閻 波，劉靜武，李鐵生，左興堂，劉廣于，彭 珍

（北京首鋼股份有限公司，河北唐山 064404）

引言

近年來，隨著鋼鐵企業(yè)節(jié)能意識(shí)的提升，以低熱值的高爐煤氣為燃料的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組提高了鋼鐵企業(yè)能源經(jīng)濟(jì)循環(huán)利用，降低了鋼鐵產(chǎn)品成本，而且避免了富裕煤氣的放散，既回收了二次能源又減少了環(huán)境污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

燃燒是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)?？焖?、準(zhǔn)確檢測燃燒的穩(wěn)定性，保證燃燒的穩(wěn)定，降低燃機(jī)設(shè)備故障停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，成為行業(yè)重點(diǎn)研究方向。

1 鋼鐵企業(yè)低熱值燃?xì)廨啓C(jī)

目前鋼鐵企業(yè)已應(yīng)用的低熱值燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)商主要有三菱、通用和西門子公司，其中三菱占有率超過80%。本文重點(diǎn)對(duì)三菱生產(chǎn)的燃機(jī)進(jìn)行研究。

鋼鐵企業(yè)的燃機(jī)，主要以高爐副產(chǎn)的低熱值高爐煤氣為燃料，其類型主要有M251、M701SDA、M701SDAX 和 M701SF 等，熱值范圍從2 900 kJ/m3至4 800 kJ/m3，燃機(jī)入口煙氣溫度從1 100 ℃至1 300 ℃，整體發(fā)電效率38%～48%。由于其熱值范圍廣，整體效率高，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，在鋼鐵企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

2 工藝系統(tǒng)介紹

2.1 燃料系統(tǒng)

低熱值的高爐煤氣或高焦混合煤氣經(jīng)電除塵器除塵后，由煤氣加壓機(jī)加壓至1 MPa左右后進(jìn)入燃機(jī)燃燒室進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔苿?dòng)燃?xì)馔钙剑ㄈ細(xì)廨啓C(jī)）做功。

2.2 燃燒配風(fēng)系統(tǒng)

空氣經(jīng)燃機(jī)入口空氣過濾器（一般為三級(jí)），進(jìn)入空氣加壓機(jī)加壓至1 MPa 左右，一路進(jìn)入燃燒室參與燃燒，另一路通過燃燒室旁路閥進(jìn)入燃燒室尾筒。同時(shí)空氣加壓機(jī)采用多級(jí)抽氣來滿足轉(zhuǎn)子和靜葉的冷卻。燃燒配風(fēng)由空氣加壓機(jī)入口可調(diào)導(dǎo)葉及燃燒室旁路閥調(diào)整。

2.3 燃燒系統(tǒng)

經(jīng)過煤氣壓縮機(jī)加壓的高溫高壓煤氣，進(jìn)入燃燒筒內(nèi)噴嘴，然后與空氣進(jìn)行預(yù)混合后在燃燒筒內(nèi)燃燒，燃燒方式為低速擴(kuò)散燃燒，煙氣溫度達(dá)到1 100 ℃以上。高溫的煙氣經(jīng)燃燒室及尾筒，進(jìn)入燃機(jī)入口推動(dòng)燃機(jī)做功。

高爐煤氣熱值低，CH4、H2含量低，燃燒特性差，因此燃燒室采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的帶燃燒室旁通閥的環(huán)管型燃燒室，為低速擴(kuò)散式燃燒室，通過燃燒室旁通閥調(diào)節(jié)進(jìn)入一次燃燒區(qū)的空氣量，達(dá)到調(diào)節(jié)主燃燒區(qū)的燃空比。其具有保證點(diǎn)火時(shí)良好的著火性能，保證低負(fù)荷或低熱值條件下，高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

3 燃燒振動(dòng)

燃燒振動(dòng)指的是燃機(jī)燃燒室內(nèi)由于燃燒產(chǎn)生的周期性、大幅度壓力振蕩，也稱燃燒噪聲。燃燒振動(dòng)發(fā)生在高溫的火焰區(qū)域，是由于燃燒不穩(wěn)定造成的，如果壓力等級(jí)超過一定的范圍，將對(duì)燃燒室及其部件造成損傷。

燃燒不穩(wěn)定受到燃料種類、燃料-空氣當(dāng)量比、噴嘴結(jié)構(gòu)和安裝位置、燃燒室狀態(tài)、燃燒室溫度和壓力等多種參數(shù)的影響，因此每個(gè)燃燒系統(tǒng)中所表現(xiàn)的特征都不相同。

3.1 燃燒振動(dòng)的類型

燃燒振動(dòng)類型分為固有燃燒不穩(wěn)定、燃燒室腔體不穩(wěn)定和燃燒系統(tǒng)不穩(wěn)定。

固有燃燒不穩(wěn)定：主要是指化學(xué)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定、熱擴(kuò)散不穩(wěn)定或水力學(xué)不穩(wěn)定。

燃燒室腔體不穩(wěn)定：是指在燃燒室內(nèi)燃燒熱波動(dòng)導(dǎo)致的壓力振蕩。

燃燒系統(tǒng)不穩(wěn)定：是指在燃燒室內(nèi)燃燒熱波動(dòng)與壓力振蕩的相互作用受到系統(tǒng)其他部分的影響，包括壓氣機(jī)排氣系統(tǒng)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)和燃燒室排氣系統(tǒng)（透平進(jìn)口導(dǎo)葉）。

3.2 燃燒振動(dòng)檢測

目前燃機(jī)主要的燃燒振動(dòng)檢測方法為：火焰檢測裝置、葉片通道測溫裝置（BPT）、燃燒室內(nèi)壓檢測裝置（CPFM）。

火焰檢測裝置：檢測火焰是否存在，并將燃燒產(chǎn)生的光信號(hào)（高爐煤氣燃燒產(chǎn)生的紫外線）轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行顯示。

葉片通道溫度測溫裝置（BPT）：監(jiān)測熱通道出口煙氣溫度，由于無法直接測量內(nèi)筒壁溫、燃機(jī)入口煙氣溫度，采用測量熱通道出口煙氣溫度來間接反應(yīng)每個(gè)燃燒筒燃燒情況。通過監(jiān)測每一個(gè)熱通道出口煙氣溫度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片通道超溫的快速反應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)出口煙氣溫度場的分布情況分析。

燃燒室內(nèi)壓檢測裝置（CPFM）：通過檢測燃燒室內(nèi)壓力變化和加速度變化，判斷燃燒的穩(wěn)定性，是否發(fā)生燃燒振動(dòng)［1］。

3.3 燃燒振動(dòng)報(bào)警的原因

（1）儀表問題

燃燒振動(dòng)內(nèi)壓探頭零輸出或低靈敏度報(bào)警。零輸出通常的原因是由于前置器故障，導(dǎo)致前置器電源未供電引起。低靈敏度報(bào)警可能原因是探頭故障、電纜保溫差、取壓管堵塞、探頭安裝間隙不合適或安裝變形漏氣。

（2）加速度探頭報(bào)警或跳機(jī)

加速度探頭高頻段報(bào)警或跳機(jī)，但CPFM 的壓力振動(dòng)值正常，運(yùn)行參數(shù)也無明顯變化?？赡茉蚴翘筋^安裝螺栓松動(dòng)或脫落，導(dǎo)致與底座安裝存在間隙，周圍管道漏氣（轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)管道）或本體保溫局部不良，引起受熱報(bào)警。

（3）燃燒振動(dòng)低頻報(bào)警

燃機(jī)升速中發(fā)生真實(shí)燃燒振動(dòng)，振動(dòng)頻率為8～30 Hz，伴隨升速不力、排煙段振動(dòng)大等現(xiàn)象。

（4）燃燒振動(dòng)中頻報(bào)警

機(jī)組正常運(yùn)行期間，燃料熱值控制出現(xiàn)波動(dòng)，振動(dòng)頻率為30～100 Hz，系統(tǒng)預(yù)報(bào)警。主要原因?yàn)闊嶂挡▌?dòng)導(dǎo)致燃料流量波動(dòng)，引起燃燒室噴嘴差壓發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而引起燃燒振動(dòng)中頻報(bào)警。

（5）燃燒振動(dòng)高頻報(bào)警

正常運(yùn)行時(shí)，2 個(gè)及以上燃燒筒燃燒振動(dòng)在相同波段超過跳機(jī)值，燃機(jī)跳機(jī)。主要原因?yàn)榭諝膺^濾器差壓過高引起壓氣機(jī)入口空氣量減少或燃燒室旁路閥開度過大，回流至燃燒室尾筒空氣增多，導(dǎo)致燃燒用空氣量降低，燃燒強(qiáng)度降低，觸發(fā)燃燒振動(dòng)高頻報(bào)警。

4 實(shí)際案例

4.1 安裝精度對(duì)燃燒的影響

安裝精度主要考慮燃機(jī)大修后燃燒室旁路閥旁路環(huán)同心度的安裝精度。

隨著燃機(jī)長時(shí)間運(yùn)行，燃燒室旁路閥旁路環(huán)存在受熱變形的可能，一方面會(huì)造成卡澀，另一方面會(huì)導(dǎo)致旁路環(huán)同心度發(fā)生變化。如果其同心度發(fā)生較大變化，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入燃燒室冷卻風(fēng)量發(fā)生變化，尤其在機(jī)組低負(fù)荷過程（開機(jī)過程），會(huì)引起燃燒筒出口溫度、葉片通道溫度降低，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)觸發(fā)葉片通道溫度偏差大跳機(jī)。

4.1.1 案例

某單位M251燃機(jī)開機(jī)過程運(yùn)行參數(shù)見圖1。

圖1 葉片通道溫度隨轉(zhuǎn)速變化曲線（調(diào)整前）

從圖1 可以看出，從2 000 r/min 以后，隨著空壓機(jī)抽汽閥逐步關(guān)閉，葉片通道溫度受到影響，個(gè)別葉片通道溫度偏差發(fā)生較大波動(dòng)，5#葉片溫度偏差最大達(dá)到50.4 ℃。

4.1.2 原因分析

從現(xiàn)象看，5#葉片通道偏差高，通過檢查，5#葉片通道溫度高于其他測點(diǎn)，且高于正常運(yùn)行數(shù)值。初步懷疑燃燒室出口煙氣溫度高所致，考慮燃料和配風(fēng)的一致性，問題應(yīng)該在燃燒室旁路供風(fēng)系統(tǒng)。

檢查燃燒室旁路閥及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，活動(dòng)正常無卡塞。檢查旁路環(huán)，發(fā)現(xiàn)有變形，同心度出現(xiàn)偏差，流量特性發(fā)生變化，風(fēng)量減少，引起燃燒室出口溫度偏高，5#葉片溫度偏高，進(jìn)而引起5#葉片通道偏差高。

通過大修，對(duì)變形的旁路環(huán)進(jìn)行加工處理，并對(duì)燃燒室旁路閥旁路環(huán)同心度進(jìn)行調(diào)整，保證其同心度。開機(jī)后的運(yùn)行曲線見圖2。

圖2 葉片通道溫度隨轉(zhuǎn)速變化曲線（調(diào)整后）

整個(gè)開機(jī)過程各個(gè)葉片通道溫度變化平穩(wěn)?？諌簷C(jī)抽汽閥關(guān)閉過程中，期間葉片通道溫度變化平穩(wěn)，葉片通道溫度偏差最大16 ℃，取得較大改善，提升了機(jī)組的燃燒穩(wěn)定性。

4.2 熱值突降引起燃燒振動(dòng)

燃機(jī)燃燒需要考慮煤氣熱值波動(dòng)和燃燒振蕩。煤氣熱值的波動(dòng)會(huì)引起燃料噴嘴的噴射壓差變化，為了保持燃燒穩(wěn)定性，噴射壓差需控制在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)燃燒室內(nèi)壓力增加時(shí)，噴射壓差減小，燃料流量就會(huì)減小；當(dāng)燃燒室內(nèi)壓力減小時(shí)，噴射壓差增加，燃料流量也相應(yīng)地變大。因此燃料流量就會(huì)根據(jù)燃燒室壓力而波動(dòng)和振蕩，燃燒振蕩就有被放大的可能，超過一定幅值的燃燒振蕩會(huì)導(dǎo)致燃燒室損壞。

煤氣熱值的波動(dòng)范圍通常采用沃泊指數(shù)（WI）來表征煤氣成分和特性的變化，一般要求煤氣的WI變化在一定范圍（一般控制在±15%以內(nèi)）［2］。當(dāng)WI發(fā)生變化，如果噴射壓差不變，進(jìn)入燃機(jī)的熱量就會(huì)變化；如果保持熱量不變，噴射壓差變化就會(huì)增大，從而引起燃燒振蕩。故雖然燃機(jī)設(shè)計(jì)工作范圍較廣，其熱值范圍從2 900 kJ/m3至4 800 kJ/m3，但運(yùn)行期間要求熱值波動(dòng)范圍小于±50 kJ/m3.

鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣系統(tǒng)，由于高爐運(yùn)行工況不同，所產(chǎn)生的煤氣熱值略有差異。當(dāng)高爐進(jìn)行檢修、停風(fēng)和送風(fēng)的時(shí)候，尤其送風(fēng)期間，低熱值的煤氣進(jìn)入管網(wǎng)，會(huì)引起燃機(jī)入口煤氣熱值急降，導(dǎo)致燃燒振動(dòng)，進(jìn)而機(jī)組跳機(jī)。

4.2.1 事故案例

高爐送風(fēng)前，燃機(jī)熱值3 406 kJ/m3，增熱焦氣流量440 m3。高爐送風(fēng)后燃機(jī)葉片通道偏差大報(bào)警，壓力波動(dòng)低頻報(bào)警，隨后葉片通道偏差大停機(jī)（火焰丟失）。停機(jī)后燃機(jī)熱值下降至2 873 kJ/m3，負(fù)荷從13 MW突降至8.9 MW。

4.2.2 原因分析

從現(xiàn)象看，熱值降低是引起燃燒振動(dòng)，進(jìn)而引起跳機(jī)的直接原因，熱值儀的滯后性是引起事故的間接原因。燃燒振動(dòng)報(bào)警及跳機(jī)時(shí)，熱值沒有明顯降低，跳機(jī)后熱值開始降低，熱值儀的滯后性影響了機(jī)組燃燒調(diào)整。

熱值儀為橫河CM6G型直燃式熱值儀，見圖3。高爐煤氣或者混合煤氣經(jīng)取樣管，通過兩組并聯(lián)的過濾器進(jìn)行除塵，然后經(jīng)過隔膜氣泵抽取加壓后，經(jīng)洗氣器，鼓泡器、除濕器后經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入燃燒器燃燒，進(jìn)行熱值測量。

因取樣氣需進(jìn)入洗氣器、鼓泡器和除濕器稀釋后燃燒，所以導(dǎo)致了熱值儀的滯后性。鋼鐵企業(yè)已應(yīng)用的熱值儀還有分析熱值儀，通過氣體成分分析計(jì)算的熱值儀，其滯后性優(yōu)于直燃式，但是其測量偏差較大。

無論是直燃式熱值儀，還是分析式熱值儀，其對(duì)于燃機(jī)熱值異常調(diào)整都存在一定影響，故手動(dòng)干預(yù)、系統(tǒng)調(diào)整尤為重要。

整體調(diào)整目標(biāo)為使用最近高氣柜緩沖高爐送風(fēng)初期高氣，通過放散配合將低熱值高爐煤氣放散。高爐熱風(fēng)爐在高爐合氣時(shí)安排熱風(fēng)爐使用高爐煤氣，消耗低熱值的高爐煤氣，根據(jù)高爐送風(fēng)量，安排高氣柜旁路逐步開啟，同步根據(jù)分析熱值儀數(shù)值核算焦氣調(diào)整量，手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

4.3 配風(fēng)異常引起的燃燒振動(dòng)

配風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于燃燒系統(tǒng)也至關(guān)重要。燃燒配風(fēng)不足，會(huì)造成某個(gè)或多個(gè)燃燒器不完全燃燒，其直觀現(xiàn)象就是機(jī)組負(fù)荷快速降低，多個(gè)葉片通道溫度緩慢降低，葉片通道溫度報(bào)警，燃燒振動(dòng)報(bào)警。燃燒配風(fēng)略高于正常量，整體參數(shù)正常，發(fā)電效率略低，但燃燒配風(fēng)過量，會(huì)導(dǎo)致個(gè)別燃燒薄弱的燃燒筒滅火，機(jī)組甩部分負(fù)荷（具體看滅火的燃燒筒數(shù)量），燃燒振動(dòng)及葉片通道溫度急劇降低發(fā)出報(bào)警，機(jī)組跳機(jī)。

三菱配風(fēng)系統(tǒng)是通過壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉和燃燒室旁路閥來實(shí)現(xiàn)的。壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉主要根據(jù)不同負(fù)荷調(diào)整壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量，燃燒室旁路閥通過調(diào)整壓氣機(jī)出口至燃燒室尾通的風(fēng)量（不參與燃燒的風(fēng)量），來保證用于燃燒器燃燒的風(fēng)量，總體來看燃燒的配風(fēng)調(diào)節(jié)精度不高。從整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)來看，燃燒室旁路閥對(duì)于燃燒配風(fēng)調(diào)整至關(guān)重要。燃燒室旁路閥結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 燃燒室旁路閥結(jié)構(gòu)圖

從整體運(yùn)行情況看，燃燒室旁路閥故障多以卡澀為主，其主要原因?yàn)闅飧谆蛴透啄p、機(jī)構(gòu)變形或潤滑不良等。旁路閥閥板定位銷脫落，引起單個(gè)閥板調(diào)整不良也會(huì)造成配風(fēng)異常，由于其不易被發(fā)現(xiàn)，也應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

4.3.1 事故案例

高氣限燒開始降負(fù)荷，燃燒振動(dòng)探頭觸發(fā)低頻預(yù)報(bào)警，燃機(jī)甩負(fù)荷，之后葉片通道溫度偏差大報(bào)警，機(jī)組跳閘。

4.3.2 原因分析

跳機(jī)前后機(jī)組及臨近機(jī)組熱值變化在3 260 kJ/m3～3 235 kJ/m3，熱值穩(wěn)定，排除熱值對(duì)燃燒影響。燃機(jī)負(fù)荷從14.9 MW 降至9.8 MW，隨后8#葉片通道溫度開始快速降低，偏差大跳機(jī)。期間其他葉片通道溫度正常，說明8#葉片通道溫度對(duì)應(yīng)燃燒筒滅火，導(dǎo)致負(fù)荷突降，同時(shí)伴隨其溫度降低，最終導(dǎo)致跳機(jī)。對(duì)燃機(jī)可調(diào)靜葉（IGV）指令對(duì)應(yīng)運(yùn)行參數(shù)檢查，數(shù)據(jù)正常，對(duì)燃燒室旁路閥檢查，發(fā)現(xiàn)旁路閥卡澀。負(fù)荷26 MW 時(shí)，燃燒室旁路閥指令14.3%，現(xiàn)場實(shí)際閥位10%。跳機(jī)前1 min 負(fù)荷15 MW 時(shí)，燃燒室旁路閥指令55%，現(xiàn)場實(shí)際閥位10%，指令與實(shí)際偏差45%。

停機(jī)后將執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門解開，單試執(zhí)行機(jī)構(gòu)，確認(rèn)氣缸或氣路是否存在問題，并進(jìn)行處理。對(duì)旁路環(huán)瓢偏度及間隙進(jìn)行測量，檢查是否有變形，并進(jìn)行加工調(diào)整。通過以上措施，重新對(duì)旁路閥、燃燒室旁通閥進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，有較大改善，氣缸或油缸還需要進(jìn)一步改善。

5 結(jié)束語

燃燒振動(dòng)是燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行監(jiān)控的重要參數(shù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)，甚至造成燃燒室的損壞。引起燃燒振動(dòng)的因素很多，但主要因素是空燃比、燃料成分變化以及設(shè)備安裝問題。本文通過對(duì)燃燒振動(dòng)產(chǎn)生原因的分析并結(jié)合實(shí)際案列，提出改善燃燒室旁路閥旁路環(huán)同心度，穩(wěn)定燃?xì)鉄嶂狄约巴ㄟ^處理旁路閥故障優(yōu)化配風(fēng)系統(tǒng)等預(yù)防措施和建議，對(duì)于提高燃機(jī)的燃燒穩(wěn)定性具有一定借鑒意義。