方案。排气温度测量回路异常主要源于排气温度测量元件或补偿导线受损，应逐段检查并加强日常维护;燃烧系统异常主要源于燃烧部件故障或燃料喷嘴堵塞，应结合较长运行时间内的历史曲线进行综合分析或通过内窥镜进行孔探检测。
关键词： GE 9FA燃机;排气分散度保护;排气温度测量回路;燃烧系统;孔探检测
中图分类号：TK477 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2019） 06-052-05
工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.06.011
引言
近年我国陆续引进了多台GE公司9FA燃气—蒸汽联合循环机组（以下简称“GE 9FA燃机”），在电网调峰、燃气管线稳压及能源结构调整等方面发挥了巨大作用。但燃机在高温连续运行或频繁顶峰启停过程中，燃烧室处于高温、大负荷工况下[1]，火焰筒或过渡段等部件难免会出现破裂等问题，引发各种故障。在燃机运行过程中，难以直接对这些高温部件进行监测，为了及时发现故障，只能通过测量透平排气温度这一间接检测方法来判断高温部件是否工作正常[2]。因此，准确理解排气分散度保护原理，了解排气分散度保护异常时的一些表象，对提前准确判断排气分散度保护异常的真正原因，及时做出应对措施，有着积极的意义。
本文从原理研究到提出处置措施，有实用价值。首先详细介绍排气分散度保护原理;接着对排气分散度保护出现异常的原因——排气温度测量回路异常和燃烧系统异常进行分析;最后提出相应的处置措施和解决方案。
1 排气分散度保护原理
GE 9FA燃机总计配置18个燃烧器，31支排气热电偶。理想状态下18个燃烧器燃烧均匀，燃机排气段测量到的31点排气温度应当一致。但在实際运行中，燃料在18个燃烧器内部燃烧的状态不可能完全相同，即使在各燃烧筒的排气经喷嘴进入燃机透平做功旋转，再继续排到扩压段的过程，也未必能将燃机排气完全混合到平均。因此燃机运行过程中，各排气热电偶测量到的温度势必存在一定的偏差（即排气分散度）[3-4]。因此，GE 9FA燃机配置了排气分散度保护，当分散度超出允许值时，触发保护动作，以保障设备安全。
1.1 分散度允许值计算
从式（1）可以看出，分散度允许值与燃机排气平均温度及燃机压气机排气温度有关：燃机排气平均温度越高，分散度允许值就越大;压气机排气温度越高，分散度允许值就越小。式（1）中（）为一阶惯性环节，设置该环节的目的是当燃机变负荷时，将分散度允许值加上55.56℃的偏置;当燃机负荷稳定15 s后，逐渐将分散度允许值降至正常值。如图1所示。
1.2 排气分散度保护动作条件
在GE 9FA燃机控制系统逻辑内部，将燃机排气温度从大到小排列，并计算各点排气分散度。排气最低温度与最高温度的偏差为第一分散度，排气次低温度与最高温度的偏差为第二分散度，排气第三低温度与最高温度的偏差为第三分散度。综合各温度点分散度的大小及位置信息，排气分散度保护动作条件有以下3种：
（1）第一分散度大于1倍分散度允许值，且第二分散度大于0.8倍分散度允许值，同时第一分散度与第二分散度点温度元件位置相邻，则延时2 s保护动作;
（2）第一分散度大于上一个运算周期内允许分散度的5倍以上，且第二分散度大于0.8倍分散度允许值，同时第二分散度与第三分散度点温度元件位置相邻，则延时2 s保护动作;
（3）第三分散度大于1倍分散度允许值，则延时2 s保护动作。
另外，当燃机转速大于95%额定转速且没有自动停机信号时，排气分散度保护方才投入，亦即燃机在点火升速至2 850 r/min之前或停机过程时，排气分散度保护是退出的。
2 排气分散度保护异常原因分析及处理
GE 9FA燃机排气分散度保护出现异常一般有两方面可能：一是排气温度测量回路出现异常，二是燃烧系统出现异常。
2.1 排气温度测量回路出现异常
排气温度测量回路出现异常的可能原因有：
（1）排气温度测量元件经长期运行，受到气流冲刷及振动，导致排气热电偶头部磨损，测量回路开路;
（2）测量回路长期受到振动及高温受损，导致接线接触不良或接地，测量信号异常;
（3）排气温度测量模件及端子板通道发生故障。
排气温度测量回路出现异常典型案例如图2所示。图2a中的两支排气温度测量元件头部已磨损，若继续使用，很快就会损坏，造成温度测量失准或元件开路。图2b所示为被高温烫坏的排气热电偶补偿导线，会造成测温数值偏低或晃动。相比较而言，排气温度测量模件及端子板通道发生故障的概率极低。
排气温度测量回路出现异常的表象为单点温度偏低、晃动或是直接开路显示-18℃，这些会造成第一分散度大或超限报警，但只要第二分散度及第三分散度正常，燃机还是能保持运行。处理排气温度测量回路的异常，要逐段检查测量回路的各个环节，包括元件、补偿导线、中间接线、输入端子板及温度模件有无异常，确诊后对故障环节进行处理。日常维护中，要定期对排气温度测量元件及接线进行检查，燃机检修时要全面检查测量回路，确保排气温度测量的准确性，保证排气分散度保护正确动作。
2.2 燃烧系统出现异常
燃烧系统出现异常的可能原因有：
（1）燃烧筒燃料喷嘴堵塞造成燃烧不均匀;
（2）燃烧部件故障，如燃烧筒、过渡段出现破损。
当某个或多个燃烧部件出现异常时，最明显的表象为多个相邻的排气温度偏低，第一、第二及第三分散度整体变大，且随负荷的变化整体迁移。如图3所示为某排气分散度大的GE 9FA燃机在手动停机过程中排气温度的变化情况，可见第一、第二及第三分散度相邻，且随负荷的下降整体迁移。
燃料喷嘴故障引起的排气分散度异常的甄别，可以借助燃料阀与排气温度的历史曲线的分析。燃机启动的不同阶段对应不同的燃料组合，若某路燃料投入即导致排气分散度过大，那么喷嘴异常很有可能就集中在该路燃料管路上;燃烧筒或过渡段的破损或变形（如图4所示）亦会导致某相邻几点排气温度偏低。但燃烧筒或过渡段的损坏通常有一个由小到大的过程，所以这种异常的发现需要借助燃机较长运行时间内排气温度变化的比较分析：若原来与燃机排气平均温度基本一致的温度点温度越来越低，同时燃机排放的NOX值也随之变化，那么某燃烧部件就很可能存在问题。
如图5所示，燃机运行过程中，第30点排气温度逐渐下降，相邻的第31点温度也有下降趋势且有明显晃动，同时，NOX排放值也在逐渐上升。若燃机此时处于变负荷运行状态，那么高速旋转的燃机叶片在高、低温度区域来回往复，交变应力会造成燃机金属叶片发生疲劳损伤，导致叶片高温涂层开裂脱落。若燃烧部件持续劣化，部件脱落可能会造成更加严重的后果。燃烧部件故障位置可以通过旋转角度估算得出，但若要确诊燃烧部件的具体位置，最直接、最准确的方法是通过内窥镜进行孔探检测。
3 结论和建议
为保证燃机运行的安全、可靠，检修人员要定期检查排气温度测量回路各环节，确保排气温度测量准确，排气分散度保护动作正确。同时，定期安排燃烧部件的检查工作，确保燃烧部件状态良好。运行人员要密切关注第一、第二及第三分散度的变化趋势及位置，迅速确定燃烧异常与否，并及时应对，避免故障扩大。通过以上措施，可早发现、早处理各种异常，有效降低燃机运行风险。
如前言所述，通过排气分散度对燃烧系统异常进行分析毕竟只是一种间接方法，有一定的滞后性。对此，GE公司推出了能直接且实时监测每个燃烧器内燃烧状况的燃烧脉动监测系统（CDM）[5]，实时测量各燃烧器内的燃烧压力，能迅速并准确地发现燃烧系统的异常。该系统已应用于配置DLN 2.6+燃烧系统的GE燃机，并在多台采用DLN 2.0+燃烧系统的早期GE 9FA燃机中得到了应用，对燃机设备安全的保护及燃机可靠性的提升大有裨益。
参考文献
[1] 杨顺虎. 燃气—蒸汽联合循环发电设备及运行[M]. 北京： 中国电力出版社， 2003.
[2] 中国华电集团分公司. 大型燃气—蒸汽联合循环发电技术从书： 控制系统分册[M]. 北京： 中国电力出版社， 2009.
[3] 章素华. 燃气轮机发电机组控制系统[M]. 北京： 中国电力出版社， 2012.
[4] 杨训， 张灿. 某型航空发动机涡轮后排气温度场测量[J]. 计算机测量与控制， 2013， 21（2）： 333-335.
[5] 赖晓华. 燃烧监测系统（CDM）在MS9001FA燃氣轮机运用介绍[J]. 燃气轮机发电技术， 2012， 14（3/4）： 237-242， 263.
Abstract： Exhaust dispersion is an important index to monitor the high temperature components of a gas turbine. 9FA gas turbine of GE Company is taken as the research object. Focusing on the principle of exhaust dispersion protection， analyzed are the causes of abnormal exhaust dispersion protection， namely， abnormality of exhaust temperature measurement circuit and abnormality of combustion system， and put forward are corresponding treatments. The abnormality of exhaust temperature measurement circuit mainly comes from the damage of the exhaust temperature measuring components or the compensation wire， which should be checked step by step and daily maintenance should be strengthened; the abnormality of combustion system mainly comes from the failure of combustion components or the blockage of fuel nozzles， which should be comprehensively analyzed in combination with the historical curve in a long running time or the borescope detection should be carried out.
Key words： GE 9FA Gas Turbine; Exhaust Dispersion Protection; Exhaust Temperature Measurement Circuit; Combustion System; Borescope Detection