某6B燃氣輪機熱懸掛的分析與解決

戴初成

(琥珀能源有限公司，杭州 310013)

1 故障簡介

琥珀能源有限公司下屬德能廠的機組為南京汽輪電機(集團)有限責(zé)任公司配套生產(chǎn)的PG6581B型燃氣輪機，于2005年投產(chǎn)，2013年燃氣輪機進行了DLN改造。在改造之后的啟動過程中，由于適逢極端高溫天氣，當(dāng)燃氣輪機點火后，在較低的轉(zhuǎn)速時(48%TNH)，燃氣輪機即進入FSR溫度控制。燃氣輪機升速緩慢，使燃氣輪機啟動時間大大延長。嚴重時燃氣輪機在啟動電機脫扣轉(zhuǎn)速之前就停止升速，甚至轉(zhuǎn)速下降，最終只能停機。

為解決這一問題，我們分析了熱懸掛產(chǎn)生的原因，從各個角度入手，采取了修正點火FSR與暖機FSR參考值、修正計算P2壓力常數(shù)的參考值、適當(dāng)開大IGV的角度、調(diào)節(jié)液力變扭器的回油孔板大小等一系列措施，最終使機組恢復(fù)正常啟動。

2 熱懸掛原因分析

德能廠的燃氣輪機采用MARK V控制系統(tǒng)。其燃料行程基準主控系統(tǒng)有6個核心控制子系統(tǒng)，包括啟動控制系統(tǒng)輸出啟動燃料控制行程基準FSRSU，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速控制燃料行程基準FSRN，溫度控制系統(tǒng)輸出溫度控制燃料行程基準FSRT，加速控制系統(tǒng)輸出加速控制燃料行程基準FSRACC，停機控制系統(tǒng)輸出停機控制燃料行程基準FSRSD，手動控制系統(tǒng)輸出手動信號FSRMAN。任何時候這6個子系統(tǒng)各自都在運算和輸出，其運算出的基準量作為各自的分量進入，最小選擇門選出各個分量中的最小值作為輸出，此時，該子系統(tǒng)的分量即為當(dāng)前實際使用的FSR控制信號指令。

啟動控制方式控制燃氣輪機從點火到啟動程序完成這一過程。啟動時，F(xiàn)SRSU是最小值，在燃氣輪機點火、暖機結(jié)束后，F(xiàn)SRSU以一個較小的斜升速率(FSKSU_IA)緩慢增加，燃氣輪機的轉(zhuǎn)速隨之上升，此時燃氣輪機的排氣溫度TTXM也不斷增加，根據(jù)溫度控制燃料基準的算法(圖1)，F(xiàn)SRT會不斷減小。當(dāng)FSRT小于FSRSU成為最小值時，燃氣輪機進入溫度控制。當(dāng)燃氣輪機剛剛進入FSR溫控時，因為燃氣輪機轉(zhuǎn)速仍在上升，隨著空氣進氣量的增加，排氣溫度TTXM可能會有所降低，根據(jù)算法，F(xiàn)SRT會隨之增大，當(dāng)FSRT＞FSRSU時，燃氣輪機又會進入啟動控制。在這個階段，F(xiàn)SRSU和FSRT會交替成為最小值，燃氣輪機轉(zhuǎn)速仍會繼續(xù)上升。當(dāng)燃氣輪機轉(zhuǎn)速越升越慢，F(xiàn)SRSU隨著時間持續(xù)增加，F(xiàn)SR最終保持在溫度控制，不會再增加。

當(dāng)前的FSR，如果仍能使燃氣輪機轉(zhuǎn)速緩慢上升，那么將大大延長燃氣輪機的啟動時間。當(dāng)前的FSR，如果不足以使燃氣輪機升速，那么就會出現(xiàn)熱懸掛現(xiàn)象。在這種情況下，只能選擇停機。

圖1 溫控燃料基準FSRT

3 應(yīng)對措施

熱懸掛的原因，簡而言之，就是在啟動過程中燃氣輪機排煙溫度太高，溫度控制過早介入。而降低了啟動過程中的排煙溫度，也就解決了熱懸掛。

針對消除熱懸掛，采用的一系列方法是:

1)檢查核對IGV角度，并適當(dāng)調(diào)大最小基準值，以增加啟動過程中空氣的進氣量。

2)適當(dāng)修改點火FSR、暖機FSR、升速率常數(shù)及P2壓力計算常數(shù)，在保持機組可以繼續(xù)升速的情況下盡可能減小啟動過程時的FSR。

3)提升液力變扭器輸出力矩，使啟動電機能傳遞更多的扭矩給主軸。

3.1 調(diào)大IGV的最小基準角度

壓氣機進口可調(diào)導(dǎo)葉的作用是調(diào)節(jié)燃氣輪機進氣量，其目的有兩個:一是在啟機和停機過程中的一定階段通過將IGV角度保持在最小值(與CSKGVCS3參考值有關(guān))來限制進氣量，避免出現(xiàn)壓氣機喘振;二是實現(xiàn)IGV溫控，即在部分負荷時通過適當(dāng)關(guān)小IGV角度，維持燃氣輪機排氣溫度在一個較高的水平以保證整個聯(lián)合循環(huán)的效率。在燃氣輪機的啟動過程中，燃氣輪機轉(zhuǎn)速在78%TNH前(與CSKGVPS1參考值相關(guān))，IGV的角度一直保持在最小基準值。如果在這個階段開度有偏差，會影響燃氣輪機的進氣量。

為避免IGV開度的影響，我們實測了IGV的角度，對IGV重新進行了標(biāo)定。另外，我們將IGV的最小基準(CSKGVCS3)由34°改為35°，以這個方法來提高壓氣機的進氣量。

重新啟動后，進入溫控的時間推遲到了52%TNH，但是熱懸掛的問題沒有得到徹底解決。

3.2 修改控制程序的參數(shù)

主控系統(tǒng)中啟動燃料控制系統(tǒng)FSRSU的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 啟動控制的FSRSU曲線

MARK V控制系統(tǒng)以開環(huán)方式控制啟動過程中的FSR，在燃氣輪機啟動過程中，F(xiàn)SRSU算法要求既可使燃氣輪機升速，又可維持點火溫升比較緩和。為了點燃燃燒系統(tǒng)并提供燃燒室之間的聯(lián)焰，在點火火花塞打火時，啟動FSR階躍到點火值FSKSU_FI。當(dāng)燃氣輪機檢測到火焰后，F(xiàn)SRSU需下調(diào)到暖機值FSKSU_WU。在暖機計時器的持續(xù)時間內(nèi)，F(xiàn)SR保持在這個暖機值上，以減少在轉(zhuǎn)子上的熱應(yīng)力。當(dāng)暖機結(jié)束之后，F(xiàn)SRSU按預(yù)先設(shè)置的變化速率(FSKSU_IA)斜升，最高可能到加速設(shè)定基準(FSKSU_AR)。隨后以另一個預(yù)先設(shè)置的速率(FSKSU_IM)繼續(xù)斜升。第二個上升斜率是為了使啟動控制系統(tǒng)讓出對FSR的控制權(quán)。

根據(jù)啟動控制系統(tǒng) FSRSU的算法，要控制FSRSU，我們可以調(diào)整的參數(shù)有點火FSR基準、暖機FSR基準和斜升常數(shù)FSKSU_FI。

另外，進入燃燒室的天然氣量還與GCV的閥前壓力有關(guān)。而GCV閥前壓力是由速比閥(SRV)按燃氣輪機轉(zhuǎn)速(TNH)的倍數(shù)加預(yù)置值來控制的。

嘗試將點火FSR(FSKSU_FI)由15.5%降到12%，將暖機FSR(FSKSU_WU)由14%降到10%。重新啟動后，進入溫控的轉(zhuǎn)速提高到54%TNH。

接著修改了計算P2壓力的常數(shù)，修改了斜升常數(shù) FSKSU_IA(從0.05%/s改到0.04%/s)。但是，隨著燃料的減小，燃氣輪機的升速過程也減慢了。在啟動電機脫扣之前，仍舊進入了FSR溫控。

3.3 提升液力變扭器輸出力矩

液力變扭器將啟動機與燃氣輪機聯(lián)系起來，使得兩者的扭矩特性相匹配。在啟動過程中，啟動電機帶動泵輪旋轉(zhuǎn)對油液作功，使油獲得速度環(huán)量來沖擊渦輪，對渦輪作功，用來帶動燃氣輪機啟動。

油液高速循環(huán)流動，當(dāng)油液經(jīng)過導(dǎo)葉折轉(zhuǎn)后，以一定的入口角進入泵輪，在低轉(zhuǎn)速下可使輸出扭矩增大若干倍，在制動工況時扭矩最大。變扭器進口油壓稱為“基壓”，由節(jié)流孔板控制。變扭器供油泵油量隨轉(zhuǎn)速增加而增加。通過減小回油量，可以提升液力變扭器工作壓力，使液力變扭器傳輸扭矩更大，燃氣輪機的升速率增加，減少啟動時間。

在現(xiàn)場，我們測得液力變扭器基壓為0.37 MPa。根據(jù)說明書，液力變扭器基壓范圍在0.3～0.7 MPa之間。通過調(diào)節(jié)液力變扭器泄油電磁閥上的調(diào)節(jié)旋鈕，使液力變扭器基壓升到0.45 MPa。再次啟動，從點火到燃氣輪機升到50%轉(zhuǎn)速，花費的時間少了約1.5 min。燃氣輪機啟動時間縮短了，沒有進入FSR溫控。熱懸掛問題終于得以解決。

4 結(jié)語

在采取了上述一系列措施后，燃氣輪機啟動時間基本恢復(fù)正常。此前燃用重油的機組，由于一級噴嘴的結(jié)垢，對性能影響較大。在環(huán)境溫度較高時，往往會有啟動時間延長乃至出現(xiàn)熱懸掛的現(xiàn)象。當(dāng)前燃氣輪機大都采用天然氣作為燃料，機組發(fā)生熱懸掛的情況極少。因此，本文一些處理熱懸掛的經(jīng)驗，可供兄弟電廠參考。

［1］ 章素華.燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2013:210-234.

［2］南京汽輪電機(集團)有限責(zé)任公司.PG6581B燃氣輪發(fā)電機組使用維護說明書(電啟動)［R］.南京:南京汽輪電機(集團)有限責(zé)任公司，2008:20-25.