三菱M701F型燃气轮机燃烧压力波动的探讨

【摘要】随着燃气轮机技术的发展，人们对各类燃烧系统提出了更多新的高要求，目前燃烧室向高压、高温、高强度方向发展，因此减少燃烧压力波动确保燃烧稳定并同时提高燃烧器热部件的使用寿命显得尤其重要。

【关键词】燃气轮机；燃烧压力波动；使用寿命

一、M701F型燃机燃烧器特点概述

M701F型燃气轮机的燃烧室采用环管形结构，上下两半的燃烧室外壳与压气机和透平的外缸连接成一整体。20个燃烧器沿机组圆周向均匀地斜插入燃烧室外壳里。每套燃烧器由燃烧喷嘴、燃烧器内筒、燃烧器尾筒和旁路阀及其它附件组成。燃料喷嘴由围成一圆圈的8个干式预混主喷嘴和位于圆心的值班喷嘴组成。采用多喷嘴预混式的目的是为了使空气与燃料混合均匀，增加火焰面积，降低燃烧温度，特别是减少局部高温区，以最终减少NOx的生成。燃烧部件的结构见图1。

图1：燃烧部件结构图

二、燃烧器工作特征及压力波动特点及危害

燃烧过程中燃烧室内不仅有非常复杂的气流流动，而且还供入燃料，在伴有强烈紊流交换（热交换和质量、动量交换）的情况下，进行着剧烈快速的释热化学反应。所有这些物理的或化学的过程都是在高速流动的气流中同时进行的，彼此间相互影响，又相互重叠，这使得燃烧器内的燃烧过程具有很大的复杂性。

1.燃烧室的气流流型

燃烧室内建立适当的气流流型是组织燃烧的基础，良好的气流流型应能促进燃料与空气的混合，并有利于在燃烧区内得到需要的浓度场，这些都与能否可靠点火和稳定燃烧直接相关。显然，头部的气流流型对点火和燃烧起着关键的影响，而燃烧器内筒后段的流型则主要影响燃烧室的出口流场和温度场。在燃烧室内建立形成回流区的气流流型是确保稳定燃烧的关键。

2.燃烧室中燃料分布

为了使燃烧过程能良好地进行，不仅要有所需要的气流流型，而且要有一适当的燃料分布与它相匹配。每一种燃烧室的气流流型都有一比较适宜的喷雾锥角和喷雾谱与之匹配，从而可以获得所希望的燃烧室性能。

3.燃烧室中的燃烧过程

在M701F型燃机运行时的燃烧状况的监控上，燃烧器的燃烧压力波动情况是一个重要因素。燃烧过程中出现的三种波动模式都有其相对应的声学频谱特征。M701F型燃机，燃烧压力波动方式见表1所示：

表1：燃烧压力波动方式

燃烧压力波动大对燃烧的影响主要表现在两个方面：1、在燃烧过程中导致熄火；2、由于在燃烧室零部件的设计上，燃烧器的热部件有着自身的自然频率，在不同的燃烧压力波动模式下燃烧伴随着气柱的剧烈振动，对燃烧器部件将会产生振动应力，在这样的工况下将大大缩短零部件的疲劳周期，使得燃烧部件受损。尤其当燃烧压力波动和自然频率接近时引起的共振，可在几秒内造成燃烧器部件损毁。

三、M701F型燃机保证燃烧稳定减小压力波动的技术特点

1、三菱M701F燃气轮机燃烧器内筒头部安装有特殊设计的叶片式旋流器，少量空气从旋流器进入内筒后，形成一股具有轴向、切向和径向三种分速的三元旋转气流。又由于空气的粘性作用，旋转扩张着的进气气流把燃烧器内筒中心附近的气体带走，使中心区变得稀薄，压力降低，从而在轴线方向造成一个逆主流方向的压力差。在此压差的作用下，下游就有一部分气体逆流过来补充，结果形成了气体的回流区。

2、三菱公司燃气轮机燃烧器在保证燃烧稳定、提高燃烧效率及避免燃烧波动过大方面主要运用了2个关键技术：

a、燃烧器设置旁路阀，旁路阀的设计是三菱的专有技术，目的是为了控制部分负荷下的燃料、空气配比。一旦压力传感器检测到燃烧压力产生波动，可通过调整旁路阀开度来调整参与燃烧的空气量，不仅能保证稳定的最佳空气燃料配比以保持燃烧的稳定，还能够保证部分负荷下的燃烧效率；

b、M701F型燃气轮机喷嘴设计有值班燃料喷嘴。值班燃料喷嘴提供的燃料在燃烧室内不与空气预先混合，是以扩散燃烧的方式进行，在不发生回火的同时确保燃烧火焰的稳定。如图2所示。

图2：燃烧示意图

四、机组运行时发生燃烧振动的原因分析

产生燃烧振动大的原因:

（一）参与燃烧的空气流量异常

1.机组进气量异常：a）IGV不正常；b）进气过滤气堵塞；c）压气机工作异常。

2.机组抽气量过大：a）压气机防喘抽气阀泄漏；b）管道节流孔异常。

3.缸体内部泄漏：a）燃烧器过渡段出口边密封处泄漏；b）缸体连接处泄漏；c）旁路阀泄漏；d）透平#1级静叶处泄漏。

4.旁路阀开度异常或者有泄漏。

（二）喷嘴燃料量异常

1.流量系数偏差；

2.个别喷嘴堵塞；

3.主辅喷嘴流量不匹配。

（三）天然气成分异常

天然气成分，尤其是甲烷和乙烷含量变化较大时，对燃烧火焰的位置影响较大，从而造成燃烧振动。

(四) 操作指令异常

燃机的IGV，旁路阀，燃料流量控制阀、压力控制阀以及温度控制阀，这些设备的控制设定均与稳定燃烧有关，因此，干涉这些部件的设定或者部件出现故障就有造成燃烧振动的可能。相反，如果出现了燃烧振动，也是通过对这些设备的调整来消除。

五、总结

在三菱M701F型燃气轮机机组今后的使用中，我们应尽快掌握机组结构特性，并且在机组运行中对导致燃烧波动的案例进行总结归纳。提高燃机机组在运行过程中燃烧情况的稳定性，有效的保护机组热部件，保证热部件的使用寿命以提高机组的经济效益。

【参考文献】

[1] Mitsubishi Heavy Industries Ltd.

[2] M701F燃机——燃气蒸汽联合循环机组相关运行及检修手册

[3]林宇震，许全宏，刘高恩著.燃气轮机燃烧室.北京.国防工业出版社.2008.5