1、第二十八卷 第三期，安徽电气工程职业技术学院学报 年 月 燃机 燃料喷嘴介绍及缺陷分析王 斌（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院，安徽 合肥）摘 要：文章介绍了 燃气轮机 燃料喷嘴的结构，结合 燃料喷嘴事故案例，分析燃料喷嘴烧损的原因；基于是否更换新的燃料喷嘴，根据事故对燃料喷嘴损伤情况，并结合燃料喷嘴流量数据进行评价，以提高燃机运行的安全性，降低电厂的运维成本。关键词：燃气轮机；燃料喷嘴；技术规范；关键试验中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：王 斌（），男，江苏南京人，中级工程师，主要从事汽轮机、燃气蒸汽联合循环机组的设备管理工作。（，）：；引言随着
2、环境保护要求的日益严格，以及节能减排工作的不断深入，越来越严格的电力排放标准相继出台。燃气轮机燃烧系统围绕如何降低氮氧化物（以下简称）等燃烧污染物排放为主题设计。经过长时间发展，干式低（）燃料喷嘴技术日趋成熟。本文介绍了 燃料喷嘴结构，结合流量试验数据评价进行 燃料喷嘴缺陷分析，从而避免因运行时间过长或安装位置不合适等原因造成 燃料喷嘴运行中烧毁的情况。燃料喷嘴的工作原理 燃机的低氮燃烧系统采用干式低 燃烧技术，称为（，以下简称）。燃烧系统已发展多个系列，其结构均是每一个燃烧室设置第一级燃料喷嘴组件和第二级燃料喷嘴组件，分别将气体燃料喷入一次燃烧区和二次燃烧区，以满足机组从点火到额定负荷低排放
3、燃烧的要求。第一级燃料喷嘴组件与燃烧室端盖为一整体，第二级燃料喷嘴组件通过法兰安装在燃烧室端盖上。技术的关键在于预混燃烧，即在燃料燃烧前，燃料与空气充分混合，随后进入燃烧火焰区点燃。这种通过增加火焰锋面空燃比的燃烧方式有效降低了燃烧室内部的火焰温度，进而抑制热力型 的产生。相较于传统的向扩散火焰喷注冷却水，技术取消冷却用水，避免了水质对燃烧部件的不良影王 斌：燃机 燃料喷嘴介绍及缺陷分析响；但较低的火焰温度会引发燃烧稳定性下降、与未燃尽碳排放增加等不利状况。由、和等组成，其中 占 以上。根据 机理，热力型 生成率与燃烧温度成指数关系，如图 所示，当温度小于 时产生的热力型 很少，当超过 后特别
4、是超过 ，快速生成。图 生成量与温度的关系 燃料喷嘴的组成及安装试验以天然气为燃料的 机组为例，其燃烧系统普遍采用 。其燃料喷嘴是由第一级燃料喷嘴组件和第二级燃料喷嘴组件组成。燃料喷嘴结构 第一级燃料喷嘴组件每只第一级燃料喷嘴组件由端盖和 只旋流器组成。每个旋流器入口装有节流孔板。旋流器和盖板嵌入环之间通过螺纹联接，利用锁片来锁紧，确保联接牢固。每个旋流器端面和端盖嵌入环孔端面之间都采用了 型密封，如图 所示。端盖；嵌入式盖体；锁紧片；型密封；气体喷头。图 第一级燃料喷嘴组件结构图安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第三期 第二级燃料喷嘴组件第二级燃料喷嘴组件包含第二级燃料喷嘴和切换喷嘴
5、。两者为套装结构，组装时用密封环隔开。第二级燃料喷嘴的端部和安装法兰用螺钉联接，并用锁片来保证运行时不松动，如图 所示。锁紧板；型密封；水管组件；小活塞环组件；型密封；大活塞环组；第二级喷嘴衬套组件；锁紧卡环；螺杆；空心管组件；型密封；第二级喷嘴基础组件；缠绕垫片；火焰探测器法兰；螺杆。图 第二级燃料喷嘴组件结构图 燃料喷嘴组装和泄漏检查 第一级燃料喷嘴组件的组装和泄漏试验（）螺纹连接处必须使用防咬合剂。（）垫圈和锁紧环不得重复使用。（）检查合格的螺纹连接，手动将喷嘴旋流器拧到端盖嵌入环内，凸台与喷嘴旋流器两端面应紧密结合。旋出喷嘴旋流器，装配 形密封和锁紧环。再将喷嘴旋流器重新拧到端盖嵌入环
6、内直到密封装配到位。（）使用专用扳手拧紧旋流器，扭矩为 。在此位置上再拧紧喷嘴旋流器 确保完全压住密封。（）拧好后，使用冲铆工具冲铆锁紧环，以防运行时松动。（）将清洁的压缩空气通入气体燃料进口处，直到压力达到 ，使用液体泄露检测装置检查，确定 形密封周围没有可目视的泄漏。第二级燃料喷嘴组件的组装和泄漏试验（）首先螺纹连接处必须使用防咬合剂。（）垫圈和锁紧环不得重复使用。（）安装密封环的过程中，尽量保持密封环不卷曲不变形。在密封环发生最小变形的情况下，用手小心地将密封环安装在衬套上的孔内。密封环用于将第二、第三燃料气通道密封。（）在喷嘴本体上安装衬套时不得使用凡士林、压力润滑剂或其他不可压缩流体
7、。（）衬套上的槽对准喷嘴本体上直径 的孔。（）螺栓拧紧扭矩为 。（）拧紧螺栓后弯曲锁紧片，并将其焊接到螺栓头顶部，以锁紧螺栓。（）进行耐压试验，的压力下保持 无泄漏。（）堵住第二级燃料气柱状喷嘴孔和次导向孔。充入清洁空气使第二通道入口压力达到 。王 斌：燃机 燃料喷嘴介绍及缺陷分析用液体检漏仪检查喷嘴本体和衬套连接处，保证无泄漏。（）第二级燃料喷嘴和切换喷嘴通道之间的密封性需要进行泄漏检查。首先塞好第三级燃料气和衬套末端的第三级燃气孔，次导向孔打开，在 倍压比条件下对第二级燃料气通道进行流量测试。其次打开第三级燃料气进气口和出气孔，在 倍压比条件下对第二级燃料气通道进行流量试验。最后计算上述两
8、次流量差与流量设计值相除百分比不能超过。若超过，则说明密封环有泄漏，需要给予更换。燃料喷嘴流量试验燃料喷嘴的流量试验是指气体在单位时间内流过燃料喷嘴节流孔的通流有效面积试验。第一级燃料喷嘴流量试验根据美国通用电气公司（，以下简称）设计规范要求，在 倍的压比条件下，只第一级燃料喷嘴分别在进口法兰处，通入清洁的压缩空气进行流量测试。如果测试数据在给定设计值范围内，判断第一级燃料喷嘴数据合格。第二级燃料喷嘴和切换喷嘴流量试验由于第二级燃料喷嘴和切换喷嘴是组装在一起，流量试验工作分两步：在 倍的压比条件下，分别在第二级燃料喷嘴燃料入口处和切换燃料喷嘴燃料入口处通入清洁的压缩空气进行流量测试。燃料喷嘴流
9、量评判 第一级燃料喷嘴组件流量评判不同的燃料喷嘴部件号所对应的流量值要求不同。对应部件号可以查到 给定的流量值。下面介绍第一级燃料喷嘴 和（低热值）流量的评判要求。目前燃料喷嘴流量判定方法有两种。第一种：用各燃料喷嘴实际测量的流量值和设计要求的流量值进行比较。第二种：用一组燃料喷嘴的流量范围和设计给定的偏差值进行比较。根据 设计数据：（）第一级燃料喷嘴 设计通流有效面积（流量）要求是 ，偏差为设计值的。最终评判要求是 只燃料喷嘴流量值中每一只燃料喷嘴流量值不能超过设计给定值。（）第一级燃料喷嘴 设计通流有效面积（流量）是 ，偏差为设计值的。最终评判要求是 只燃料喷嘴流量偏差范围不能超过给定流量
10、的偏差值。由于燃料喷嘴运行后，常期在气体的冲刷下，天然气孔流道会堵塞或者孔径变大。维修厂有时会采用燃料喷嘴的流量分散范围来考核，而不是与设计值进行对比，这样可以更全面的评估燃料喷嘴的可用性。表 是两家电厂（、用户）的第一级燃料喷嘴组件维修时的喷嘴通流有效面积（流量）数据。表 、用户燃料喷嘴通流有效面积数据（用户）（用户）序号测试值 偏差 序号测量值 偏差 安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第三期续表（用户）（用户）序号测试值 偏差 序号测量值 偏差 根据表 显示，用户的 只第一级燃料喷嘴的通流有效面积（流量）试验结果，不论用设计值偏差或流量分散范围值为 来评价，其均满足要求。结合 用户
11、的 只燃料喷嘴通流有效面积（流量）测量数据，可看出 只燃料喷嘴的各流量数据超过制造厂家给定的偏差 ，所以仅用测试流量与制造厂商给定的偏差值评价，这套燃料喷嘴不合格。如果改用流量分散范围（最大通流有效面积（流量）值 减去最小通流有效面积（流量）值 之差除以这套喷嘴通流有效面积（流量）的平均值 ）来评价这套燃料喷嘴，则燃料喷嘴的流量分散范围在厂家给定的偏差范围内，维修厂最终给出结论：这套燃料喷嘴可以继续使用。客户检修机组时，更换上这套燃料喷嘴后，机组运行正常。在机组安全运行前提下，维修厂帮 用户节省了一笔更换部件所需要的成本。图 是机组运行时的排烟分散度图（共有 根测点），测量的最高温度是 ，最低
12、温度是 。按照机组第一分散度计算方法（最高排烟温度减去最低排烟温度），机组运行后的排烟分散度为 。实际分散度值低于控制规范给定的排烟温度要求 ，运行数据可以接受。图 燃机分散度王 斌：燃机 燃料喷嘴介绍及缺陷分析 第二级燃料喷嘴和切换喷嘴的流量评判第二级燃料喷嘴和切换喷嘴的流量评判和第一级燃料喷嘴评判方法相同。差别在于评判时喷嘴设计给定的流量值和偏差不一样。燃料喷嘴安装位置的优化由于 只燃料喷嘴的流量不可能完全一样，总会存在偏差。特别是燃料喷嘴的流量分散范围偏差接近设计给定的偏差要求时，机组的排烟分散度会变大。比如 只燃料喷嘴流量偏差接近设计值上偏差，另外 只燃料喷嘴流量接近设计值的下偏差时，
13、那么按照 只上偏差燃料喷嘴放一个区域，另外 只燃料喷嘴放在上偏差的 方向区域。这样的安装设置，会增大燃料供给的不均匀，造成燃烧分散度变大。针对这种情况，可以考虑优化这批燃料喷嘴的安装位置。经过优化安装位置的燃料喷嘴，进入到燃机里燃烧后，燃料的流量不均匀会减小，机组的排烟分散度会得到改善。表 是一套新出厂的第一级燃料喷嘴的相关数据。这套燃料喷嘴的图号是，的设计通流有效面积（流量）是 。表 安装位置表及通流有效面积（流量）数据序号图号测试值 从表 中可以看出，第一级燃料喷嘴的流量比设计值小，第一级燃料喷嘴的流量比设计值大。如果按照表中顺序安装整套燃料喷嘴，燃料的流量不均匀会比较大。如果对表中位置顺
14、序进行优化处理，则燃料的流量不均匀就会减小。表 为两种喷嘴不同安装位置的通流有效面积测定及计算结果。安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第三期表 第一级燃料喷嘴优化前后数据序号优化前位置通流有效面积 优化后位置通流有效面积 经计算，第一级燃料喷嘴优化前流量不均匀量为 ，优化后流量不均匀量为 ，优化后的安装位置的流量不均匀已经很小，理论上这套第一级燃料喷嘴按照优化后位置安装，机组运行时的分散度应该会很小。第二级燃料喷嘴和切换喷嘴安装位置的优化与第一级燃料喷嘴的方法一致。燃料喷嘴故障分析广东某电厂机组运行时，发现燃烧异常。随后进行燃烧检查，发现切换喷嘴头部烧损（部件号为），如图 所示。图 燃
15、料喷嘴烧毁从图 可看出，第二级燃料喷嘴底部有燃烧的痕迹，怀疑第二级燃料喷嘴端部的密封可能存在漏气；切换喷嘴的顶部烧损，怀疑第二级燃料喷嘴和切换燃料喷嘴通道之间密封环存在泄漏超标的故障。首先，现场对第二级燃料喷嘴进行泄漏检查，发现切换喷嘴出气量偏大。打开切换喷嘴通道进行第二级燃料喷嘴流量测试，燃料喷嘴节流孔的通流有效面积结果为 。当封堵切换通道时，测量王 斌：燃机 燃料喷嘴介绍及缺陷分析出二次喷嘴的实际通流有效面积是 ，经过计算，两次数据相差的百分数为 ，超出规定值的要求。说明二次喷嘴和切换喷嘴之间的密封环泄漏量超标。其次，对第二级燃料喷嘴进行解体检查，发现第二级燃料喷嘴和切换喷嘴之间的两道密封
16、环的缺口靠的太近，如图 所示。图 密封环位置深入分析得出由于两个通道存在短路，机组在正常运行下，第二级燃料气体进入到切换燃料通道（冷却空气）里。结合上述两点，机组运行中燃料喷嘴烧坏的原因应归为由于第二级燃料喷嘴和切换喷嘴之间密封环密封失效，造成第二级燃料气体进入到切换燃料喷嘴通道里，使切换燃料喷嘴烧坏。通过研究和分析，用户需要了解燃料喷嘴在修理过程中和修理后的不同技术规范及泄漏检查的要求，以做到合理优化布置各燃料喷嘴的位置。在流量标准的评价中，为节省维修费用，可以灵活采用不同的评价方式。针对各燃料喷嘴位置的优化，可采用数学排序的方法算出燃料喷嘴的总流量差，然后调整燃料喷嘴的顺序，使总流量差达到合格。结语 燃机是国内常见的发电机型之一，采用的 燃烧器具有技术先进、运行稳定及氮氧化物排放低等技术特点。燃烧器燃料喷嘴存在缺陷将严重影响燃机的安全稳定运行，并可能造成燃烧异常跳机事故。本文以 燃机 燃料喷嘴的结构为基础，分析燃料喷嘴烧损事故及故障原因；同时介绍 燃料喷嘴的两种流量评判和安装位置的优化的方法，对采用该型燃机电力企业设备管理及检修维护工作具有较好的借鉴意义。参考文献：洪亚光，姚伟民，
