V94.3A型燃机燃烧器腐蚀探讨及反吹效果分析

V94.3A型燃机燃烧器腐蚀探讨及反吹效果分析
发布时间：2021-06-23T08:17:05.139Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第6期作者：解其林[导读] 值班燃烧器通过外侧的燃烧器支撑法兰安装在燃机的外缸上，值班气体由支撑法兰上的值班器接口进行供给，通过内部值班气体输送管道输送到值班气喷嘴。

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摘要:V94.3A型燃机在运行中均会出现预混燃烧器腐蚀结垢情况，本文主要对燃烧器腐蚀的机理及影响进行探讨，并对使用反吹的方式来消除燃烧器腐蚀对燃气轮机性能影响的效果进行分析。

关键词：燃气轮机;燃烧器;腐蚀;反吹
某燃气轮机电厂两台燃气轮机型号为V94.3A，一拖一分轴布置。

该机组于2015年投产，运行8000EOH后 1号燃机透平出口冷热点温差偏大，同时在燃机接近满负荷状态时，CO排放达到了11-16ppm。

检查发现预混燃烧器有大量腐蚀物，部分腐蚀物堵住了预混燃料旋流孔，导致燃烧不稳定，排放指标异常。

本文主要阐述通过燃烧器腐蚀机理分析，通过定期反吹清除燃烧器腐蚀物，延长燃烧器清洗周期，提高燃气轮机运行的安全性和经济性。

1 二级组合式燃烧器以天然气为燃料的二级组合式燃烧器主要两个部件是值班燃烧器与预混燃烧器。

值班燃烧器通过外侧的燃烧器支撑法兰安装在燃机的外缸上，值班气体由支撑法兰上的值班器接口进行供给，通过内部值班气体输送管道输送到值班气喷嘴。

预混燃烧器由一个带有预混燃气分配环的斜旋流器轮毂、一个斜旋流器锥形壳和斜旋流叶片组成。

预混气体通过预混气体接头进行供给，预混气体通过预混气体管道输送到预混燃气分配环上，并被均匀输送到了各自的斜旋流器叶片上。

从预混燃气喷嘴中流出的混合燃气汇入到斜旋流器喉部产生的旋气流中，确保燃料和空气均匀混合。

经内窥镜检查发现，燃烧器的腐蚀主要发生在预混燃烧器燃气分配环及斜旋流器叶片内部的燃气通道中。

腐蚀物在燃气分配环及旋流器叶片内逐渐堆积（见图1），部分脱落的腐蚀物堵塞燃气通道，使各燃烧器燃料分配不均，从而导致燃烧室内温度场不均匀，高负荷状态下CO排放浓度增大。

图1 预混燃烧器腔室2 燃烧器腐蚀分析1）腐蚀机理
在较高的温度下，气体对材料的腐蚀主要为氧化，其次为气体成分中其他元素对材料的腐蚀，如Cl、C、S元素。

高温环境中会在金属表面生成一层钝化膜，这层较致密的膜层结构可在短时期内防止外来物质的侵蚀，但随着膜层厚度的增大，钝化膜逐渐剥落。

其中，多种元素对钝化膜的脱落起到重要作用。

Cl离子是腐蚀产物膜和钝化膜的主要破坏者，高温下诱发氯化物应力腐蚀开裂；C对钝化膜的破坏作用主要表现在：在CO2气氛中，其与金属在钝化膜内表面反应生成氧化物及单质C，单质C与金属在钝化膜内表面生成内碳化物，内碳化物为疏松多孔结构，会加剧钝化膜的剥落，另外，CO2可使体系进一步酸化，并诱导严重的局部腐蚀；S气氛中，金属会与S反应生成金属硫化物，导致金属表面硫化膜中含有很多缺陷，不够致密且附着性很差，因而会从表面剥落。

在O、S、Cl多种因素共存时，在耦合作用下，各自腐蚀动力学过程的交互影响使腐蚀问题变得极为复杂。

2）腐蚀物分析
对预混燃烧器内的腐蚀物进行采样，并电镜扫描分析，其化学成分为Fe、O和S的化合物。

样品中的硫元素和氧元素的质量分数非常高，硫超过20%，而氧大约为10%。

硫化物和氧化物的生成主要通过界面元素扩散来实现，氧及硫元素向基体内部扩散，基体内部的元素向表面扩散，最终在表面生成一层硫化物及氧化物。

硫化物相比于氧化物更加疏松多孔，且化学反应常数值较大，生成速度更快，与基体结合力更弱，易从基体表面剥落。

因此结合预混燃烧器内的腐蚀现象，分析认为预混燃烧器内部采集的样品为铁硫化合物和铁氧化合物。

3 处理方法及在线反吹
目前处理预混燃烧器腐蚀主要有三种方法：一是对预混燃烧器进行定期清洗；二是对预混燃烧器燃料腔室增加涂层防护，如渗铝、镀镍等；三是更换预混燃烧器基材，如改为镍基等。

燃烧器涂层的改造尚未广泛应用，目前仅有少数燃机电厂采用了涂层改造的方式，且运行时间较短，抗腐蚀性能有待进一步验证。

镍基材质的燃烧器对抗氧化有较明显的改善，部分燃机电厂已经使用，但整套镍基燃烧器造价高昂，单独改造并不划算；目前电厂基本是采用定期清洗方式，但频繁清洗会引起的孔径增大，孔径增大会引发燃烧不稳、排放超标等一系列衍生负面问题，最终更换新燃烧器。

采用定期在线反吹，其目的是定期将预混燃烧器内已经生成的腐蚀物通过反吹的方式吹出，延长燃烧器清洗间隔，减少清洗次数，不仅延长燃烧器的使用寿命，更是减少了价格不菲的清洗费用。

在线反吹的原理是通过值班器正常点火，使燃机转速升高，促使压气机出口压力升高，直至达到0.7MPa左右，高压气体通过斜旋流器叶片上的小孔进入预混燃烧器内锥腔室，将旋流器叶片内部及燃烧器内锥腔室内的腐蚀物吹出。

在线反吹的流程主要为：预混燃气软管环管侧拆除→预混燃气环管法兰安装堵板→预混燃气软管环管侧安装棉质收集器→燃机控制逻辑修改→燃机点火反吹→根据收集情况决定是否继续反吹→预混燃气软管回装→燃机控制逻辑恢复。

在线反吹具有一定的危险性，需要采取一些措施防止燃机转速过高、燃气泄漏、着火等情况发生。

主要措施包括燃机TCS逻辑备份；燃机控制逻辑修改；测试控制室和燃机罩壳门口的燃机急停按钮；消防人员与运行人员就地监护，在紧急情况下按“手动喷放”按钮等。

4 在线反吹效果分析
某燃气轮机电厂1号燃机在运行至10570EOH时进行了在线反吹，在线反吹共进行两次，第一次设定压力3.8bar，第二次4.5bar。

反吹后对燃烧器进行内窥镜检查，发现内锥腔内脱落腐蚀物已经被吹离燃烧器，腔室较为干净（见图2），但斜旋流器叶片内部锈蚀物与坠落锈蚀物已经烧结，无法吹出，燃机启动后透平出口冷热点温差仍较大。

图2 反吹后预混燃烧器腔室
为了解决斜旋流器叶片小孔堵塞烧结造成燃烧不均匀，在预混燃烧器清洗时，同时将旋流器叶片材质升级为X22。

该套燃烧器连续运行了3700EOH后，进行了两次在线反吹，并将反吹压力提高至7bar，反吹效果很好，燃机反吹后透平出口温度分布均匀，CO排放浓度基本正常。

本次反吹后，CO排放浓度显著降低，在较高负荷时，CO排放浓度接近0，燃烧稳定。

5结论
V94.3A燃机燃烧器腐蚀是一个普遍性的问题，燃烧器腐蚀会影响燃机的安全稳定运行。

在对预混燃烧器涂层防护或更换镍基材质前，定期在线反吹是延长预混燃烧器清洗周期、确保燃机安全稳定运行较有效的手段。

参考文献：
[1] 焦树建,孙守林.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M]北京：中国电力出版社，2007.
[2] 刘梓涵,焦广云,蔡季雨,等.SGT5-4000F燃气轮机运行维护手册[M] . 上海：上海电气集团股份有限公司,。