北京京能高安屯燃氣熱電有限責任公司 牛興偉 庫國亮 丁 哲

燃氣輪機內(nèi)部配備軸流式壓氣機、燃燒室、透平等子系統(tǒng)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)燃式動力機械能，最終帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，同時具有高效率和低排放，運行環(huán)保的優(yōu)點。

1 燃氣輪機排氣溫度對設(shè)備運轉(zhuǎn)的影響

燃氣輪機是在空氣動力學原理和能源學基礎(chǔ)上誕生的，最初按照等容加熱循環(huán)工作，效率僅有13%左右，后期設(shè)計、制造技術(shù)發(fā)生極大改觀，設(shè)備裝置效率、功率均有顯著提升。燃氣輪機開啟運作環(huán)節(jié)，壓氣機抽取大量空氣壓縮并送入燃燒室，在燃氣渦輪作用下膨脹，并推動渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)，設(shè)備內(nèi)部溫度極高，燃燒室溫度高達1240℃、排氣段溫度可以達到大約585℃。作為燃氣輪機的主要被控對象，如果監(jiān)視保護不及時有可能造成運行缺陷及故障，并且進一步導致燃燒器噴嘴、動靜葉部件等設(shè)備損傷，最終導致故障停機及安全事故風險。

基于此，一些燃氣輪機配備了監(jiān)視保護功能，可以在監(jiān)控內(nèi)部溫度上限的同時，把握排氣溫度分散度變化情況。分散度參數(shù)主要負責描述獨立燃燒室中的均勻狀況，燃燒分布越均勻，顯示的分散度數(shù)值就越小。就案例所采用的SGT5-4000F燃氣輪機來說，當機組進入滿負荷狀態(tài)時，分散數(shù)值進入穩(wěn)定狀態(tài)，一般應(yīng)在0～30℃，若內(nèi)部構(gòu)件出現(xiàn)故障，該數(shù)值有可能上漲。分散度的監(jiān)視是非常有必要的，分散度異常增大時，可能間接反映了如下幾種情況。

1.1 天然氣分配孔道異常

分散度增加說明燃燒室燃燒均勻度下降，究其原因可能出現(xiàn)在空氣、燃料供應(yīng)通道上，要及時檢查燃燒器以及進氣通道是否有污染或者雜物等，其會隨著氣流進入從而導致旋流器孔堵塞，或者是否存在運行異常、相關(guān)設(shè)備磨損差異等問題。

1.2 燃燒器或過渡段裂紋

燃燒器、過渡段是燃氣傳送、轉(zhuǎn)換的必經(jīng)通道，當構(gòu)件中出現(xiàn)裂紋情況時，會造成冷卻空氣進入燃燒空間、熱通道溫度下降，分散度升高，嚴重時會給機組安全運行帶來安全隱患。

1.3 壓氣機以及燃燒器的安裝情況

其運行狀態(tài)對于燃氣輪機燃燒效率的提升是至關(guān)重要的，安裝不良，會造成燃燒動態(tài)不穩(wěn)定、溫度場分布不均衡等問題[1]。因此，只有通過自動化、動態(tài)化的監(jiān)測防護，才能最大限度保證故障響應(yīng)時效性，降低燃氣輪機部件損壞概率，減少因熱通道部件更換造成的經(jīng)濟損失。

2 燃氣輪機排氣溫度監(jiān)視與保護算法設(shè)計

2.1 SGT5-4000F燃氣輪機排氣溫度保護邏輯

受燃氣輪機制造工藝、工作環(huán)境的限制，通常無法使用直接測量手段，對燃燒室溫度進行監(jiān)控保護，因此需要借助專門的溫控系統(tǒng)觀測，SGT5-4000F燃氣輪機中，主要由SPPA-T3000執(zhí)行控制操作，從24個元件中選擇6個代表性測點，配備相應(yīng)的保護措施，當任意3個測點溫度達到658℃以上時，就會觸動保護機制。作為自動控制系統(tǒng)核心，溫控子系統(tǒng)由OTC（排氣溫度）控制器、IGV（可轉(zhuǎn)導葉）控制器組成，前者負責進料量調(diào)節(jié)，僅在IGV全關(guān)、全開狀態(tài)下，才會進入工作狀態(tài)，后者負責空氣量調(diào)節(jié)，二者互為配合，確保燃氣輪機排氣溫度始終處于允許范圍內(nèi)。

2.2 OTC控制器溫度監(jiān)視及控制運行

燃氣輪機發(fā)生故障危害較大、影響廣泛，有的故障初始表現(xiàn)并不明顯，但會在載荷持續(xù)影響下出現(xiàn)惡化趨勢，由量變轉(zhuǎn)化為質(zhì)變后，才會引發(fā)明顯的排氣溫度、分散度異常問題，因此對其開展運行監(jiān)測時，不可采用靜態(tài)化、刻板化思路，而是要加強跟蹤和分析，爭取在系統(tǒng)保護動作發(fā)生前、設(shè)備停運前，對相關(guān)故障進行篩查、排除，最大限度發(fā)揮監(jiān)視、保護功能效用。

基于此，SGT5-4000F燃氣輪機控制邏輯中，引入了溫控模式，當排氣溫度達到設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動切換到OTC模式，對排氣溫度進行控制調(diào)整，防止超溫問題的發(fā)生，控制流程圖如圖1所示。其中，設(shè)置的“切換條件1”主要指燃機并網(wǎng)協(xié)調(diào)投入，此時的IGV閥開度應(yīng)當為最小。當燃氣輪機冷態(tài)啟動且余熱鍋爐、汽輪機工作溫度均呈上升趨勢，那么系統(tǒng)切換并對溫升曲線、排氣溫度設(shè)定值進行調(diào)節(jié)。

2.3 OTC控制器參數(shù)補償運算

此外，燃氣輪機工況變更也會影響監(jiān)視、保護系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，如設(shè)備啟動之初，燃料供應(yīng)系統(tǒng)會經(jīng)過一段時間的快速變化調(diào)整，此時監(jiān)測保護更容易導致頻繁報警、跳閘等問題，燃機轉(zhuǎn)速、大氣環(huán)境露點溫度等，同樣會影響透平膨脹比，因此在排氣溫度采集過程中，還需要引入OTC補償機制，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行修正。在SGT5-4000F燃氣輪機中，共配備了24個雙支熱電偶元件，系統(tǒng)測得平均溫度后，對數(shù)值開展修正補償，補償過程如下：

其中，Z0,S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7均代表中間變量，Z代表燃氣輪機轉(zhuǎn)速，T代表排氣機入口溫度，T0則表示環(huán)境露點溫度，最終計算得出的TC即為補償值，將其與平均溫度值相加，即可得到修正后的溫度值。

2.4 IGV控制器溫度監(jiān)視及控制運行

為確保燃氣輪機溫控系統(tǒng)適用性、高效性，SGT5-4000F燃氣輪機除了配備OTC控制器外，還增加了IGV控制器，通過調(diào)節(jié)進入燃燒室的空氣質(zhì)量流量來控制燃氣輪機排氣溫度。當燃機運行在部分負荷階段，IGV溫度控制器將控制空氣質(zhì)量流量隨著燃料量成比例變化，將燃機排氣溫度控制在有效設(shè)定值。同時，壓比控制器和冷風限制控制一定情況下也會作用于IGV溫度控制器，環(huán)境影響因素，如大氣壓力，大氣溫度對其控制進行實時矯正，從而確保排氣溫度對當前燃機的適用性及安全性。進氣壓力的影響：（1+（PVI-1,01|3bar）×PPVO01）；進氣溫度的影響：（1-（TV-15K）×TTVO01-（TV-15K）2×TTVO03）。

2.5 熱電偶元件故障監(jiān)視功能

在SGT5-4000F燃氣輪機中，以環(huán)形結(jié)構(gòu)布設(shè)了24個燃燒器，配備多個熱電偶監(jiān)測元件負責數(shù)據(jù)監(jiān)控，采集燃氣輪機排氣溫度。排氣溫度數(shù)據(jù)采集完畢后，直接按照既定算法進行統(tǒng)籌運算，得到的單個參數(shù)可以用于判斷溫度上限是否達標，出現(xiàn)異常后可以自動發(fā)出報警、跳機等指令，正常數(shù)據(jù)傳遞給下一環(huán)節(jié)，用于進一步分析計算。在排氣溫度計算回路中，熱電偶元件采集的數(shù)據(jù)篩選出質(zhì)量不佳數(shù)值后，對余下數(shù)值展開平均值運算，所有計算結(jié)果同步、記錄在系統(tǒng)中，可以生成事件提醒、報警信號等，為后續(xù)的狀態(tài)監(jiān)視、閉環(huán)控制、保護控制以及后期分析評估提供可靠依據(jù)。

作為燃機重要運行數(shù)據(jù)，熱電偶元件的狀態(tài)至關(guān)重要，會直接影響控制的精確性、可靠性，因此燃氣輪機排氣溫度計算過程中，需要配備元件檢測邏輯，通過控制器卡件獲取相關(guān)驗證信息，通過邏輯運算對變化幅度、變化率的波動進行分析判斷，不同故障情況對應(yīng)差異化模擬值。

控制保護項目主要包含以下三種，一是燃氣輪機排氣溫度高保護，量程為0～700℃，汽輪機的熱負荷和熱應(yīng)力與燃料總量緊密相關(guān)，為防止燃氣輪機過燒而給熱部件帶來風險，排氣溫度選取6個具有代表性的測點進行保護配置，燃氣輪機排氣溫度離散值低的情況下，當6個測量值中超過3個超過限制值時，就會觸發(fā)報警或者燃氣輪機跳閘事件。

二是冷點保護，通過監(jiān)測透平出口溫度分布的對稱性來檢測燃燒器熄火現(xiàn)象。其數(shù)量決定了燃燒器熄火的數(shù)量。為此，將每支熱電偶B和C與24個測點平均值作比較，連續(xù)比較過程中，若發(fā)現(xiàn)相鄰2個相鄰測點均低于定值，則發(fā)生警報。若相鄰3支測量值低于定值，則燃氣輪機停運。如果有連續(xù)4支電偶低于定值，燃機觸發(fā)跳閘保護。

三是熱點保護，熱點的識別是通過檢測燃氣輪機出口溫度分布來實現(xiàn)的。燃機運行過程中，每支熱電偶的B和C通道測量值與燃機出口溫度平均值比較，當結(jié)果超過限值后，系統(tǒng)將發(fā)出報警或者保護跳閘。燃氣輪機運行工況復雜，并且各個運行階段存在較大差異，因此燃機排氣溫度場的分布非常不規(guī)則，各限制值針對性加入動態(tài)愛偏差。

3 燃氣輪機排氣溫度監(jiān)視與保護功能運行案例

為直觀說明燃氣輪機排氣溫度監(jiān)視保護功能運用方法，提升數(shù)據(jù)分析和故障響應(yīng)能力，引入某電廠運行案例輔助論述，該廠裝配三臺SGT5-4000F燃氣輪機，從2020年6月開始，三臺設(shè)備相繼出現(xiàn)排氣溫度異常問題，冷熱點均超出了設(shè)定限值參數(shù)，最高達到了54℃，控制系統(tǒng)頻繁報警，機組因為冷熱點引起燃燒不穩(wěn)定，進而導致機組降負荷事件。咨詢廠商技術(shù)人員之后，將跳機值升至70℃，并對24個熱電偶元件參數(shù)進行分析比較，發(fā)現(xiàn)負荷達到120MW時，這種偏差可以達到56℃，遠超出偏差保護上限。

3.1 故障定位及分析

對該問題進行深度排查分析，發(fā)現(xiàn)無論是啟停階段，還是正常負荷階段，目標燃氣機均存在冷熱點偏差分布問題，難以通過參數(shù)調(diào)整來排除，現(xiàn)場調(diào)查后初步考慮燃燒器堵塞的可能，基于此對3號燃氣輪機開展內(nèi)窺鏡檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預混燃燒器硬件損傷較為明顯，多處可見結(jié)垢、結(jié)焦，伴隨輕微銹蝕，在燃燒器壓縮空氣流量測試中，發(fā)現(xiàn)值班燃燒器整體狀況較好，但預混燃燒器偏差過大，多個節(jié)點出現(xiàn)了偏差超限問題，對流量測試值進行分析后，發(fā)現(xiàn)平均值為1.878cm2，最小值為1.431cm2，相比較之下，新燃燒器流量測定值大約為2.3cm2，整體差異較大。在此基礎(chǔ)上對一、二號機展開同樣的檢查、測試工作，均發(fā)現(xiàn)了結(jié)垢情況，據(jù)此確認燃燒器堵塞是冷熱點不均的重要誘因。

3.2 故障成因探究

對結(jié)垢成因進行探究，發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備為連續(xù)運行、部分則為調(diào)峰運行方式，因此不能簡單將之歸結(jié)為長時間停機，且SGT5-4000F燃氣輪機中，裝配了精細濾網(wǎng)構(gòu)件，設(shè)備中的精過濾器、ESV閥狀態(tài)也并無異常，據(jù)此推斷，堵塞物質(zhì)并非外力帶入，而是內(nèi)部自發(fā)燃燒產(chǎn)生。對堵塞物進行取樣化驗，發(fā)現(xiàn)其中硫化鐵占比較高，已有的氣源報告中，顯示硫化氫含量在10ppm以下，且總硫在20ppm以下，基本符合設(shè)備燃料要求。對預混燃燒器噴口進行檢測，發(fā)現(xiàn)其噴口部分中，采用了鎳基高溫合金，其中鉻、鎳的含量明確，分別為17.09%和75.04%，對環(huán)形腔室內(nèi)部檢測后，定位為碳鋼，而結(jié)垢物檢測中多數(shù)成分為氧化皮，據(jù)此可以推斷，是腔室材質(zhì)與燃燒模式不適配，加劇了燃氣輪機內(nèi)部腐蝕進程，進一步導致了堵塞問題的發(fā)生。至于氧化皮脫落的具體原因，可以歸結(jié)為以下三點。

一是組件材質(zhì)配備不當?？赡茉诟邷貐^(qū)域以外的部分，配備了抗氧化性能較差的材料；二是機組養(yǎng)護不當。調(diào)峰運行環(huán)節(jié)部分機組長時間停機，控制閥內(nèi)部殘留天然氣未排泄干凈，溫度下降后凝結(jié)生成水分子，并誘發(fā)銹蝕問題。三是天然氣成分影響。氣源中殘留有微量硫元素，燃氣輪機運行環(huán)節(jié)，設(shè)備進入高溫狀態(tài)，與硫元素配合加劇裝置腐蝕。

3.3 故障處理及成果驗收

確定故障類型、成因之后，采用超聲波清洗方式，對三臺SGT5-4000F燃氣輪機展開系統(tǒng)化的故障處理和清潔，先啟動加熱爐開關(guān)，預熱至430℃左右停止，待其自然冷卻到室溫后，用壓縮空氣簡單吹掃，隨后開展檸檬酸池超聲波清洗，按照規(guī)定流程執(zhí)行清潔操作，完成后依次開展水洗、鈍化處理和干燥工序，最后再次進行內(nèi)窺鏡檢查，并手動清理剩余的殘留附著物，流量測試合格方可驗收。為防止后續(xù)運行過程中，再次出現(xiàn)類似的堵塞問題，制定了系統(tǒng)的保養(yǎng)、改善措施，錯峰運行環(huán)節(jié)，要求對停機時間較長的設(shè)備進行干燥養(yǎng)護，確保進口空氣濕度始終處于較低水準，設(shè)備停機后，采用氮氣置換技術(shù)，對預混管道、值班管道進行養(yǎng)護，排出其中殘余的天然氣。對于ESV閥前天然氣管道，則要加強疏水管控，防止水分隨氣流涌入，同時強化對排煙溫度的監(jiān)視，出現(xiàn)冷熱點分布不均、差異擴大等情況時，及時開展內(nèi)窺鏡探測及異物清理工作。

4 結(jié)論

綜上所述，燃氣輪機排氣溫度監(jiān)視及保護功能適配度高、時效性強，能夠較好地適應(yīng)固定工況、變工況下的燃氣輪機安全運行和控制需求，為企業(yè)生產(chǎn)的平穩(wěn)運行提供助力。