王小江（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建 晉江 362251）

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GE 9FA燃?xì)怆姀S燃機(jī)火焰探測(cè)器可靠性研究與應(yīng)用

王小江
（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建 晉江 362251）

摘 要：介紹GE 9FA燃?xì)怆姀S燃機(jī)火焰探測(cè)器幾起故障，深入分析其故障原因并提出提高火焰探測(cè)器可靠性的措施。通過改造實(shí)例，介紹了近年來某電廠針對(duì)燃機(jī)火焰探測(cè)器所進(jìn)行的可靠性研究和實(shí)際優(yōu)化改造實(shí)例，為防范燃機(jī)火焰監(jiān)視系統(tǒng)故障提供多種思路。

關(guān)鍵詞：火焰探測(cè)器；保護(hù)；改造；優(yōu)化

GE 9FA燃?xì)怆姀S燃機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置有熄火保護(hù)，一般配置有4個(gè)火焰探測(cè)器，火焰探測(cè)器將火焰信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送至燃機(jī)MARKVI控制系統(tǒng)，監(jiān)視燃機(jī)在啟動(dòng)過程中是否點(diǎn)火成功，同時(shí)在燃機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行熄火保護(hù)邏輯判斷。

一、火焰探測(cè)器的工作原理及功能

9FA燃機(jī)燃料為天然氣，主要成份為甲烷（CH4），是含氫燃料的一種，燃燒時(shí)火焰成份偏向于紫外光，色溫較高，檢測(cè)起來比紫光到紅光的可見光譜更為可靠，所以一般采用紫外原理的探測(cè)器。9FA燃機(jī)在15#、16#、17#、18#燃燒室各裝有火焰探測(cè)器，由于燃機(jī)運(yùn)行時(shí)缸體溫度可達(dá)150℃左右，一般使用冷卻水盤管對(duì)火焰探測(cè)器進(jìn)行冷卻，以免火焰探測(cè)器電子元器件受到高溫影響，冷卻水來源為閉式冷卻水系統(tǒng)。

燃機(jī)啟動(dòng)過程和正常運(yùn)行中，火焰探測(cè)器用來監(jiān)視噴入燃燒室的燃料是否點(diǎn)燃，程序設(shè)計(jì)為4個(gè)火焰探測(cè)器2個(gè)及以上檢測(cè)到火焰并穩(wěn)定2s，則認(rèn)為燃機(jī)點(diǎn)火成功，否則燃機(jī)點(diǎn)火失敗，燃機(jī)跳閘，必須到盤車轉(zhuǎn)速后重新發(fā)啟動(dòng)令，然后進(jìn)行燃機(jī)清吹，避免天然氣積留在燃燒室引發(fā)爆燃。

二、火焰探測(cè)器故障案例分析

1.2#機(jī)燃機(jī)18#火焰探測(cè)器冷卻水管兩次斷裂事故

（1）事件概述。

2012年8月8日，2#機(jī)負(fù)荷330MW，3X軸振3X漲至0.228mm，機(jī)組跳閘，運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)透平間燃機(jī)18#火檢冷卻水接口裂開漏水，隨即關(guān)閉透平間內(nèi)火檢冷卻水進(jìn)、回水手動(dòng)閥。8月9日夜班，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)膨脹水箱液位急劇下降，就地檢查發(fā)現(xiàn)18#火檢的冷卻水管斷裂，閉冷水從斷開的管道呈水柱狀噴到燃機(jī)透平缸體上，關(guān)閉火檢冷卻水進(jìn)回水手動(dòng)閥，并匯報(bào)省調(diào)停機(jī)。

（2）事件經(jīng)過。

冷卻水管第一次斷裂后處理情況：8月9日，對(duì)18#火檢冷卻水管進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問題。第一，18#火檢冷卻水回水環(huán)管斷裂；第二，17#火檢冷卻水回水管與18#火檢冷卻水進(jìn)水管有碰撞磨損現(xiàn)象。事件處理過程：更換18#火檢冷卻水管環(huán)管、17#和18#火檢磨損的冷卻水管。冷卻水管斷裂情況見圖1。

圖1　18#火檢冷卻水回水環(huán)管斷裂

冷卻水管第二次斷裂后處理情況：8月10日，對(duì)18#火檢冷卻水管進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)18#火檢冷卻水進(jìn)水環(huán)管斷裂。處理過程：更換冷卻水環(huán)管，并加工固定支架，將冷卻水管固定。8月10日機(jī)組啟動(dòng)后運(yùn)行至今，冷卻水管正常。

（3）事件原因分析。

冷卻水管第一次斷裂的原因：燃機(jī)軸向位移波動(dòng)、大軸竄動(dòng)、燃機(jī)瓦振大、冷卻水管振幅大，導(dǎo)致冷卻水管金屬材料產(chǎn)生疲勞，且聯(lián)焰管法蘭泄漏導(dǎo)致空間溫度高，再加上冷卻水管相互之間的碰磨，這3個(gè)因素導(dǎo)致了第一次冷卻水管斷裂事件的發(fā)生。

冷卻水管第二次斷裂的原因：由于燃機(jī)振動(dòng)大問題沒得到解決，冷卻水管仍存在振幅大問題，且冷卻水管進(jìn)行了卡套接頭焊接處理，環(huán)管彎頭材料特性有可能發(fā)生變化，這兩個(gè)因素導(dǎo)致了第二次冷卻水管斷裂事件的發(fā)生。

2.4#機(jī)燃機(jī)18#火焰探測(cè)器冷卻水管松脫事故

（1）事件經(jīng)過。

2013年4月17日，4#機(jī)缺陷處理后恢復(fù)閉式冷卻水系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)燃機(jī)透平間18#火檢冷卻水管松脫，透平間地面有大量的水，透平間內(nèi)燃機(jī)有異音，運(yùn)行人員迅速隔離閉式冷卻水系統(tǒng)。

（2）事件處理過程。

事件發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)有檢修人員在場(chǎng)，聽到燃機(jī)異音后，發(fā)現(xiàn)18#號(hào)火檢冷卻水進(jìn)水管松脫，而卡套上的螺母未松動(dòng)，仍緊固在火檢的冷卻盤管上。檢修人員重新更換火檢冷卻水進(jìn)水管及卡套，開啟火檢冷卻水進(jìn)水木管排氣堵頭，并恢復(fù)閉式冷卻水。

（3）事故原因分析。

冷卻水管卡套接頭主要有環(huán)形件及錐形件，正常情況下管子裝入卡套接頭后擰緊螺母，將使環(huán)形件嵌入錐形件，這樣使整個(gè)錐形件咬住水管而不會(huì)松脫。分析更換下來的卡套，發(fā)現(xiàn)該卡套上的環(huán)形件未嵌入錐形件，是造成此次火檢冷卻水管松脫的主要原因。

3.兩次火檢冷卻水管松脫的事故總結(jié)

從以上兩次火檢冷卻水管的接頭松脫導(dǎo)致冷卻水泄漏，當(dāng)冷卻水噴到燃機(jī)透平缸體、壓氣機(jī)缸體時(shí)，高溫的缸體突然受冷收縮，透平、壓氣機(jī)動(dòng)葉片與缸體產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生葉片、缸體受損，造成無法修復(fù)的故障。

兩次火檢冷卻水管接頭松脫事件，說明卡套接頭的施工工藝尤其重要，必須嚴(yán)格把關(guān)檢修方的檢修質(zhì)量，必須履行專業(yè)級(jí)、部門級(jí)、廠級(jí)三級(jí)驗(yàn)收制度。

4.火焰探測(cè)器存在其他故障現(xiàn)象及分析

4臺(tái)機(jī)組自2009年投產(chǎn)以來，屢次發(fā)生火焰探測(cè)器強(qiáng)度突然波動(dòng)的現(xiàn)象，尤其是18#火檢尤為突出，一般采取的措施是臨時(shí)將火焰存在信號(hào)強(qiáng)制，機(jī)組停運(yùn)兩天以上，燃機(jī)缸體冷卻后，檢修人員才能登上燃機(jī)缸體進(jìn)行檢修工作。在更換火焰探測(cè)器后，火焰檢測(cè)強(qiáng)度波動(dòng)問題基本能解決。

分析認(rèn)為，火檢存在檢測(cè)強(qiáng)度波動(dòng)問題的原因有：第一，18#火檢處于冷卻水管的末端，而冷卻水管直接暴露在透平間高溫環(huán)境中，由于輻射作用，冷卻水管中冷卻水受到加熱，冷卻效果會(huì)降低，會(huì)直接影響到火檢的使用壽命。第二，冷卻水管處于冷卻水系統(tǒng)的高點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)容易積存空氣，影響冷卻效果。

三、火焰探測(cè)器可靠性研究

1.主流F級(jí)燃機(jī)的火焰探測(cè)器對(duì)比（表1）

表1　主流F級(jí)燃機(jī)電廠火檢對(duì)比情況

2.火焰探測(cè)器可靠性提升措施

（1）從3種主流F級(jí)燃機(jī)電廠火檢設(shè)計(jì)規(guī)格和使用情況來說，GE燃機(jī)本體無保溫，火檢工作環(huán)境最為惡劣，且有較高的故障率?？缮钊胝撟C燃機(jī)本體保溫的可行性，如GE機(jī)型的透平間環(huán)境溫度能將至其他兩種燃機(jī)機(jī)型水平的話，火檢冷卻水管可拆除，同時(shí)可降低火檢故障率，日常點(diǎn)檢也可順利進(jìn)行。

（2）對(duì)冷卻水管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及改造。一是不銹鋼管安裝角度改變減少振動(dòng)。二是S型管道設(shè)計(jì)緩解振動(dòng)。

（3）卡套接頭進(jìn)行改型。將現(xiàn)有螺紋卡套接頭改型為螺紋對(duì)焊活接接頭?？山鉀Q卡套接頭因卡不緊導(dǎo)致松脫的問題。

（4）將冷卻水管母管至各個(gè)火焰探測(cè)器的冷卻支管更換為金屬軟管，避免因冷卻水管振動(dòng)在卡套接頭處產(chǎn)生應(yīng)力。

（5）GE火檢三種冷卻方式對(duì)比如表2所示。

表2　GE火檢三種冷卻方式對(duì)比

由上表可知，GE火檢原設(shè)計(jì)并不是只可以用冷卻水進(jìn)行冷卻，也可進(jìn)行壓縮空氣冷卻?？稍?臺(tái)機(jī)組1個(gè)火檢探頭上進(jìn)行壓縮空氣冷卻方式的試驗(yàn)性研究，但試驗(yàn)過程中，火檢可靠性無法得到保證，需將此火檢保護(hù)信號(hào)退出。

（6）使用新型的無水冷卻的耐高溫火焰探頭，徹底取消冷卻水，永絕后患。

四、火焰探測(cè)器升級(jí)改造的實(shí)踐

根據(jù)火焰探測(cè)器的可靠性研究結(jié)果，綜合各類方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采取永久取消火檢冷卻水的方案。方案分兩步走，第一步進(jìn)行火檢壓縮空氣冷卻的試驗(yàn)，第二步進(jìn)行新型無水冷卻火檢的試用。

1.火焰探測(cè)器空氣冷卻方式改造試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模罕敬卧囼?yàn)將水冷卻方式改為空氣冷卻，并輔以相關(guān)隔熱措施，若能將火焰探測(cè)器溫度冷卻至允許溫度（-30～150℃）即可保證設(shè)備正常運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)通過溫度測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證火焰探測(cè)器空氣冷卻可行性。

試驗(yàn)方案：火焰探測(cè)器外部加裝隔熱罩并刷隔熱保護(hù)涂料，火檢延長(zhǎng)管處包裹保溫棉，防止高溫輻射?；鹧嫣綔y(cè)器環(huán)管開孔并通入壓縮空氣，冷卻火焰探測(cè)器本體及周邊環(huán)境溫度。

隔熱罩內(nèi)部、外部分別安裝1支溫度熱電偶，檢測(cè)空間溫度，火焰探測(cè)器本體安裝1支貼片熱電偶，測(cè)量火焰探測(cè)器本體溫度。

試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過安裝隔熱罩和通入空氣進(jìn)行冷卻，火檢探頭本體溫度始終在180℃左右，超出火檢探頭的最大允許工作問題，探頭處于故障狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果證明空氣冷卻方式不可行。

2.無水冷卻火焰探測(cè)器改造

對(duì)火電廠、燃機(jī)電廠的無水冷卻火焰探測(cè)器信息進(jìn)行收集，目前有以下兩類。

（1）GE配套火檢，火檢由探頭、光纖、信號(hào)放大3個(gè)組件組成。探頭檢測(cè)火焰，通過光纖傳輸至信號(hào)放大器，而后將信號(hào)送至控制系統(tǒng)。整套火檢為兩線制4～20mA供電方式，直接代替原有火檢，探頭工作環(huán)境溫度可達(dá)200℃。

目前該型號(hào)火檢已在4臺(tái)機(jī)組中3臺(tái)18#燃燒室安裝，改造后，使用情況良好。

（2）美國(guó)FORNEY公司Flamehawk火焰檢測(cè)器。Flamehawk火焰檢測(cè)器由探頭、光纖、放大器3個(gè)部件組成。工作原理：安裝在燃機(jī)火焰筒上的探頭檢測(cè)燃燒火焰的紫外UV光譜成分，通過光纖將火焰信號(hào)傳至安裝在燃機(jī)罩殼外的放大器，經(jīng)過放大器的電路部件轉(zhuǎn)換成4～20mA信號(hào)，傳至MARKVI系統(tǒng)。探頭：316SS、法蘭安裝、石英鏡頭、工作溫度-40～300℃。光纖：316SS雙層護(hù)套、螺紋連接、工作溫度-40～350℃。放大器：響應(yīng)時(shí)間小于50ms、兩線制4 ～20mA、工作溫度-30～70℃，帶火焰強(qiáng)度指示。目前該型號(hào)火檢在1臺(tái)機(jī)組18#燃燒室安裝，改造后，使用情況良好。

五、結(jié)語(yǔ)

火焰探測(cè)器在燃機(jī)火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上有著重要作用，冷卻水安全問題和信號(hào)穩(wěn)定問題都嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過火焰探測(cè)器的冷卻方式試驗(yàn)和無水冷卻火焰探測(cè)器的改造，永久解決冷卻水的泄漏問題，同時(shí)提高火焰信號(hào)的穩(wěn)定性，有利于燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)叢書.控制系統(tǒng)分冊(cè)/中國(guó)華電集團(tuán)編.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

中圖分類號(hào)：TK16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-0711（2016）03-0047-03

收稿日期：（2016-02-18）