三菱M251S型燃机燃烧失稳问题分析及处理.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER三菱M251S型燃机燃烧失稳问题分析及处理刘月苹，左兴堂，张海涛，彭珍（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）【摘要】某厂三菱M251S型燃机运行中出现燃烧失稳、BPT偏差大跳机问题，通过分析三菱燃烧振动检测系统（CPFM）不同模式下报警典型特征，确定了燃空比异常主要原因，采取针对性控制措施，实现了机组运行稳定。【关键词】燃烧失稳；BPT偏差；CPFM【中图分类号】TM314【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0077-05 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Cause Analysis and Treatment of Combustion Instability in Mitsubishi M251S Combustion EngineLIU Yueping,ZUO Xingtang.ZHANG Haitao,PENG Zhen(Beijing Shougang Qianan Iron and Steel Co.,Ltd.,Qianan,Hebei 064404,China)【Abstract】A plants Mitsubishi M251S combustion engine had combustion instability which leads to BPT deviation and trip.Through the analysis of the alarm typical characteristics of the Mitsubishi CPFM under different modes,the main reason was determined which is the abnormal fuel-air ratio.Targeted control measures were taken to achieve the stability of the unit operation.【Keywords】combustion instability;BPT deviation;CPFM前言某厂选用三菱M251S型低热值燃机，建有2台（套）燃气蒸汽联合循环发电机组，为钢厂富余低热值高炉煤气（简称 BFG）的高效利用开辟了有效途径。其中1#机组于2020年底完成大修，运行周期内，1#机组在燃料供应系统稳定、临机运行正常、本机组无特殊操作的情况下，出现不明原因叶片通道温度（简称BPT）偏差大跳机问题，制约机组运行安全。为解决该问题，我厂技术人员通过BPT偏差全要素分析，消化吸收三菱CPFM监控系统，确定配风不良通道熄火是引起BPT偏差大跳机的主要原因，进一步排查锁定主要异常因素并采取针对性措施，设备短板得到有效控制，实现机组安全运行。1 故障现象三菱M251S型低热值燃机额定功率29.1 MW，共有 8 个燃烧器，主燃料为 BFG（设计热值 2 8903 770 kJ/m3），稳燃值班燃料选用焦炉煤气（简称COG），因BFG热值低、火焰传播速度慢，为保证燃烧稳定，机组选用扩散式燃烧室，并采用三菱独有的燃烧室旁路控制系统1，调节燃烧室配风，保持合适燃空比，机组在20%100%负荷区间内具有零值班稳定运行能力，燃烧室结构如图1所示。2020年底我厂1#燃机大修投运后，在低负荷运行区间，出现BPT不明原因偏差大导致跳机，为保持燃烧稳定，被迫投入值班COG连续运行，后因值班COG系统可靠性差导致跳机、环保限产COG不足等问题，退出值班COG系统。1#机组退出值班燃料运行一段时间后，再次发生BPT不明原因偏差大导致跳机问题，典型现象如下。1#、2#燃机均为零值班工况运行，平衡公司BFG管网，两台机组同时减负荷以降低BFG用量，1#机降至低负荷（60%额定值）后，运行时可能触发 BPT偏差大跳机信号，具体跳机负荷 916 MW，无明显规律。772023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWERBFG为公用供气系统，1#机跳机前处于恒定负荷稳定运行或者降负荷阶段，无其余操作。1#燃机跳机时，2#燃机在低负荷区间稳定运行，BFG供应稳定，压力、温度、热值均无明显波动。1#燃机在低负荷工况下出现的 BPT不明原因偏差大跳机问题，给日常煤气平衡带来极大困扰，威胁机组运行安全。2 原因分析燃机燃烧室内高温高压，无法直接测量燃烧筒内壁温、一级静叶入口温度等，监测出口BPT，一方面检测烟气出口温度分布均匀度，另一方面通过设置 BPT 偏差限值，快速响应，防止叶片通道超温。BPT偏差影响因素较多，为缩小排查范围，技术人员首先进行BPT偏差影响全要素分析，详见图2。通过检查，首先排除仪表检测系统问题。考虑BFG为公共系统，两台机的压力、热值、温度检测值均无明显变化，且2#机运行正常，排除BFG系统问题。检查确定增热 COG，减热氮气系统无异常投退。1#燃机在运行过程中，BPT 偏差值相对较大，2030，分析推测燃烧筒对中情况较差，结合停机点检，通过内窥镜检查确认热部件运行正常，无破损堵塞，重新调整燃烧筒对中后，BPT运行偏差值降低1015，但是仍存在异常跳机问题。进一步选取1#燃机跳机时刻关键数据进行分析，其典型特征一致。某次6#BPT偏差大跳机重点数据详见表1。机组跳机前10 s，燃机异常甩负荷。因负荷指令不变，CSO（燃料输出控制指令）增大，对应燃料总量增加。此时整体BPT保持稳定且略有提升，唯独6#BPT在燃料量增大的情况下出现快速下降，直至偏差大跳机。考虑 BPT检测温度较燃烧室实际温度略有滞后，分析数据判断事件逻辑如下：6#BPT对应通道异常灭火燃机甩负荷COS升高，增大燃料投入其余BPT稳定且略有提升6#BPT偏差大跳机。进一步对该类异常跳机的关键事件进行分析，跳机全部发生在低负荷（60%额定值）运行工况，有定负荷工况，也有减负荷工况，相同的特点是在跳机前都触发过燃烧振动检测（CPFM）低频振动大报警，详见表2。图1 M251S型燃机燃烧室结构图图2 影响BPT偏差全要素分析通过关键事件分析发现，CPFM低频波段报警与该类BPT通道灭火跳机问题有一定关联性，是火焰熄灭的前兆，需特别注意。机组CPFM系统较为复杂，且不同类型的报警偶有发生，仅有个别报警后续发生跳机。该系统的不同类型报警代表什么含义，需采取何种应对措施，是我们要进一步明确的问题。3 燃烧振动检测系统CPFM燃机发电机组向高参数、大容量、高自动化方向发展，燃烧室燃烧系统发生故障的可能性及危害性也会进一步增加，因此燃烧系统的诊断、优化和控制非常重要2。燃机燃烧室结构紧凑，且受内部高温、高压条件制约，进行燃烧室燃烧诊断和监测十分困难，能采用的诊断手段也十分有限。相较于火焰检测、BPT测温装置，CPFM系统因可以判断燃烧室燃烧的稳定性，实现预判性诊断而具有非常重要的意义。燃烧室常用燃烧状态监测手段见表3。燃烧室燃烧振动的策动机理有很多种，振动模式虽不尽相同，但不同模式振动的激励部件具有典型特征。燃烧振动的表现形式主要是燃烧器压力波动3，探头测量到的压力波动为时域范围内的数据，为了更客观、清晰地反映振动模式，将时域数据转换成频域范围内的数据，燃烧室压力波动模式见表4。表2 异常跳机关键事件表1 某次6#BPT偏差大跳机重点数据表3 燃烧室常用燃烧状态监测手段782023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER通过关键事件分析发现，CPFM低频波段报警与该类BPT通道灭火跳机问题有一定关联性，是火焰熄灭的前兆，需特别注意。机组CPFM系统较为复杂，且不同类型的报警偶有发生，仅有个别报警后续发生跳机。该系统的不同类型报警代表什么含义，需采取何种应对措施，是我们要进一步明确的问题。3 燃烧振动检测系统CPFM燃机发电机组向高参数、大容量、高自动化方向发展，燃烧室燃烧系统发生故障的可能性及危害性也会进一步增加，因此燃烧系统的诊断、优化和控制非常重要2。燃机燃烧室结构紧凑，且受内部高温、高压条件制约，进行燃烧室燃烧诊断和监测十分困难，能采用的诊断手段也十分有限。相较于火焰检测、BPT测温装置，CPFM系统因可以判断燃烧室燃烧的稳定性，实现预判性诊断而具有非常重要的意义。燃烧室常用燃烧状态监测手段见表3。燃烧室燃烧振动的策动机理有很多种，振动模式虽不尽相同，但不同模式振动的激励部件具有典型特征。燃烧振动的表现形式主要是燃烧器压力波动3，探头测量到的压力波动为时域范围内的数据，为了更客观、清晰地反映振动模式，将时域数据转换成频域范围内的数据，燃烧室压力波动模式见表4。表2 异常跳机关键事件事件123概况16 MW连续运行超5 h，5#BPT偏差大跳机；2#机同负荷无异常平衡煤气减负荷至10 MW，6#BPT偏差大跳机；2#机同操作无异常平衡煤气减负荷至12.5 MW，3#BPT偏差大跳机，2#机同操作无异常负荷设定16 MW9.5 MW12.5 MW跳机BPT5#BPT6#BPT3#BPTCPFM报警1/6#低频闪报4#低频闪报1#低频闪报是否减负荷否是是跳机间隔1620120222表1 某次6#BPT偏差大跳机重点数据跳机相对时间/s-9-8-7-6-5-4-3-2-10燃机负荷/MW10.66.67.677.177.27.37.3-0.1CSO/%46.848.948.949.65050.450.851.151.505#BPT/5035045045045045045045045055056#BPT/5075075054974864744614504384287#BPT/501501501501502502503504504505BPT均值/506506506506506505505504504503事件甩负荷跳机表3 燃烧室常用燃烧状态监测手段检测方式火焰检测装置出口BPT装置CPFM装置检测内容火焰热通道出口温度燃烧室内压和加速度诊断项目是否熄火烟气出口分布均匀度燃烧稳定性诊断特点滞后性，无法给出图像、状态滞后性，无法直接测量内筒、一段静叶入口温度等预判性，是否发生燃烧振动、热声振荡；792023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWERM251S型燃机采用三菱典型 CPFM 系统设置，配备有4个压力探头、2个加速度探头，采用双冗余结构，对采集到的振动数据进行傅里叶转换，计算得到各频率段上的振动幅值，CPFM连续、自动地监测压力波动等级，当压力等级超过限值时，将控制燃机急降负荷或跳机，达到保护燃机的效果。三菱燃机典型CPFM系统设置如图3所示。整理CPFM系统报警事件，多为探头信号弱、探头检测异常、加速度报警三大类，无需特殊关注，但高、中、低频段报警很少发生，尤其是低频报警，有非常显著的燃烧失火倾向，应避免进入低频报警状态。通过 CPFM 系统分析确定，BPT偏差大跳机是低负荷阶段某一燃烧器燃烧失稳灭火引起，燃烧稳定性的关键控制因素是燃空比。机组主要通过燃烧室旁路阀（BY阀）开度来调整燃空比，BY阀开度-负荷特性曲线如图4所示。在低负荷时应增大BY阀开度，降低燃烧区空气量，避免火焰被吹灭。4 措施实施验证机组低负荷时燃烧失稳熄火，主要是因为燃烧区空气量过多，检查BY阀输出控制指令正常，但后台机无阀位动作反馈，无法掌握BY阀的实际执行情况，结合停机点检进行BY阀静态试验，发现机械部分存在卡涩，且定位精度差，开关行程阀位角度偏差大（6%），超出限值（0.5%），BY阀静态试验结果见表5。燃机在降负荷过程中，燃料量按设定降低，但BY阀过度关闭，造成燃烧区配风过多，燃烧稳定性较差，表现为燃烧室低频振动增大，在低负荷区间（60%额定）燃烧低频振动超出报警限值。此时，燃烧室火焰对外部扰动的抗力降低，正常燃料热值扰动就可能引起熄火，而减负荷操作会加剧这一过表4 燃烧室压力波动模式模式亥姆霍兹模式轴向模式周向模式机理释热扰动与腔体共鸣、激励，特征频率1530 Hz释热扰动与轴向压力波动共鸣、激励，特征频率60300 Hz释热扰动与周向压力波动共鸣、激励，特征频率1 4005 000 Hz分类低频中频高频激励部件火焰熄灭，末级叶片内筒、尾筒主要是内筒图3 三菱燃机典型CPFM系统设置图4 BY阀开度-负荷特性曲线表5 BY阀静态试验结果项目指令行程开行程关行程差值数值/%010100102015-5202824-4303732-5404640-6505548-7606455-9707565-10808876-12909688-810096960程，这就是触发低频报警后进行减负荷操作，很短时间内（13 min）就发生跳机的原因。低频振动随燃机负荷变化趋势如图5所示。针对以上问题，技术人员从设备、工艺两方面着手进行改进控制。设备方面：锁定关键短板，检修控制结合。针对BY阀存在缺乏指令，无法确定执行偏差；机械阻力偏大，执行机构易卡涩；动作线性不良三项问题，结合定期例休，技术人员增加后台阀位反馈，实现指令、反馈对比监控，及时掌握阀位执行偏差，建立完善机械部套定期加油点检制度，加强润滑避免机构卡涩。阀位动作线性不良问题，需结合大修系统检查并调整气动伺服控制系统，当前周期内需维持运行。工艺方面：冗余设备短板，避免触发低频。在运行指导书中明确，低频报警非常危险，代表燃烧失火倾向，应避免进入低频报警状态。基于当前设备基础，明确两方面运行防控措施。一方面，统计分析发现GT负荷16 MW后开始触发CPFM低频报警，因此机组日常调整控制GT负荷17 MW，同时降低低频报警定值，由1.3 kPa调为1.1 kPa，提前预警。另一方面，机组如触发低频报警要求应急响应，立即升高2 MW负荷，增强燃烧，观察运行。采取以上措施后，岗位人员明确了运行监控重点事项，日常点检重点部位，应急处置原则。1#燃机低频报警次数大幅降低，且未再发生燃烧失火引起的跳机问题，实现了长周期稳定运行。5 结束语燃烧振动检测系统CPFM是燃机进行燃烧稳定性监控的重要系统，可以实现燃烧状态的预测性诊断。引起燃烧振动的因素有很多，最终反映的是燃空比变化，因不同模式具有典型特征，掌握CPFM报警不同影响机理，对处理运行过程中的燃烧失火问题具有重要指导意义。参 考 文 献 1 范新宇.M701F3型燃气-蒸汽联合循环机组燃烧调整系统 J.电气技术，2016，17（7）：110-113.2 石玄.三菱M701F燃机A-CPFM系统自动燃烧调整分析 J.东北电力大学学报，2012，32（4）：80-83.3 王庆韧.M701F3型燃气轮机燃烧振动大的解决方案 J.广东电力，2018，31（3）：37-41.收稿日期：2023-02-23作者简介：刘月苹（1981-），女，本科，工程师，现从事钢轧计划、半成品库存、铁水温降管理等工作。图5 低频振动随GT负荷变化趋势802023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER程，这就是触发低频报警后进行减负荷操作，很短时间内（13 min）就发生跳机的原因。低频振动随燃机负荷变化趋势如图5所示。针对以上问题，技术人员从设备、工艺两方面着手进行改进控制。设备方面：锁定关键短板，检修控制结合。针对BY阀存在缺乏指令，无法确定执行偏差；机械阻力偏大，执行机构易卡涩；动作线性不良三项问题，结合定期例休，技术人员增加后台阀位反馈，实现指令、反馈对比监控，及时掌握阀位执行偏差，建立完善机械部套定期加油点检制度，加强润滑避免机构卡涩。阀位动作线性不良问题，需结合大修系统检查并调整气动伺服控制系统，当前周期内需维持运行。工艺方面：冗余设备短板，避免触发低频。在运行指导书中明确，低频报警非常危险，代表燃烧失火倾向，应避免进入低频报警状态。基于当前设备基础，明确两方面运行防控措施。一方面，统计分析发现GT负荷16 MW后开始触发CPFM低频报警，因此机组日常调整控制GT负荷17 MW，同时降低低频报警定值，由1.3 kPa调为1.1 kPa，提前预警。另一方面，机组如触发低频报警要求应急响应，立即升高2 MW负荷，增强燃烧，观察运行。采取以上措施后，岗位人员明确了运行监控重点事项，日常点检重点部位，应急处置原则。1#燃机低频报警次数大幅降低，且未再发生燃烧失火引起的跳机问题，实现了长周期稳定运行。5 结束语燃烧振动检测系统CPFM是燃机进行燃烧稳定性监控的重要系统，可以实现燃烧状态的预测性诊断。引起燃烧振动的因素有很多，最终反映的是燃空比变化，因不同模式具有典型特征，掌握CPFM报警不同影响机理，对处理运行过程中的燃烧失火问题具有重要指导意义。参 考 文 献 1 范新宇.M701F3型燃气-蒸汽联合循环机组燃烧调整系统 J.电气技术，2016，17（7）：110-113.2 石玄.三菱M701F燃机A-CPFM系统自动燃烧调整分析 J.东北电力大学学报，2012，32（4）：80-83.3 王庆韧.M701F3型燃气轮机燃烧振动大的解决方案 J.广东电力，2018，31（3）：37-41.收稿日期：2023-02-23作者简介：刘月苹（1981-），女，本科，工程师，现从事钢轧计划、半成品库存、铁水温降管理等工作。图5 低频振动随GT负荷变化趋势81