M701 F4型燃气轮机燃烧振动的产生机理与影响因素

节鹏举

（浙江浙能金华燃机发电有限责任公司，浙江 金华 321000）

M701 F4型燃气轮机燃烧振动的产生机理与影响因素

节鹏举

（浙江浙能金华燃机发电有限责任公司，浙江 金华 321000）

为了解燃气轮机产生燃烧振动的原因及其给机组带来的危害，分析了燃气轮机燃烧室压力振动产生的机理、振动的类型以及危害和产生振动的几个重要因素。以一起三菱M701F4型燃气轮机跳机为例，指出燃烧室压力波动大引起的跳机原因是程序设置错误所致，并提出了防范措施。

燃气轮机；燃烧室；压力波动；燃烧振动

M701F4型燃气轮机是三菱重工投入商业运行中最为先进的机型，具有热效率高、启停速度快、污染小、自动化程度高等特点。为了使燃气轮机安全可靠的运行，首先要确保燃烧室内燃烧的稳定，若燃烧室内燃烧不稳定，轻则导致熄火跳机，重则会对燃烧室造成不同程度的损坏。燃烧振动的产生有多种形式，只有更多地了解产生的原因，才能够有效地采取相应措施来应对由此带来的不良后果，优化燃烧方式和燃空比，从而使机组安全、有效地运行。

1 燃烧振动的产生

在燃烧室的火焰区域内，燃烧所产生的热量以声光的模式释放，如果外界因素发生改变，那么剧烈的声光又会产生大量的热量，反过来又加剧了声光的释放，从而激发压力波动的产生，继而产生燃烧振动，如图1所示。

M701F4型燃气轮机使用的燃料是天然气，如果燃料与空气的比例配合不好，即燃空比（F/A）在燃烧调整时若裕度不合适，则当外界因素发生轻微改变时，易出现燃烧不稳定，燃烧振动继而产生。因此，发生燃烧振动的主要原因是燃空比在某个特定工况下发生了改变，不适合当时工况所需的比例。燃空比的控制主要体现在燃料喷嘴和燃烧室旁路阀开度的配比上，在燃烧室中燃料的进气量主要通过主A/B燃料喷嘴、顶环燃料喷嘴和值班燃料喷嘴的开度控制，空气的进气量主要通过燃烧室旁路阀的开度来控制，通过改变旁路阀的开度来调节燃烧室空气的比例，从而改变燃烧室中的流场和压力分布，防止爆燃，保持燃烧的稳定，避免燃烧振动的产生。

图1 燃烧室振动压力产生机理

燃烧室内存在2种燃烧方式，即扩散燃烧和预混燃烧1。主A/B、顶环燃料喷嘴在燃烧室内是预混燃烧，可以有效降低NOX的排放，但是这种燃烧方式燃烧稳定性差，可能会出现回火；值班燃料喷嘴在燃烧室内是扩散燃烧，其火焰稳定性好，但是降低NOX的能力低。从燃烧方式上可以看出，预混燃烧易产生燃烧振动，扩散燃烧可以有效地改善火焰稳定性，从而对燃烧振动有一定的抑制作用。

2 燃烧振动的类型

燃烧室压力振动的类型共有3种模式，其产生的机理、影响部位和发生的频带也各不相同，根据频带可将其分为低频振动（赫姆霍兹振动）、高频振动（轴向振动）和超高频振动（圆周振动）。

2.1 赫姆霍兹低频振动

低频振动发生的频率在15～50 Hz，因叶片的自振频率和转子加速时的赫姆霍兹频率产生了共振。一旦低频振动发生，燃气轮机很容易熄火。出现这种燃烧振动时，燃烧器本体不会发生损伤，但是会引发4级动叶、排气通道和锅炉产生振动。三菱的F级机组的透平4级动叶有围带，因此不用担心会发生动叶的伤害。

在发生低频振动时，为了防止设备受到损坏，可以调整火焰的稳定来消除或改善低频振动的影响。要使火焰稳定，可增大值班燃料喷嘴开度的比例；还可以打开燃烧室旁路阀，减少流入内筒的空气量，从而提高火焰部位的燃空比。

2.2 轴向振动

轴向振动发生的频率在50～500 Hz，它的产生是因为不同燃烧器部位的自振频率和轴向的压力波动频率重合。轴向振动的产生会使所有燃烧器发生振动（在后面的案例中所发生的燃烧室压力波动就发生在这个频率波段，20个燃烧室基本都发生了振动），如果经常发生超出基准的这种振动，就会造成对燃烧器不同程度的损伤。

发生轴向振动时，为避免燃烧器受到损伤，可以采取移动火焰的位置，或者降低火焰的温度等措施来减少燃烧器的损伤。在调整的过程中，可以关闭旁路阀来增加火焰部位的空气，从而降低火焰的温度；或者通过调节值班燃料喷嘴开度的比例，来移动火焰的位置。

2.3 圆周振动

圆周振动发生的频率在500～5 000 Hz，它的产生是由于燃烧器自振频率和周向压力波动频率产生共振。圆周振动产生的破坏性是最大的，此振动与燃烧器特定的部位发生共振，振动能量很高，在瞬间就会损坏燃烧器。因此，对于此类振动必须要以预防为主，一旦发生就是重大事故。

由于圆周振动的破坏性极大，因此在做燃烧调整时，要把握所发生的振动特性，通过调整能量分布，主要是燃空比和流速，从而避免出现发生振动的能量分布。

3 燃烧振动的主要影响因素

表1 天然气组成成分 %

3.1 燃料成分的影响

M701F4型燃气轮机的燃料供应是油、气两用的，目前进入中国市场投入商业运行的都是以天然气为燃料。天然气作为清洁能源，具有安全、经济和环保多项优点，其主要成分是甲烷，但是不同省份的天然气气源不同，因此组成成分也有很大差异，如表1所示。

天然气中甲烷的含量约在80%～98%之间，甲烷的含量越高，其热值就越低。天然气中甲烷含量的变化会改变燃烧室中火焰的位置，作为防范措施可以通过旁路阀的开度来进行修正，如表2和图2所示。

因此，在燃烧调整结束后，天然气中甲烷的含量不能变化太大，M701F4型可变范围是±5%，若是超出此范围必须重新进行燃烧调整，否则会因燃烧不稳定导致燃烧振动，对设备造成损伤。

在天然气的组成成分中，甲烷与其他成分相比具有比较稳定的分子结构，其化学反应速率相对较慢，因此它的浓度对火焰温度和位置都有一定影响，如表3和图3所示。

表2 旁路阀开度对火焰的影响

图2 旁路阀开度与燃烧振动的关系趋势

表3 甲烷浓度对火焰的影响

图3 甲烷浓度与燃烧振动的关系

3.2 燃料温度的影响

在负荷一定的情况下，进入燃烧室燃料的流量是一定的。但是不同温度下，燃料的体积流量不同，进入燃烧室燃料的密度和流速也不同。燃料温度的变化会使燃料密度随之发生变化，而密度的变化就会影响射入空气质量，当射入空气质量生变化时，就会影响到燃料和空气的预混程度。而预混效果的变化就与压力波动有关，因此燃料温度的变化最终会影响到燃烧室的压力波动。

燃料和空气的预混效果最终还会影响到NOX的排放，预混燃烧可有效降低NOX的排放，图4为燃料温度变化对压力波动和NOX排放的影响。

图4 燃料温度与燃烧振动的关系

3.3 进气温度的影响

进气温度对压力波动的影响与燃料温度对压力波动的影响原理基本相同，当进气温度变化而空气质量流量不变时，进气空气体积流量和流速随之变化，因此空气和燃料的预混程度发生变化，从而产生燃烧室压力波动。

根据进气温度的变化，可对IGV/BV/PLCSO（压气机进口可转导叶/燃烧室旁通阀/燃料限制控制信号输出）进行温度的修正，保证燃烧状态的稳定；但是如果修正不适当，可能会发生不稳定燃烧。

4 燃烧振动导致跳机案例

4.1 跳机前机组状态

浙能常山天然气发电有限公司1号机组为三菱M701F4型燃气-蒸汽联合循环供热机组。1号机在跳机前就地和电子间无任何消缺工作，运行人员对DCS（分散控制系统）和TCS（汽轮机控制系统）无任何操作；机组状态是燃气轮机转速3 000 r/min，机组总负荷 186.88 MW，旁通阀开度52.19%，IGV开度39°，天然气压力3.9 MPa，天然气温度200℃，燃机负荷116.05 MW，汽机负荷72.83 MW，高压主汽门开度98.7%，中压主汽门100%，低压主汽门100%。

4.2 故障经过

12∶13∶00，机组并网。

14∶20∶00机组总负荷176.7 MW，多个燃烧室（1，2，4，5，7，8，9号）中频2压力波动出现预报警，报警多次并自动复归。

14∶22∶00，多个燃烧室（2—20号）中频2压力值出现预报警或高报警，报警多次并自动复归。

14∶25∶51，4，9，13号燃烧室压力波动限制on报警（定值：大于20 kPa报警）。

14∶26∶17，燃烧室压力波动高超限遮断，机组跳闸，机组总负荷186.9 MW。

4.3 检查与分析

跳机报文显示跳机原因为：压力波动高超限遮断，检查发现4号、9号、13号燃烧室（中频2）压力波动值超限。

现场对各燃烧室压力波动传感器进行检查，发现其固定良好无松动，机组在开机及带负荷运行过程中，各压力波动传感器数据传送正常，未发现异常。排查控制器、卡件、接线等因素，未发现异常。

核查机组运行过程中各天然气参数，通过现场核对和比对热值仪、密度数据、天然气压力、温度、天然气成分均未发现异常。

检查燃烧室天然气管道和各天然气控制阀动作均正常，检查门禁、场景监控记录、运行操作情况，排除了因天然气系统泄漏或误碰造成机组遮断。

TCS其他相关参数检查核对，发现汽轮机、燃气轮机负荷计算分配存在问题：燃气轮机负荷116.1 MW，汽轮机负荷72.8 MW，其中燃气轮机负荷偏小13%，这将会使燃气轮机负荷控制的低氮燃烧器旁路阀开度比正常时增大20%，造成燃烧室燃烧不稳定，压力波动增大。

造成以上汽轮机、燃气轮机负荷分配异常的原因是：东方电气自控人员进行 TCS2 CPUA/ CPUB适配器故障处理时，更换CPUA卡并重新下装了TCS控制程序。程序中汽轮机负荷计算修正曲线设置错误，造成汽轮机、燃气轮机负荷分配出错，燃气轮机旁通阀开度偏大，导致燃空比发生较大改变，引起燃烧室燃烧不稳定，燃烧室压力波动值超限导致遮断。

4.4 防范措施

（1）今后TCS控制程序更新前，必须提供书面修改文件，程序更新后必须进行核对工作。确认TCS目前所有程序已全部编译下装。

（2）完善运行规程中关于燃烧室压力波动大相关处理措施，并举一反三对其他事故处理措施进行补充和完善。

（3）加强对程序修改监督管理，并对书面修改文件进行确认和记录工作。

（4）加强对运行规程及运行异常处理措施的学习和培训。

5 结语

燃烧振动会导致机组跳机，甚至燃烧室损坏。虽然引起燃烧振动的因素有很多，但最终反应的是燃空比的变化，在燃料成分、进气温度等外界条件发生较大变化、超出了A-CPFM（燃烧室压力波动自动调整系统）的调整范围、燃空比不能满足现有的工况时，必须重新进行燃烧调整，以免对机组造成损伤。

[1]张欣刚，任静，徐治皋．燃气轮机燃烧室预混燃烧不稳定性的数值研究[J]．动力工程，2007，27（6）∶850-855．

[2]吴海滨．M701 F燃机的燃烧室压力波动监视系统[J]．燃气轮机技术，2009，22（2）∶60-63．

[3]李祥晟，丰镇平．燃气轮机燃烧室振荡被动控制方法的数值研究[J]．动力工程，20O7，27（3）∶318-322

[4]周晓宇，潘勇进．DIN-2.0+燃烧室燃烧异常的判断及处理[J]．燃气轮机技术，2007，20（2）∶56-60．

（本文编辑：陆 莹）

Generating Mechanism and Influencing Factors of Combustion Vibration in M701 F4 Gas Turbine

JIE Pengju
（Zhejiang Zheneng Jinhua Gas-fired Cogeneration Co.，Ltd.，Jinhua Zhejiang 321000，China）

In order to learn reason of combustion vibration of gas turbine and its harm to units，the paper expounds mechanism of pressure vibration in combustion chamber of gas turbine，vibration types，hazards as well as several vibration generating factors.By taking a trip accident of M701F4 gas turbine manufactured by Mitsubishi，the paper analyzes that generator tripping due to large fluctuation of combustion chamber pressure is caused by program missetting；besides，it presents preventive measures.

gas turbine；combustion chamber；pressure fluctuation；combustion vibration

TK477

B

1007-1881（2015）11-0065-04

2015-09-17

节鹏举（1987），男，助理工程师，主要从事天然气发电热工技术工作。