GE 9FA燃气电厂燃机火焰探测器可靠性研究与应用

王小江（福建晋江天然气发电有限公司，福建 晋江 362251）



GE 9FA燃气电厂燃机火焰探测器可靠性研究与应用

王小江
（福建晋江天然气发电有限公司，福建 晋江 362251）

摘 要：介绍GE 9FA燃气电厂燃机火焰探测器几起故障，深入分析其故障原因并提出提高火焰探测器可靠性的措施。通过改造实例，介绍了近年来某电厂针对燃机火焰探测器所进行的可靠性研究和实际优化改造实例，为防范燃机火焰监视系统故障提供多种思路。

关键词：火焰探测器；保护；改造；优化

GE 9FA燃气电厂燃机控制系统设置有熄火保护，一般配置有4个火焰探测器，火焰探测器将火焰信号转换为电信号，送至燃机MARKVI控制系统，监视燃机在启动过程中是否点火成功，同时在燃机运行时进行熄火保护逻辑判断。

一、火焰探测器的工作原理及功能

9FA燃机燃料为天然气，主要成份为甲烷（CH4），是含氢燃料的一种，燃烧时火焰成份偏向于紫外光，色温较高，检测起来比紫光到红光的可见光谱更为可靠，所以一般采用紫外原理的探测器。9FA燃机在15#、16#、17#、18#燃烧室各装有火焰探测器，由于燃机运行时缸体温度可达150℃左右，一般使用冷却水盘管对火焰探测器进行冷却，以免火焰探测器电子元器件受到高温影响，冷却水来源为闭式冷却水系统。

燃机启动过程和正常运行中，火焰探测器用来监视喷入燃烧室的燃料是否点燃，程序设计为4个火焰探测器2个及以上检测到火焰并稳定2s，则认为燃机点火成功，否则燃机点火失败，燃机跳闸，必须到盘车转速后重新发启动令，然后进行燃机清吹，避免天然气积留在燃烧室引发爆燃。

二、火焰探测器故障案例分析

1.2#机燃机18#火焰探测器冷却水管两次断裂事故

（1）事件概述。

2012年8月8日，2#机负荷330MW，3X轴振3X涨至0.228mm，机组跳闸，运行人员检查发现透平间燃机18#火检冷却水接口裂开漏水，随即关闭透平间内火检冷却水进、回水手动阀。8月9日夜班，运行人员发现膨胀水箱液位急剧下降，就地检查发现18#火检的冷却水管断裂，闭冷水从断开的管道呈水柱状喷到燃机透平缸体上，关闭火检冷却水进回水手动阀，并汇报省调停机。

（2）事件经过。

冷却水管第一次断裂后处理情况：8月9日，对18#火检冷却水管进行检查，检查发现存在两个问题。第一，18#火检冷却水回水环管断裂；第二，17#火检冷却水回水管与18#火检冷却水进水管有碰撞磨损现象。事件处理过程：更换18#火检冷却水管环管、17#和18#火检磨损的冷却水管。冷却水管断裂情况见图1。

图1　18#火检冷却水回水环管断裂

冷却水管第二次断裂后处理情况：8月10日，对18#火检冷却水管进行检查，检查发现18#火检冷却水进水环管断裂。处理过程：更换冷却水环管，并加工固定支架，将冷却水管固定。8月10日机组启动后运行至今，冷却水管正常。

（3）事件原因分析。

冷却水管第一次断裂的原因：燃机轴向位移波动、大轴窜动、燃机瓦振大、冷却水管振幅大，导致冷却水管金属材料产生疲劳，且联焰管法兰泄漏导致空间温度高，再加上冷却水管相互之间的碰磨，这3个因素导致了第一次冷却水管断裂事件的发生。

冷却水管第二次断裂的原因：由于燃机振动大问题没得到解决，冷却水管仍存在振幅大问题，且冷却水管进行了卡套接头焊接处理，环管弯头材料特性有可能发生变化，这两个因素导致了第二次冷却水管断裂事件的发生。

2.4#机燃机18#火焰探测器冷却水管松脱事故

（1）事件经过。

2013年4月17日，4#机缺陷处理后恢复闭式冷却水系统时，发现燃机透平间18#火检冷却水管松脱，透平间地面有大量的水，透平间内燃机有异音，运行人员迅速隔离闭式冷却水系统。

（2）事件处理过程。

事件发生时，现场有检修人员在场，听到燃机异音后，发现18#号火检冷却水进水管松脱，而卡套上的螺母未松动，仍紧固在火检的冷却盘管上。检修人员重新更换火检冷却水进水管及卡套，开启火检冷却水进水木管排气堵头，并恢复闭式冷却水。

（3）事故原因分析。

冷却水管卡套接头主要有环形件及锥形件，正常情况下管子装入卡套接头后拧紧螺母，将使环形件嵌入锥形件，这样使整个锥形件咬住水管而不会松脱。分析更换下来的卡套，发现该卡套上的环形件未嵌入锥形件，是造成此次火检冷却水管松脱的主要原因。

3.两次火检冷却水管松脱的事故总结

从以上两次火检冷却水管的接头松脱导致冷却水泄漏，当冷却水喷到燃机透平缸体、压气机缸体时，高温的缸体突然受冷收缩，透平、压气机动叶片与缸体产生动静碰磨，严重时产生叶片、缸体受损，造成无法修复的故障。

两次火检冷却水管接头松脱事件，说明卡套接头的施工工艺尤其重要，必须严格把关检修方的检修质量，必须履行专业级、部门级、厂级三级验收制度。

4.火焰探测器存在其他故障现象及分析

4台机组自2009年投产以来，屡次发生火焰探测器强度突然波动的现象，尤其是18#火检尤为突出，一般采取的措施是临时将火焰存在信号强制，机组停运两天以上，燃机缸体冷却后，检修人员才能登上燃机缸体进行检修工作。在更换火焰探测器后，火焰检测强度波动问题基本能解决。

分析认为，火检存在检测强度波动问题的原因有：第一，18#火检处于冷却水管的末端，而冷却水管直接暴露在透平间高温环境中，由于辐射作用，冷却水管中冷却水受到加热，冷却效果会降低，会直接影响到火检的使用寿命。第二，冷却水管处于冷却水系统的高点，长时间运行时容易积存空气，影响冷却效果。

三、火焰探测器可靠性研究

1.主流F级燃机的火焰探测器对比（表1）

表1　主流F级燃机电厂火检对比情况

2.火焰探测器可靠性提升措施

（1）从3种主流F级燃机电厂火检设计规格和使用情况来说，GE燃机本体无保温，火检工作环境最为恶劣，且有较高的故障率。可深入论证燃机本体保温的可行性，如GE机型的透平间环境温度能将至其他两种燃机机型水平的话，火检冷却水管可拆除，同时可降低火检故障率，日常点检也可顺利进行。

（2）对冷却水管进行优化设计及改造。一是不锈钢管安装角度改变减少振动。二是S型管道设计缓解振动。

（3）卡套接头进行改型。将现有螺纹卡套接头改型为螺纹对焊活接接头。可解决卡套接头因卡不紧导致松脱的问题。

（4）将冷却水管母管至各个火焰探测器的冷却支管更换为金属软管，避免因冷却水管振动在卡套接头处产生应力。

（5）GE火检三种冷却方式对比如表2所示。

表2　GE火检三种冷却方式对比

由上表可知，GE火检原设计并不是只可以用冷却水进行冷却，也可进行压缩空气冷却。可在1台机组1个火检探头上进行压缩空气冷却方式的试验性研究，但试验过程中，火检可靠性无法得到保证，需将此火检保护信号退出。

（6）使用新型的无水冷却的耐高温火焰探头，彻底取消冷却水，永绝后患。

四、火焰探测器升级改造的实践

根据火焰探测器的可靠性研究结果，综合各类方案的优缺点，决定采取永久取消火检冷却水的方案。方案分两步走，第一步进行火检压缩空气冷却的试验，第二步进行新型无水冷却火检的试用。

1.火焰探测器空气冷却方式改造试验

试验目的：本次试验将水冷却方式改为空气冷却，并辅以相关隔热措施，若能将火焰探测器温度冷却至允许温度（-30～150℃）即可保证设备正常运行，现场通过温度测点验证火焰探测器空气冷却可行性。

试验方案：火焰探测器外部加装隔热罩并刷隔热保护涂料，火检延长管处包裹保温棉，防止高温辐射。火焰探测器环管开孔并通入压缩空气，冷却火焰探测器本体及周边环境温度。

隔热罩内部、外部分别安装1支温度热电偶，检测空间温度，火焰探测器本体安装1支贴片热电偶，测量火焰探测器本体温度。

试验结果：经过安装隔热罩和通入空气进行冷却，火检探头本体温度始终在180℃左右，超出火检探头的最大允许工作问题，探头处于故障状态。试验结果证明空气冷却方式不可行。

2.无水冷却火焰探测器改造

对火电厂、燃机电厂的无水冷却火焰探测器信息进行收集，目前有以下两类。

（1）GE配套火检，火检由探头、光纤、信号放大3个组件组成。探头检测火焰，通过光纤传输至信号放大器，而后将信号送至控制系统。整套火检为两线制4～20mA供电方式，直接代替原有火检，探头工作环境温度可达200℃。

目前该型号火检已在4台机组中3台18#燃烧室安装，改造后，使用情况良好。

（2）美国FORNEY公司Flamehawk火焰检测器。Flamehawk火焰检测器由探头、光纤、放大器3个部件组成。工作原理：安装在燃机火焰筒上的探头检测燃烧火焰的紫外UV光谱成分，通过光纤将火焰信号传至安装在燃机罩壳外的放大器，经过放大器的电路部件转换成4～20mA信号，传至MARKVI系统。探头：316SS、法兰安装、石英镜头、工作温度-40～300℃。光纤：316SS双层护套、螺纹连接、工作温度-40～350℃。放大器：响应时间小于50ms、两线制4 ～20mA、工作温度-30～70℃，带火焰强度指示。目前该型号火检在1台机组18#燃烧室安装，改造后，使用情况良好。

五、结语

火焰探测器在燃机火焰监测系统上有着重要作用，冷却水安全问题和信号稳定问题都严重影响燃气轮机的安全稳定运行。通过火焰探测器的冷却方式试验和无水冷却火焰探测器的改造，永久解决冷却水的泄漏问题，同时提高火焰信号的稳定性，有利于燃气轮机长周期稳定运行。

参考文献：

［1］ 大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书.控制系统分册/中国华电集团编.北京：中国电力出版社，2009.

中图分类号：TK16

文献标识码：B

文章编号：1671-0711（2016）03-0047-03

收稿日期：（2016-02-18）