顾正皓;张宝;张浩权;毛志伟;胡洲
【摘 要】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.%燃烧振荡现象是影响现代燃气轮机运行安全的重要因素，了解和控制燃烧振荡现象的机制、特征，诊断及分析运行过程中的燃烧问题，对于燃气轮机运行维护具有重要意义。
【期刊名称】《浙江电力》
【年(卷),期】2014(000)010
【总页数】4页(P45-48)
【关键词】燃气轮机;燃烧振荡;诊断
【作 者】顾正皓;张宝;张浩权;毛志伟;胡洲
【作者单位】国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014;国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014;国网浙江省电力公司，杭州 310007;国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014;国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014
【正文语种】中 文
【中图分类】TK267
为降低排放水平，燃气轮机大量应用了DLN（干式低NOX）技术来降低排气中的NOX含量，但是这种贫燃预混燃烧方式的物理和化学特性使燃气轮机对燃料组分的变化比常规的扩散燃烧方式更加敏感。燃料的物理和化学性质变化会导致燃气轮机在燃烧中发生吹灭、自点火、排放升高等现象。燃烧过程中不稳定的热量释放和压力波动会使燃烧室中产生燃烧振荡，影响燃烧部件的寿命甚至损坏燃烧部件。 对于现代燃气轮机的大功率燃烧室，燃烧过程中在很短时间内释放出大量的能量，不可避免会带来燃烧室内的压力波动，这种波动可用燃烧室声场来表示。燃烧室内热量的释放速率和压力波动均呈周期性的变化，当热量释放与压力波动相位相同或接近时，压力的波动
得以加强。压力波动幅度的增加反过来使热量释放速率的波动加大，热量释放与压力波动成正反馈。反之，当热量释放波动的相位与压力波动的相位相差90°以上时，两者之间会形成负反馈，从而减少压力和能量的波动。在燃烧过程中也有一些使压力波动减小的阻尼因素，如声音能量的向外释放以及在燃烧室内通过其他的变化转变为其他能量的方式。当不稳定的能量波动超过阻尼后，将导致燃烧振荡的产生。
1.1 燃烧不稳定的激励机制
燃烧振荡的因素及产生位置如图1所示。
（1）燃烧输送管线与声场耦合：在未达到临界工况时，燃气轮机喷嘴前后压降的波动会影响进入燃烧器的燃料流量，导致热量释放速率的波动，从而驱动压力的波动。大多数的燃气轮机喷嘴在临界工况下工作，喷嘴进口压力基本等于压气机排气压力的2倍，这时喷嘴后的压力波动不会改变燃料的流量，通过喷嘴的燃料流量只与阀前压力和燃料阀开度相关。 （2）等效空燃比的振荡：燃烧器中的压力波推进到预混区，影响了预混过程和燃料及空气的供给速率，反应混合物的等效空燃比周期性变化。浓度周期性变化的混合物发生化学反应，导致热量释放速率的振荡，激发燃烧的不稳定性。
（3）燃烧雾化、蒸发和混合的振荡：声场和燃烧雾化喷射的耦合影响燃烧喷射的形状、颗粒的大小、雾化的速率及燃料与周围气体的混合，导致周期性的燃烧供给变化及等效空燃比变化，驱动声场的振荡。
（4）火焰形状及区域的振荡：燃烧器中压力波的传播使火焰的形状和区域发生周期性的变化。
（5）从燃烧区通过流量分离而形成大尺寸的漩涡结构，其卷吸的高温燃烧产物能快速地使反应物点火燃烧，快速的燃烧和膨胀使大尺寸的漩涡破裂形成小的紊流，扭曲和改变了火焰峰面的形状，形成不稳定的热量释放过程。
1.2 燃烧不稳定的阻尼机制
（1）粘性和热传递阻尼：当压力波与燃烧室边界作用时，通过反射、吸收，消耗了压力波的能量。
（2）声能的传播和辐射：燃烧室的声能可以通过燃烧室中的开口区向外耗散能量，有的燃气轮机制造厂在燃烧室的外壳上安装阻尼管，通过阻尼管来抑制特定范围的振荡频率。
（3）声能频率之间的传递：燃烧振荡的频谱中通常包含多个频率，某一频率下的能量在特定条件下向其倍频频率或次同步频率传递能量，能量在高频率下耗散得更快，因此整体的振荡能量得以降低。
目前大多数燃气轮机机组配备了CDM（燃烧振荡监测装置），通过CDM可以监测燃烧振荡的频率、幅度及发展趋势，对燃烧故障进行诊断。
燃烧振荡可分为LFD（低频振荡）、MFD（中频振荡）和HFD（高频振荡）。低频振荡的频率范围通常在10~50 Hz，如GE的7FA为17 Hz，SW501F为25 Hz，振动幅值随着燃烧温度的降低而升高，通常在极低的、接近熄火极限的贫燃工况下发生。LFD最容易识别的特征是：振荡可以通过听觉感知，就好像货车开过产生的轰鸣声。产生LFD的机组需要进行春秋季节性的燃烧调整，以适应气温的变化。需要进行燃烧调整的征兆是NOX排放水平的降低和LFD的增加以及每个燃烧器的频谱都存在这种低频频率。局部的低频振荡可能是某一个部件产生了问题，并不需要进行相关的燃烧调整。低频振荡通常是轴向振荡，会增加燃烧部件的应力水平。
中频振荡的频率范围通常在100~250 Hz，如GE的7FA为130~150 Hz，SW501F为120~14
0 Hz。中频振荡的幅值与燃烧温度和负荷成正比，即中频振荡现象通常在高负荷区间容易观察到。中频振荡对燃烧部件的危害程度小于低频振荡。
高频振荡较为少见，但其一旦发生将对燃气轮机部件造成很大危害。在GE公司生产的F级燃汽轮机上能观察到260 Hz及以上的频率。由于高频振荡的频率很高，如果发生较大的振荡，部件很快会因高周疲劳而损坏，通常发生的原因是燃烧系统的部件与声音场产生了共振。
CDM也可用于燃烧调整，通过改变分级燃烧的燃料量比例来达到改变燃烧振荡水平和排放水平的目的。通常燃料分配比例用于改变NOX排放和燃烧振荡水平。IGV（进口导叶）对于部分负荷下的CO排放水平具有较大的影响，0.5~1°的变化会使CO的排放变化超过100 mg/L。
采用CDM的记录数据来判断燃烧故障的关键点是：在正常工况下，不同的燃烧器无论频率还是振幅都应该比较均匀。虽然振荡的特性随着负荷和燃料分配的比例改变，但是不同燃烧器之间的一致性是运行人员判断燃烧故障的关键，如果个别燃烧器的特性发生了变化，通常意味着该燃烧器或其相邻燃烧器部件出现了问题。另外，CDM数据也能辅助运行人员
作出停机、减负荷判断，以避免故障的扩大。低频振荡
如表1所示，燃烧诊断工作表将故障特征与故障联系起来，其中的数值表示故障特征表现的可能性，数值越大，可能性越大，数字3表示有明显的变化且燃烧部件可能有损坏。所有的故障参数都有共同的特征：均影响全部或部分燃料喷嘴的局部空燃比。如果返修部件没有经过正确校准（如喷嘴流量不平衡），部分喷嘴可能会引发燃烧不稳，并随着时间的推移而发生故障。如果燃料或空气流量受到喷嘴故障、堵塞的影响或压气机出口工况发生变化，就会引发1个或多个燃烧器的燃烧振荡。火焰筒和过渡段的故障会导致空气从喷嘴旁路，从而产生局部的富氧工况，使NOX排放升高。通常情况下部件的损坏将导致燃烧振荡在频率和幅度上发生变化，气温的变化通常影响低频和中频的尖峰，负荷的变化通常会使频率偏移，因此要在相同的气温和负荷工况下比较频率特征信号。
4.1 流量受限故障
某台燃气轮机在接近满负荷时发生了大约25 Hz的低频振荡，周期性地超过报警值，并且在中频区也有较高的振荡，但小于报警值，如图2所示。检查所有的数据，发现只有1个燃烧器可能有问题，而其他燃烧器的振荡幅度均小于报警值。进一步检查历史数据，发现该燃
烧器发生燃烧振荡时，回火温度热电偶显示值（即热电偶温度测量值，测量压气机排气温度）升高了16℃。回火温度热电偶位于燃烧器的高流速区，是预混的下游、主燃区的上游，与燃烧振荡发生点处于同一个平面。回火温度的报警值为93℃，而且排放水平、排气温度都没有发生变化。低频振荡预示了燃烧器可能有熄火和流量波动的情况发生。随后检查发现，有外来异物堵塞在旋流叶片处，因此降低了空气流量和速度，当燃料流速小于火焰传播速度时，产生了回火的现象。该故障的特征满足表1中空气通道受阻的故障。
4.2 值班喷嘴裂纹故障
某台燃气轮机的第16个燃烧器的中、高频燃烧振荡超过了报警值。图3为11—16号燃烧器的压力频谱，如图所示15和16号燃烧器发生了频率为156 Hz的燃烧振荡，而11—14号燃烧器没有该频率。16号燃烧器的燃烧振荡超过了报警值，频率超过正常的125~135 Hz的频率范围，2个燃烧器通过联焰管耦合，并且能听到声音。检查机组数据也发现NOX排放量上升了3~5 mg/m3，并且排气分散度逐渐上升了45°，但没有超过报警值。通过孔窥检查15号和16号燃烧器，发现16号燃烧器值班喷嘴的法兰焊接处有裂纹，裂纹位于值班喷嘴的热端法兰焊接处，主要原因是机组运行过程中的高频振动带来的应力疲劳。该现象符合表1中“
燃料喷嘴被侵蚀或被烧毁”故障中的低频振荡增加、NOX排放发生变化和排气分散度变化的特征。
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