F4 机组燃料喷嘴升级改造的可行性研究

张 卫

（浙江浙能金华燃机发电有限责任公司，浙江金华 321025）

0 引言

某燃机电厂2014 年7 月22 日通过168 h 试运转商业运行，该型燃机为东方汽轮机有限公司生产的三菱M701F4 型燃气轮机。

1 燃烧器改造升级的必要性

M701F4 燃机的压气机、燃烧室和透平为燃气轮机三大部件，其中燃烧器是燃烧室的主要部件。燃烧室内燃烧温度高达1400 ℃，其冷却效果直接影响机组燃烧效率和排放，以及机组稳定运行。根据厂家维护手册要求，机组运行每12 000 EOH必须检查燃烧器。

（1）燃机目前使用的燃烧器喷嘴是传统型喷嘴。2015 年以来国内的F4 型燃机陆续开始进入首次C 检，根据厂家技术函和检修现场信息反馈，多台机组已发现传统型燃烧器辅助喷嘴燃料比较低，先端部温度较高，先端均存在不同程度的高温氧化减肉现象（图1）。高负荷下长时间运行时，减肉会发展，容易造成机组燃烧不稳定，严重时会导致机组遮断，热通道部件损坏。新型的辅助喷嘴，可以降低喷嘴先端的金属温度，提升运行可靠性，降低喷嘴维护成本，如图2 所示。

图1 先端部的高温氧化减肉现象

（2）新型辅助喷嘴降低机组开机时NOx的排放量。值班燃料喷嘴按扩散燃烧使用大约5%天然气的情况下保持火焰稳定，其余天然气供给主燃料喷嘴和顶环燃料喷嘴。主燃料喷嘴和顶环燃料喷嘴通过空气与天然气预混合在燃烧器中形成均匀低温火焰。新型辅助喷嘴向喷嘴先端部提供气模空气，从而抑制碳附着现象产生，可以提升喷嘴可靠性和缓和对后流侧的影响。NOx生成量可明显减少，一定程度上解决1#机组在开机时NOx超标现象，同时提高燃烧器的使用寿命。

除去燃烧器外，燃烧室另外两大部件火焰筒（内筒）、过渡段（尾筒）MHPS 也采取了最新材料和冷却技术，保证机组最大寿命周期一起更换改造升级。改造后的过渡段侧密封更加合理，解决过渡段漏气现象，提高安全性和经济性。

最大程度保证燃机透平的安全性能。高温的燃气稳定是保证燃机三级透平的重要保证，通过改造能提高燃烧的稳定性能。三级透平的总造价高达1.4 亿元人民币，占燃机总费用的70%。其中兄弟电厂出现透平涂层脱落或损坏现象，叶片烧损严重。保证联合循环效率前提下，提高联合循环出力。经过燃烧器改造，IGV 控制优化、TCA 流量优化、旁通阀（主A、值班喷嘴）控制优化，在现有联合循环效率下，可以提高机组总出力，提高机组经济性。

2 燃烧器改造的可行性

为确保机组长期安全稳定运行，三菱公司开发出具有良好性能的燃烧器，可以延长燃烧器寿命周期，并且在寿命周期内成本最小化。同时新型燃烧器部件价格与旧型燃烧器价格等同，三菱提供二级燃料喷嘴免费升级服务。

（1）燃烧器辅助喷嘴采用改善的冷却强化型辅助喷嘴，改善冷却效果，减少出现裂纹的可能性。

（2）燃烧器内筒采用更加先进、焊接性优越、高强度材料的HASTELLOY-X 镍基耐蚀合金。

（3）燃烧器尾筒采用高温强度和维修性兼优的TOMILLOY材料，为提升高温强度，通过添加Al、Ti，提升了HASTELLOY-X材料的析出效果，增加了Mo、W、Co 的总量等，强化了固溶、提升了高温强度，具体蠕变温度增加50 ℃，LCF（多因素镍基单晶合金）寿命和耐氧化性大大提高。

（4）燃烧器采用成熟的热处理技术，使材料可恢复蠕变强度增强，延长燃烧器使用寿命，降低成本。改造后可以增加燃烧稳定性，NOx排放更加环保。

图2 新型冷却强化型辅助喷嘴

（5）先进的TBC 涂层和高性能的冷却技术和空力技术在改造的燃烧器上得到更深入应用。

据了解，目前国内M701F4 型燃机已有十几台燃烧器部件改造成功的实机验证，在商业运行模式下可以确保机组长期稳定安全运行。

3 燃烧器升级改造费用经济分析

通过对燃烧器部件改造，可以有效地降低燃机运行时燃料喷嘴先端的金属温度，改善火焰筒和过渡段涂层，从而提高其使用周期，提升其可靠性，从而保证燃机在寿命期内的长期稳定安全运行。降低NOx排放，延长机组检修EOH 小时数，降低维护成本。在保证现有效率和同等环境温度前提下，提高机组总出力。