更换联合循环发电厂的管道燃烧器

许多联合循环发电厂 (CCPP) 和热电联产 (CHP) 都在余热锅炉(HRSG)内使用补充燃烧系统或管道燃烧器。管道燃烧器可以根据需求快速且高效地增加蒸汽产量，从而为联合循环发电厂中的汽轮发电机提供更多的兆瓦输出。在联合循环发电厂中，兆瓦输出可以根据电力需求或生产商的调度计划进行灵活调整，以支持用电需求。此外，管道燃烧器还可以增加蒸汽输出以供客户使用，最终帮助热电联产的生产商实现更高的销售额。
 

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在1995年至2005年间，国内市场中许多新建的联合循环发电厂（CCPP）和热电联产（cogen/CHP）设施中都安装了管道燃烧器。然而，从2005年到2015年，新建的联合循环发电厂和热电联产设施中的管道燃烧器安装量逐渐减少。自2015年以来，由于经济不景气以及政府机构近期对绿色燃料技术研发和投资的施压，新建的联合循环发电厂和热电联产设施的建设几乎陷入停滞。因此，整个国内市场的电厂基础设施正在老化，亟需关注和维护。
 

不幸的是，由于现有设备基础设施的老化，许多现役的管道燃烧器系统已经达到或即将达到其设计的使用寿命周期，并为生产商带来了一系列问题，例如：

• 不断增加的维护成本，用于持续维修设备
• 随着排放增加或火焰对余热锅炉的冲击，运营成本不断上升
  
• 燃烧器部分故障，造成熄火和可靠性问题
• 燃烧器的完全故障，导致的问题从简单的燃烧器无法运行，到复杂的燃烧器坍塌至余热锅炉底部等
  
• 随着时间的推移，老化设备以指数速度持续衰减

检查可以在设备运行时进行，但最好在停机时进行，通常是在春季和秋季，并且应由信誉良好的燃烧公司进行。这些检查可以发现可能影响现有设备的问题，诊断故障发生的原因，并确定更换是否比继续维护更经济。如果协调得当，检查可在短短一天内完成，以免延误设备的重新启动。

更换管道燃烧器系统往往比大多数生产商想象的要容易。这可能是保持发电能力使用寿命的最佳方法，因为更换可以停止设备老化过程，为生产商重置时间，从而消除管理团队的诸多顾虑之一。本案例研究介绍了一个由柘科执行的管道燃烧器系统（图 1）更换交钥匙工程，它帮助电厂业主了解从诊断到启动的整个过程，并展示了从发电厂基础设施中淘汰老化设备的的好处。

情况

2022 年，美国东南部的一家大型电力公司联系了柘科，反映其现有的管道燃烧器系统存在问题。柘科对其进行了停电检查并记录了检查结果，其中包括：

• 火焰稳定器严重变形
• 长明灯燃烧器元件的主燃料火焰点火失败
• 火焰检测器识别能力差
• 火焰撞击下游余热锅炉管段

由于涡轮机废气(TEG) 流动不良，会导致火焰形状无法控制，进而造成火焰稳定器的翘曲和变形。这通常是由老式设计造成的，这些设计一直存在不足，但直到新技术引入后才被发现。燃烧设备在长期的循环开启和关闭过程中会出现简单的老化现象，这也会磨损火焰支架和钝体。在这种情况下，这两者都被认为是造成设备老化的主要原因。

长明灯无法点燃主燃料火焰的原因可能是燃烧器元件下垂。此外，点火装置的损坏也是导致这种故障的原因之一，这些火花装置长期暴露在余热锅炉（HRSG）炉膛内的极端环境下，日复一日地受到破坏。高能点火系统的常规电路很容易被涡轮机废气和开放式导管系统中的水蒸气扰乱，这些管道系统经常被雨水浸湿。在此案例中，燃烧器元件下垂是导致长明灯无法点燃主燃料的主要原因。火花塞不再位于主燃料的路径上，因此根本没有机会点燃。

火焰检测器对主燃料火焰的识别能力较差也可归因于以下几个原因：

• 燃烧器元件下垂。
• 火焰检测器镜头上有污垢、碎屑或水蒸气涂层。
• 由于余热锅炉的正常剧烈振动，火焰检测器安装系统发生意外移动。
• 使用过时火焰识别算法的旧型号检测器无法正确区分有火焰与无火焰状态。
  电子元件寿命不长，并且很容易导致火焰识别能力差。
  

在这种情况下，检测器采用的是老式技术，在多个燃烧器高度层级都有不同程度的磨损。

火焰对下游余热锅炉（HRSG）管段的冲击是导致余热锅炉损坏的主要原因，修复这些长合金锅炉管道的费用高达数百万美元。当燃烧器系统将原燃料引入余热锅炉（完全由燃烧器管理系统[BMS]控制）并由长明灯点火器点燃时，长而缓慢的火焰就会造成火焰冲击。一旦主燃料火焰被点燃并被火焰检测器识别，余热锅炉分布式控制系统（DCS）就会允许燃料供应逐步增加，以满足输出蒸汽的需求。
 

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然而，随着时间的推移，燃烧器喷嘴会在燃料压力下受到侵蚀，或者火焰稳定器因涡轮机废气流动和燃烧器火焰的再循环而变形，又或是燃烧器元件发生下垂（图2），燃料会在实际燃烧或完全燃烧之前，流向距离燃烧器喷嘴更远的位置。这些因素会使火焰变长，直至撞击管道。随着时间的推移，这种撞击会逐渐破坏管道。这个问题必须得到纠正，否则未来的故障将不可避免。在这种情况下，燃烧器喷嘴被侵蚀导致火焰变长，从而造成火焰撞击。

挑战

该项目既包括常见的挑战，也包括特定情况下的挑战。具体来说，预先计划的停机时间为春季的 18 天，被归类为非重大停机，这意味着在此次停机期间没有计划完成燃烧涡轮机或蒸汽涡轮机的改造。许多现场通常都会提前很长时间计划停机，因此了解管道燃烧器设备的现有状况非常重要，以便在不中断或改变现有预计划停机时间表的情况下完成更换。

客户进一步解释说，该设施对电网至关重要，由于客户群庞大，对蒸汽生产和兆瓦级输出的需求最为重要。错过停机时间是不可能的，机组必须在停机的最后一天正常运行。该发电站的下一次计划停电时间还要等几年，这又给设备和安装增加了一个重要的考虑因素。为应对这一时间挑战，需要进行广泛的交钥匙规划，与设备的持续沟通也至关重要。

通常情况下，设计和安装必须符合预先批准的停机资本预算成本值。在本案例中，客户在购买新燃烧器大约两年前就已批准了资本预算。然而，经济通胀和大流行病导致材料价格成为一个不可预见的问题。

询价与安装停工日期的时间安排是成功的关键。设计、制造、交付和安装每个环节都需要耗费数周的时间，才能在整个计划中顺利完成。因此，在计划停机时间之前订购设备至关重要。同样，了解管道燃烧器设备的现有状况也有助于设备所有者妥善规划更换工作。

项目流程

改造设计由一个经验丰富的团队完成，该团队曾成功实施过多个管道燃烧器交钥匙更换项目，并为全球众多原始设备制造商进行过新建管道燃烧器的设计和制造。由一个工程师和经理团队负责项目，加强了与客户团队的关系，消除了整个项目中的信息空白。

材料采购是由受过广泛培训的人员完成的，他们能够找到最佳的价格和交货方式。Zeeco 采用了由其国际标准化组织（或称 ISO）计划监控的广泛认可制造商名单，这为相关买家提供了巨大的购买力，并消除了对新供应商或未经测试的供应商的担忧。

设备在 Zeeco 全球七家制造工厂之一制造，并由质量保证/质量控制 (QA/QC) 团队和项目执行工程团队严格监控。由运输专家组成的物流团队负责计划和执行交付。在项目执行阶段之前，Zeeco 为所有需要在现场进行的机械和电气工程制定了非常具体的交钥匙工程任务大纲和计划。经验丰富的施工人员按照实施计划进行施工。

发现

几乎所有交钥匙安装项目都会在开始拆除现有设备之前发现一些未知问题。在本项目中，发现的问题是 HRSG 碳钢外壳内壁的严重内部腐蚀（图 3）。这种类型的发现在老式 HRSG 和管道燃烧器设备中越来越常见，特别是当 HRSG 设备最初安装在靠近水文环境或极端温度可能导致外露套管、封闭式 HRSG 壁保温层和 HRSG 内部浮动衬板系统超负荷工作的地方时。

此类 HRSG 和管道燃烧器的其他常见问题包括燃料管道内部腐蚀、压力管道壁厚减薄以及阀座腐蚀或损坏。这些问题会随着时间的推移而产生，原因是整个发电厂的燃料管道基础设施会因天气和季节条件的变化而产生不同的燃料温度波动。在该项目中，外部管道已计划更换为新的无腐蚀管道、配件和阀门。 

解决方案

这个管道燃烧器更换交钥匙项目在规划时考虑到了这些常见的发现类型。在最终确定设备采购和交钥匙安装之前，我们会与客户讨论每个潜在的发现。通过详细的规划来减少前期发现的问题，从而制定出尽可能符合实际情况的性能计划，并有助于消除意外情况。

在计划停运期间，其他承包商通常会在现场对其他设备进行施工，如冷却塔或锅炉鼓腹锅和溢流阀。现场可能会变得拥挤不堪，工具拖车和施工办公空间可能会减少材料堆放区。使用信誉良好的安装公司并确保每天参加停电会议，可以让所有承包商每天表达和分享关切问题和前瞻计划。承包商之间的协调可以避免诸如争夺起重机或高架升降机空间、非破坏性检查射线检测检查间隙以及因材料和消耗品运送造成的道路拥堵等问题。一个沟通良好的项目就是一个更安全的项目，可以避免事故，并有可能挽救生命。

成果与效益

在项目启动和安装人员撤离后，该客户的收益非常明显。以下每一点都满足了客户的需求，并为管道燃烧器系统带来了多年来亟需的生命力。

交钥匙成功

管道燃烧器的更换在 16 天内完成，而不是规定的 18 天，这使得机组在停机的最后一天成功重新点火。

费用

在这种情况下，Zeeco 的全球采购能力使团队能够采购材料，并节省了在设备采购之前就已创造的原始资本预算价值。

新设备

现在，客户拥有了一个新的管道燃烧器系统，没有了以前的任何问题。随着时间的推移，维护和运行成本的降低将带来经济上的节约。

正确的设备

设计和安装 100% 符合规范要求，这意味着客户在一次停电和预算成本内获得了他们所要求的一切。

热量释放

新设备将适当的热量释放到 HRSG 锅炉中，以实现最佳的蒸汽生产。

制造

Zeeco 利用七家内部全球制造工厂中的一家，按时完成了设备制造，并完全符合公司内部和客户的质量保证/质量控制要求。

送货

了解到采购的设备将利用供应商的物流系统运送到现场，客户管理部门省去了许多监督和关注的时间。

安装

该交钥匙安装利用了 Zeeco 使用和管理的众多机械和电气安装团队之一。全套交钥匙安装还为客户节省了许多管理监督和关注的时间。

按时完成任务

项目完成时间早于预期，费用也在预算范围内，使生产商受益匪浅，并确保了计划停运的正确性，无需延长停运时间。

零安全事件或事故

每天下班后，每个人都能毫发无损地回家。从长远来看，保险费保持在较低水平，设施安全跟踪指标一尘不染，公司的安全记录毫无瑕疵。 

改善交通

燃烧器前部的通道区域不那么拥挤，因此可以更好地进行维护和操作，同时还能创造更安全的工作环境。

培训

让运营团队接受供应商提供的新设备培训，对于实现完美运营和减少不必要的出差至关重要。

排放

在许多情况下，新设备技术大大减少了排放，使运营公司能够更好地控制排放。

设备保护

火焰形状固定良好，火焰长度与 HRSG 炉膛相匹配，可避免对下游管段、内衬壁、天花板和地板造成损坏。

符合美国国家防火协会 (NFPA) 的规定

NFPA 85 是管道燃烧器的管理机构，特别是第 8 章，通常都会更新。拥有新设备意味着管理保障措施已经到位。

保修

新设备为设施所有者提供有限的保修。 

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