劉　楊

(華能河南中原燃氣發(fā)電有限公司，河南駐馬店463000)

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基于V94.3A型燃氣輪機加速度不穩(wěn)定狀況研究與分析

劉楊

(華能河南中原燃氣發(fā)電有限公司，河南駐馬店463000)

摘要：燃氣輪機運行過程中，有時發(fā)現(xiàn)燃燒室燃燒加速度不穩(wěn)定現(xiàn)象。針對V94.3A型燃氣輪機，采用試驗和總結(jié)方法，得出壓氣機IGV開度、燃燒室燃料和測點故障等因素是燃燒加速度不穩(wěn)定狀況產(chǎn)生原因。依據(jù)實際經(jīng)驗和理論研究，探索加速度增大以及誤動作等典型故障處理方法。為同類型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行、檢修和研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機；加速度；原因；故障分析

0引言

西門子V94.3A型燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和透平組成。其采用高燃燒效率的環(huán)形燃燒室，燃燒室周圍均勻分布24個混合型燃燒器，可以有效保證燃燒室內(nèi)均勻溫度場。燃氣輪機運行時，燃料和空氣量以一定的比例在燃燒室內(nèi)配合燃燒；加速度使用裝設(shè)在燃燒室上的壓電傳感器探測，燃燒加速度穩(wěn)定是機組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。燃氣輪機燃燒監(jiān)測[1]直接影響機組運行，燃燒加速度間接反應(yīng)燃燒室火焰穩(wěn)定狀況，其是機組運行時主要監(jiān)測數(shù)據(jù)。燃燒室燃燒[2]火焰穩(wěn)定，燃氣輪機在各種工況合理燃燒是保證機組效率的基礎(chǔ)。

1燃氣輪機加速度

V94.3A型燃氣輪機有擴散、預(yù)混和值班共3種燃料供應(yīng)模式，燃燒加速度間接反映燃燒室火焰穩(wěn)定性。機組啟動點火至燃氣輪機轉(zhuǎn)速達到30 Hz過程中，為確保燃燒室內(nèi)燃燒火焰穩(wěn)定，燃料燃燒為擴散[3]模式；機組轉(zhuǎn)速自30 Hz升至49.5 Hz過程中，實現(xiàn)由擴散燃燒向預(yù)混燃燒模式切換，采用擴散燃燒與預(yù)混燃燒同時進行，有效地保證燃燒穩(wěn)定和提高燃燒效率；機組轉(zhuǎn)速自49.5 Hz至并網(wǎng)過程，預(yù)混調(diào)門開啟到設(shè)計值，值班調(diào)門開啟，采用預(yù)混和值班兩種燃料供應(yīng)模式燃燒，提高燃燒穩(wěn)定性。

燃氣輪機加速度，通過對燃燒方式調(diào)整，保證燃燒穩(wěn)定性。目前世界新型燃氣輪機僅采用預(yù)混和值班兩種模式，改進燃燒器結(jié)構(gòu)等，進一步提高火焰燃燒穩(wěn)定性。燃氣輪機加速度由壓電式加速度傳感器[4]利用壓電陶瓷或石英晶體壓電效應(yīng)，在加速度計受振，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力隨之變化獲取信號。燃燒加速度是衡量燃燒穩(wěn)定性的一個重要標(biāo)志，其與蜂鳴檢測共同反映燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生的脈動現(xiàn)象。

2加速度不穩(wěn)定狀況產(chǎn)生原因

燃氣輪機燃燒室燃燒不穩(wěn)定狀況主要由燃料與空氣配比不協(xié)調(diào)引起，國內(nèi)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在運行時，絕大多數(shù)V94.3A型燃氣輪機都存在燃燒加速度不穩(wěn)定狀況。燃燒加速度與壓氣機IGV(進口可調(diào)導(dǎo)葉)開度、環(huán)境條件、燃燒室燃料、壓氣機葉片臟污和測點故障等有關(guān)。

2.1　壓氣機IGV開度

V94.3A型燃氣輪機壓氣機IGV開度范圍-10%～108%，燃燒加速度不穩(wěn)定狀況主要發(fā)生在IGV開度50%～108%運行狀態(tài)之間。在IGV全開時，燃燒室進入空氣量相對恒定，與此同時燃氣輪機自動進行燃燒優(yōu)化，將燃料量與壓縮空氣量配比調(diào)整到最佳運行狀況，控制燃燒效率[5]和穩(wěn)定性。在IGV開度50%～108%運行狀態(tài)升降負荷過程中，由于負荷波動，可能引起燃料量與壓縮空氣量配比不斷變化調(diào)整。若配比調(diào)整遲緩，則引起燃燒室燃燒不穩(wěn)定，造成加速度增加。壓氣機IGV角度范圍42°，在其開度小于50%時IGV角度很小，進入空氣量對燃燒的燃料量配比影響不大，燃燒加速度相對穩(wěn)定。壓氣機IGV開度與燃燒加速度關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1　IGV開度與燃燒加速度關(guān)系曲線

2.2　環(huán)境條件

燃氣輪機運行過程中，外界環(huán)境變化會改變壓氣機進氣流量，會對燃燒加速度穩(wěn)定性造成影響。若環(huán)境溫度增加，空氣體積增加，在壓氣機內(nèi)可壓縮能力下降，造成單位時間通過壓氣機的空氣量減少，壓氣機效率降低，燃燒加速度穩(wěn)定性變差，如圖2所示；若環(huán)境濕度大，造成空氣密度增加，在壓氣機進氣濾網(wǎng)部分造成壓差增加，空氣流量降低，燃燒加速度穩(wěn)定性較差，如圖3所示；若大氣壓力降低，壓氣機入口壓力降低，造成壓氣機出口壓力下降，壓氣機效率降低，進入燃燒室空氣量減少，燃燒狀況不穩(wěn)定，如圖4所示。特別在大風(fēng)沙塵、雨霧天氣，燃燒室燃燒穩(wěn)定性較差。

圖2　環(huán)境溫度與加速度關(guān)系曲線

圖3　環(huán)境濕度與加速度關(guān)系曲線

圖4　環(huán)境壓力與加速度關(guān)系曲線

2.3　燃燒室燃料

V94.3A型燃氣輪機配套天然氣調(diào)壓站安裝了一套天然氣色譜分析儀，主要對上游天然氣成分進行化學(xué)分析。機組運行過程中，燃料成分變化引起其與空氣的配比改變，在燃燒室內(nèi)造成燃燒加速度不穩(wěn)定。

燃氣輪機由部分負荷向OTC狀態(tài)負荷轉(zhuǎn)變時，經(jīng)常發(fā)生燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。在此過程IGV全開，壓縮空氣流量基本保持恒定。燃氣輪機出口溫度變化，主要依靠改變天然氣預(yù)混和值班流量閥門開度，進行燃燒狀況優(yōu)化調(diào)整。閥門開度調(diào)整過程中，燃料量改變造成燃燒加速度增加，如果負荷設(shè)定不合理，造成燃氣輪機長時間在IGV全開狀態(tài)與OTC負荷狀態(tài)之間頻繁切換，導(dǎo)致加速度持續(xù)增加。燃燒加速度是一個累積脈沖量，當(dāng)燃燒加速度累計值達到報警值并且持續(xù)一段時間時，燃氣輪機加速度保護會動作。值班燃燒閥門運行時波動或其開度偏離優(yōu)化設(shè)定值，燃燒室燃料量改變，燃燒配比不合理，導(dǎo)致燃燒加速度不穩(wěn)定。

2.4　壓氣機葉片臟污

燃氣輪機長期運行，其壓氣機葉片造成不同程度臟污。對機組來說，壓氣機水洗是保證其效率[6]的最重要方式。壓氣機水洗分為離線水洗和在線水洗兩種方式；離線水洗采用水洗液進行水洗，需機組停運不少于8 h并且環(huán)境溫度大于8 ℃時方可進行。機組長期連續(xù)運行，其出力明顯下降時需在線水洗；壓氣機在線水洗時，機組負荷降至80%～95%額定負荷，并且采用清水進行沖洗。如果壓氣機葉片較臟，在線水洗只能清除其上浮灰，不能徹底清除葉片上結(jié)垢物。燃氣輪機壓氣機葉片臟污，造成壓氣機通流面積減少，進入燃燒室空氣量減少，引起燃燒室燃燒加速度不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.5　測點故障

燃氣輪機運行，燃燒穩(wěn)定性依靠加速度和蜂鳴反應(yīng)燃燒狀況。透平入口溫度較高，燃氣輪機排氣溫度間接反應(yīng)燃燒室排氣溫度。加速度用壓電傳感器探測，排氣溫度用熱電偶測量。機組運行過程中，燃氣輪機測點安裝、控制器或測量通道等故障，導(dǎo)致加速度反饋值存在誤差，燃燒調(diào)整[7]不穩(wěn)定造成加速度失常。按照機組設(shè)備檢修計劃，定期對燃氣輪機測點進行狀態(tài)檢修，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

3加速度典型故障分析

3.1　燃燒加速度增大引起跳機事故

某電站機組發(fā)生一起燃燒加速度增大引起的跳機事故，機組帶負荷386 MW，燃氣輪機壓氣機IGV全開，未進入OTC負荷狀態(tài)。在此階段，負荷控制與OTC控制頻繁切換，燃料閥頻繁調(diào)整造成燃燒室加速度增加。運行人員缺少經(jīng)驗，未及時進行手動調(diào)整，造成燃燒加速度大于MAX4動作(根據(jù)加速度的持續(xù)增大，燃燒加速度共有4種報警，加速度ACC大于MAX4=1.5 g，MAX1=2.5 g，MAX2=3.0 g，MAX1=8.0 g，其中MAX1/2/4報警會造成機組不同程度甩負荷，MAX3報警會直接造成機組跳閘，采用2取1跳機保護)，燃機自動甩負荷至378 MW，聯(lián)合循環(huán)負荷調(diào)整邏輯自動退出，甩負荷后加速度仍偏大，運行人員沒有引起重視，重新投入聯(lián)合循環(huán)負荷調(diào)整邏輯，自動升負荷，升負荷過程中，加速度ACC大于MAX3保護動作，機組跳閘。

此次事故發(fā)生，主要是運行人員對燃燒加速度機理熟悉程度不夠。在機組已經(jīng)發(fā)生加速度動作，造成機組部分甩負荷時，可采取兩種方法：其一是不干預(yù)，觀察加速度曲線及后續(xù)發(fā)展趨勢，待趨于穩(wěn)定后(至少應(yīng)超過30 min)方可重新升負荷；其二是檢查壓氣機部分及天然氣供應(yīng)閥門開度運行曲線，與以往同負荷正常情況比對，判斷反饋信號是真實值或是誤差值，依據(jù)實際情況進行輕微干預(yù)。日常工作中，運行人員要多收集學(xué)習(xí)各工況下相關(guān)參數(shù)，處理事故時對正常狀況參數(shù)有清晰概念，出現(xiàn)異常時能及時正確判斷，避開加速度不穩(wěn)定區(qū)域，減少加速度保護動作[8]甩負荷跳級概率。

3.2　燃燒室排氣溫度測點安裝故障

某電站機組自投運以來，燃燒加速度不穩(wěn)定狀況一直沒有完全解決。燃氣輪機經(jīng)燃燒優(yōu)化調(diào)整后，部分負荷區(qū)間加速度仍然較大。根據(jù)此情況，在機組小修期間，采取在現(xiàn)場進行燃燒室流量測試。通過科學(xué)測試，燃燒室24個噴嘴燃料流量均在允許范圍內(nèi)，但試驗過程中發(fā)現(xiàn)，燃氣輪機透平出口24個排氣溫度測點電纜不具備溫度補償功能，燃氣輪機排氣溫度在控制盤上顯示值較實際值大約低30 ℃。燃氣輪機正常運行期間，燃燒室在OTC負荷實際溫度偏高情況下工作，不僅會引起燃氣輪機透平首級葉片或耐火陶瓷瓦燒壞，而且會造成燃料與空氣的配比[9]發(fā)生變換，造成燃燒加速度穩(wěn)定性較差，影響機組安全。

依據(jù)測試情況，采取對燃氣輪機24個排氣溫度測點電纜進行更換措施，采用具備補償功能電纜。機組啟動后，將OTC負荷溫度下調(diào)至同類型機組的同溫度下，燃燒加速度穩(wěn)定性得到控制，升降負荷過程中加速度穩(wěn)定狀況表現(xiàn)良好，機組的安全穩(wěn)定運行狀況恢復(fù)正常。

3.3　加速度誤動作造成保護跳閘事故

某廠機組負荷385 MW，其中燃氣輪機負荷268 MW，運行人員發(fā)現(xiàn)DCS突發(fā)“NG CONTROLLER SYSTEM NG TRIP”、“ACC MON ﹥MAX3”報警信號，燃氣輪機天然氣進氣ESV閥關(guān)閉，燃氣輪機和汽輪機跳閘，機組發(fā)電機解列。事故發(fā)生后，立即對燃氣輪機天然氣系統(tǒng)及控制回路進行詳細檢查。根據(jù)WINTS歷史曲線顯示，加速度通道1測點瞬時值增大至8.9 g，加速度通道2測點0.9 g。對加速度通道1接線回路進行檢查，接線無松動，屏蔽良好。經(jīng)過測試，信號轉(zhuǎn)換前置器、信號接收卡均工作正常。

此后，采取對加速度測量探頭進行檢查措施。加速度探頭安裝于燃燒室外壁，需打開燃氣輪機本體入孔門進入燃燒室[10]內(nèi)部檢查更換，但西門子LTP協(xié)議規(guī)定不允許擅自打開燃氣輪機本體入孔。經(jīng)分析采取將加速度兩個測量通道在探頭信號輸出端進行互換措施，機組啟動后發(fā)現(xiàn)加速度通道2信號存在波動情況，加速度通道1測量值正常。燃氣輪機燃燒穩(wěn)定性主要監(jiān)測手段是加速度和蜂鳴，機組跳閘前蜂鳴值平穩(wěn)，且加速度2測量值也沒有增大，機組其他運行參數(shù)均正常，據(jù)此判斷加速度測量探頭1存在問題。燃氣輪機加速度保護設(shè)置二取其一保護，加速度通道2測量準確，采取強制探頭測量值1措施，若出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定情況，保護仍可正確動作，達到保護設(shè)備目的。

4結(jié)論

燃氣輪機燃燒加速度不穩(wěn)定與壓氣機IGV開度、環(huán)境條件、燃燒室燃料、壓氣機葉片臟污以及測點故障等因素密切相關(guān)。依據(jù)實際狀況，可通過對比歷史數(shù)據(jù)、強制可控測點、檢查測量通道和機組負荷調(diào)整等手段處理燃氣輪機加速度故障。機組運行時，加強監(jiān)視加速度變化曲線，避免因燃燒不穩(wěn)定引起機組非?；蛉紵鲹p壞。

燃氣輪機加速度間接反映燃燒室火焰燃燒狀況，可通過改善燃燒器結(jié)構(gòu)、提高燃料品質(zhì)、優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)以及研發(fā)加速度傳感器等方法穩(wěn)定燃燒火焰?？商岣呒夹g(shù)人員對燃氣輪機加速度的理解程度，確保燃氣輪機安全、經(jīng)濟和穩(wěn)定運行。

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Research and Analysis of the Acceleration Instability of Gas Turbine Based on V94.3A

Liu Yang(Huaneng Henan Zhongyuan Gas Power Generation Co., Ltd., Zhumadian 463000,China)

Abstract：In the process of gas turbine operation, sometimes the phenomenon of unstable acceleration in chamber combustion could be found. Taking V94.3A gas turbines for instance and by testing as well as scientific approach, it is concluded that the opening of the compressor IGV, fuel of the combustion chamber and measuring point fault factor and so on are the reasons of unstable combustion acceleration. According to practical experience and theoretical research, the method for treating the typical failure such as increasing acceleration and malfunction is explored in this paper. The method provides a reference to the operation, maintenance and research of the same type of gas-steam combined cycle unit.

Keywords：gas turbine; acceleration; reason; failure analysis

作者簡介：劉楊(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)與經(jīng)濟分析,E-mail: 1214064378@qq.com。

收稿日期：2015-10-12。

中圖分類號:TM731

文獻標(biāo)識碼:ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.010