)境溫度主要影響入口空氣密度，燃氣輪機在升負荷過程中，很大范圍內(nèi)VGV開度都不發(fā)生變化，基本固定在某一個值，那么可以推測同等轉(zhuǎn)速下壓氣機進氣體積流量不變，而在溫度較高的條件下因空氣密度較小，質(zhì)量流量隨著溫度的升高而減小。升負荷過程中，燃料閥門開度會發(fā)生變化，而VGV開度不變，那么空氣和燃氣的比例，即當量比(或者說過?？諝庀禂?shù))發(fā)生變化，筆者認為燃氣輪機跳車對燃燒過程中的燃氣空氣當量比敏感。關于采用預混燃燒方式的燃氣輪機振蕩燃燒現(xiàn)象的研究結果表明，振蕩燃燒現(xiàn)象對當量比敏感^[3]，這可能是造成該廠SGT200-2S燃氣輪機對溫度敏感的原因。其具體作用過程為：冬季溫度低，平均當量比遠離產(chǎn)生劇烈振蕩燃燒的當量比極限值，升負荷過程中的壓力波動造成時域或者空間域的當量比波動沒有造成燃氣輪機的劇烈振蕩燃燒，燃氣輪機不發(fā)生跳車事故；夏季溫度較高，密度的變化造成平均當量比距離振蕩燃燒的當量比極限值較近，升負荷過程中的壓力波動造成時域或者空間域的當量比波動易造成燃氣輪機的劇烈振蕩燃燒，燃氣輪機發(fā)生跳車事故。

近幾年越來越多的研究者認識到當量比波動在燃燒不穩(wěn)定中的重要作用，普遍認為當量比波動是影響火焰熱釋放和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕蛩刂弧?span lang="EN-US">

當量比波動能引起化學反應速率的變化。對在稀態(tài)條件下當量比擾動的響應研究表明，燃燒反應速率對當量比波動高度敏感。相關研究分析表明，隨著當量比平均值的減小，由當量比波動引起的反應速率的波動顯著增加；在接近可燃極限時，即使微小的當量比波動也可能引起反應速率大幅的變化，那么火焰特性也隨之變化，如火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣然蚧瘜W反應(特征)時間。當量比減小，化學特征時間的梯度呈現(xiàn)顯著的增加。同樣的當量比變化量在稀態(tài)條件下與在化學恰當比條件下相比，所引起的化學特征時間的變化量要大得多。反應速率與化學特征時間成反比例關系，因此在稀態(tài)條件下反應速率的變化量也要大得多。

當反應速率波動與燃燒室系統(tǒng)聲波耦合時，若滿足Rayleigh準則，將出現(xiàn)壓力振蕩，那么當量比波動、熱釋放波動和壓力波動構成了反饋環(huán)。當量比波動的觀點解釋了為什么稀態(tài)預混燃燒更容易受到不穩(wěn)定的困擾。

在燃氣輪機稀態(tài)預混燃燒中，當量比波動顯著地影響燃燒不穩(wěn)定的特性，能夠運用相關運行條件的變化控制不穩(wěn)定程度。根據(jù)這一思想，可以通過調(diào)節(jié)燃氣流量來抑制壓力振蕩，從而避開相應特定當量比條件下的不穩(wěn)定運行工況^[3-4]。

3.4　可變進氣導葉的影響

該廠自行加工更換損壞的VGV控制連桿后，其熄火而造成跳車的燃燒室從7號變?yōu)?span lang="EN-US">3號，根據(jù)這一現(xiàn)象推測，VGV的開度及其工作狀態(tài)也與振蕩燃燒現(xiàn)象相關。

SGT200-2S的一級進氣導葉和四級靜葉可調(diào)，燃氣輪機VGV系統(tǒng)見圖6。

VGV的調(diào)整會改變進氣量以及氣體速度。壓氣機壓力的周期性微小變化，有可能在燃燒室反饋放大，成為燃燒室發(fā)生受迫振蕩燃燒的受迫源。該廠燃氣輪機VGV控制連桿扭曲斷裂后，自行加工安裝控制連桿，其與原配控制連桿有細微差異，這可能是造成熄火燃燒室從7號轉(zhuǎn)至3號的原因。

4　燃氣輪機跳車解決方案

筆者認為燃氣輪機跳車的根本原因是燃燒不穩(wěn)定問題，控制或消除燃燒室燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象是解決問題的關鍵。

燃燒不穩(wěn)定的控制方法可分為被動控制和主動控制。早期采用被動控制的方法，如改變火焰的穩(wěn)定位置、安裝消聲器和防振屏等等。這些方法是燃燒不穩(wěn)定性控制中常用的技術。但是在低頻范圍內(nèi)控制這種聲學不穩(wěn)定性比較困難，而且直到現(xiàn)在還沒有一個消聲措施的設計準則，消聲設備的形式、尺寸需要大量的實驗來確定。主動控制是通過一些手段主動對燃燒過程實施干擾。研究結果表明，利用作動器較小的能量來控制壓力的振動是可行的?？刹捎玫淖鲃悠髦饕新暡òl(fā)生器如揚聲器等，空氣一燃氣調(diào)節(jié)器如快速響應旋轉(zhuǎn)閥等。燃燒不穩(wěn)定的主動控制方法是控制燃燒不穩(wěn)定性的一種有希望的方案，但也需要解決很多實際問題。其中一個問題就是目前的主動控制策略大多基于線性控制理論，但燃燒不穩(wěn)定具有非常強的非線性特性，非線性系統(tǒng)的控制與線性系統(tǒng)的控制之間存在很多不同之處。

從以上分析可以看出，無論被動控制還是主動控制，幾乎都需要對燃氣輪機本體結構做一定的改動，都存在一定的難度，可能需要相當長的時間以及滿足較高的技術要求，不適合短時間內(nèi)解決燃氣輪機故障的要求。鑒于該廠SGT200-2S燃氣輪機對溫度和VGV敏感的表現(xiàn)，可以試圖從以下幾個方面著手對燃氣輪機進行一定的調(diào)整，有可能實現(xiàn)對燃燒不穩(wěn)定的控制。

①主、輔燃料比例的調(diào)節(jié)：如前文所述，振蕩燃燒現(xiàn)象主要發(fā)牛于預混燃燒方式。SGT200-2S燃氣輪機中有主燃料和輔燃料兩個燃料噴嘴，主燃料為預混燃燒，輔燃料為擴散燃燒，因此調(diào)節(jié)主、輔燃料比例必然會對燃燒產(chǎn)生一定影響。燃氣輪機主／輔燃料比例對燃氣輪機燃燒室壓力波動的作用需要仔細觀察，根據(jù)觀察結果總結出一定規(guī)律，進而可以調(diào)整主、輔燃料比例以達到調(diào)整燃燒的目的。一般而言，在低負荷條件下，由于燃料量較少，燃燒溫度較低，當輔燃料的比例小時，擴散火焰的強度不足以維持穩(wěn)定燃燒的要求，易產(chǎn)生熄火；而在高負荷條件下，燃燒溫度較高，過量輔燃料比例必然造成NOx排放的增加。

②通常VGV開度由機組負荷和進氣溫度決定，按照一定的曲線開啟，在燃燒調(diào)整過程中一般只在滿負荷時進行改變以找尋機組最適合的控制方式。該廠VGV控制連桿自行加工更換后，熄火燃燒室發(fā)生變化。可以考慮配合主、輔燃料比例的調(diào)節(jié)，調(diào)整VGV開啟曲線，使燃氣輪機在啟動、升負荷、滿負荷狀態(tài)都能穩(wěn)定運行。

③從燃氣輪機較低負荷到滿負荷區(qū)間，每隔一定負荷量作為一個負荷點，分別對主、輔燃料比例和VGV開度進行調(diào)整，在每個負荷點的調(diào)整中，都需要分別對主、輔燃料比例和VGV進行調(diào)整，以尋找機組安全的運行邊界。一般來說，輔燃料比例的偏置在±1％范圍，如果實際的安全區(qū)域較小，則需要檢查機組其他運行參數(shù)，確認是否存在問題；而如果機組的工作點不在安全區(qū)域的中部，則需要通過調(diào)整將工作點移動到安全區(qū)域的中部。在各個負荷點的調(diào)整工作完成后，需要對機組進行變負荷試驗，確保機組在非穩(wěn)態(tài)工況下也能夠安全穩(wěn)定地運行。

5　結語

以上調(diào)整方案實際為對燃氣輪機燃燒的調(diào)整，與燃氣輪機入口空氣冷卻改造方案相比，工程建設量較小，投資成本低，無需增加額外設備，調(diào)整成功后無額外運行費用。因此，建議采用燃燒調(diào)整方案解決燃氣輪機跳車問題。

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本文作者：秦鋒

作者單位：中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心