西門子F級燃機熱懸掛的分析與處理

陳開勝

（江蘇鎮江燃氣熱電有限公司，鎮江 212028）

西門子F級燃機熱懸掛的分析與處理

陳開勝

（江蘇鎮江燃氣熱電有限公司，鎮江 212028）

熱懸掛是燃氣輪機在啟動過程中比較常見的一種故障。產生該故障的主要原因是燃氣輪機在啟動升速過程中，排煙溫度上升過快，導致與機組升速率不協調而造成壓氣機嚴重失速，即使再增加燃料量，也不能使機組正常升速。本文分析西門子SGT5-4000F（4+）型燃氣輪機在啟動過程中出現熱懸掛的原因，并根據原因逐步進行排除，最終解決熱懸掛問題。

燃氣輪機 熱懸掛 SGT5-4000F（4+） SFC IGV 排煙溫度

1　機組概況

江蘇某燃氣熱電公司安裝了2套F級燃氣—蒸汽聯合循環機組，采用一拖一分軸布置。其中，燃氣輪機采用的是西門子SGT5-4000F（4+）型燃機，燃機控制系統采用西門子成套提供的T3000系統。兩套聯合循環機組于2015年8月全部進入商業運行。由于帶有供熱，機組基本上處于連續運行，只在周末有調停機會。

本文介紹了兩臺機組經歷一次非停后再次啟動均出現熱懸掛的現象。為了解決這一問題，聯合各方力量分析、查找原因，多次修改邏輯參數，并啟動驗證，最終使機組啟動成功。

2　熱懸掛現象的產生

2015年11月某天，由于上游天然氣管網壓力波動下降，導致正在運行的兩臺聯合循環機組全部跳閘，跳閘前的參數如表1所示。

表1　機組跳閘前參數

兩套聯合循環機組跳閘后，天然氣管網壓力恢復正常，應省調要求重新準備啟動。在啟動過程中，兩臺燃機均出現熱懸掛現象：即燃機點火后，排煙溫度異常升高，轉速上升緩慢，最終排煙溫度達到允許的最高值，并進入OTC模式（溫控模式），此時值班火焰控制閥不再開啟，轉速不再上升，同時機組振動加大，最終導致啟動失敗。燃機出現熱懸掛現象時，各參數及其曲線情況見圖1。

圖1　熱懸掛時各參數曲線

3　產生熱懸掛的原因分析及對其的處理

燃機產生熱懸掛的最明顯現象，就是燃機在啟動過程中排煙溫度異常升高，還沒到達全速就提前進入OTC模式。分析該現象產生的原因，基本上有以下幾種。

3.1啟動裝置（SFC系統）異常

燃氣輪機的啟動必須要在外部啟動機的幫助下完成。啟動裝置驅動燃氣輪機的轉子從盤車轉速升到點火轉速，此時燃機透平所做的功還不能滿足自信帶動整個軸系轉動，因此需要啟動裝置繼續拖動轉子升速，以促使燃機達到并超過自持轉速。當燃機達到脫扣轉速時，啟動裝置退出運行，此后轉子在燃機透平多出的做功量的作用下升速到額定轉速。

西門子SGT5-4000F（4+）型燃氣輪機采用的是變頻啟動裝置（SFC系統），額定功率是4000kW，可以將燃氣輪機直接帶到15S-1以上。在啟動過程中，燃機轉速達到3S-1時進行點火；轉速達到35S-1時，SFC自動脫扣，退出運行；燃機由透平做功繼續帶動直至轉速達到50S-1（額定轉速）。

當啟動裝置出現異常時，燃機在達到脫扣轉速前升速緩慢或停滯。此時，燃機控制系統會增加燃料量來滿足升速率的要求。因此，燃燒溫度和排煙溫度會持續上漲，最后出現熱懸掛現象。某西門子F級燃機電廠出現過一次，啟動過程中SFC未到脫扣轉速就提前退出運行，造成熱懸掛。

本廠經過曲線查找發現，出現熱懸掛的幾次啟動過程中，SFC都是滿出力運行，直到啟動失敗后才退出。同時，進行交叉啟動實驗，即#1燃機用#2SFC系統啟動，同樣出現熱懸掛現象。

為了檢測SFC滿出力運行的能力有無減少，執行利用SFC直接將燃機轉子拖動到15S-1的實驗。經過比較，從盤車轉速上升到15S-1所用的時間和5月份調試時同樣情況所用的時間基本上一致，都在1分50秒左右，前后相差不到5秒。

所以，啟動裝置異常這個原因基本排除。

3.2啟動過程中燃燒溫度偏高

啟動過程中燃燒溫度偏高，導致排煙溫度升高，也是產生熱懸掛的重要原因之一，應對措施如下。

3.2.1檢查天然氣成分是否發生大的變化

出現熱懸掛時的天然氣與最近一次正常啟動時的天然氣成分情況，見表2。

表2　天然氣成分比較

經過比較發現，出現熱懸掛時和上一次正常啟動時的天然氣成分及低位熱值基本上差距不大。經過上海電氣廠家確認，此變化不足以影響到機組的啟動。

3.2.2檢查值班燃料閥在同樣開度下流過的天然氣量是否變大

開啟值班燃料閥，檢查值班燃料閥的實際開度正常，排除此原因。

3.2.3適當減小啟動過程中燃料閥的開度

燃機主控系統中，燃機啟動時燃料控制系統的變化速率如圖2所示。

圖2　燃機

原邏輯轉速在28.5S-1以內，燃料閥的控制速率為0.027，在28.5S-1～40S-1范圍內，燃料閥的控制速率為0.078，大于40S-1后，燃料閥的控制速率為0.045。

本廠出現熱懸掛的轉速基本上在28S-1以內，西門子廠家給出此轉速下的控制速率推薦值為0.02。隨后，熱控人員將此速率由0.027分兩次改為0.023和0.02，并再次分別啟動兩次。但是，機組進入溫控的時間只推遲了約1S-1左右，因此熱懸掛問題依然沒有解決。

3.3啟動過程中壓氣機的空氣量偏小

啟動過程中壓氣機的空氣量偏小，一方面使壓比降低，從而降低燃燒室的壓力，使透平的做功能力減小；另一方面，降低了冷卻空氣量，使排煙溫度增大。經過曲線比較發現，兩臺燃機的壓氣機出口壓力，在發生熱懸掛時與以前正常啟動時在各階段的同轉速下都偏小。下面將排除壓氣機空氣流量偏小的原因。

3.3.1壓氣機進氣濾網堵

壓氣機進氣濾網在機組跳閘前的壓差為0.316kPa。其中，粗濾壓差0.081kPa，精濾壓差0.14kPa，均在正常范圍內。就地檢查進氣濾網，空間內無雜物，粗濾和精濾均無異常，排除此原因。

3.3.2壓氣機防喘放氣閥未全開，燃機冷風閥未全開

就地檢查四個防喘放氣閥和冷風閥均在全開位，熱控人員強制活動閥門均開關正常，反饋正常，排除此原因。

3.3.3壓氣機入口IGV角度檢查

在燃機的啟動過程中，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，將會影響燃機的進氣量。為此，將燃機盤車停運，進入壓氣機進氣小室，在IGV全關和全開時，測量IGV的實際角度，全關時4.5°，全開時57.5°，和調試期間的數據一樣，排除此原因。

3.3.4壓氣機葉片清潔度檢查

檢查發現，壓氣機進口可轉導葉有一層油污，這和電廠所在位置的空氣環境有關。#1燃機上一次（11月18日）啟動時有進行離線水洗，至跳機時共連續運行220小時。西門子說明書上規定，燃機連續運行350小時建議離線水洗一次。經過燃機廠家人員確認，此油污有影響，但還不足以引起燃機熱懸掛。

3.3.5啟動升速過程中的IGV角度偏小

壓氣機進口可調導葉（IGV）的作用是：

（1）在機組的啟動、停機過程中，改變進氣角度，防止壓氣機喘振。

（2）在機組的啟動過程中，關小IGV，降低壓氣機耗功，有利于機組啟動。

（3）在燃氣輪機聯合循環機組的運行中，通過調節進口可轉導葉的開度，調節燃機輪機的排氣溫度，實現IGV溫度控制，以滿足聯合循環變工況時余熱鍋爐的溫度要求，從而提高聯合循環機組變工況的經濟性。

（4）在單軸聯合循環機組的啟動、停機過程中，通過調節進口可轉導葉的開度，調節燃機輪機的排氣溫度，實現燃機排氣溫度與蒸汽輪機汽缸溫度的匹配。

進口可轉導葉調節排煙溫度工作原理：當入口導葉打開時，通過燃燒機的空氣量增加；當其關閉時，空氣量減少。在燃料流量固定時，則導葉開啟時，透平出口（排氣）溫度就下降，反之亦然。如果燃料和空氣的流量同時增加或減少，就可以維持恒定的透平出口溫度。因為在此情況下，燃料—空氣比率可以保持為幾乎恒定。

西門子SGT5-4000F（4+）型燃機，其IGV角度用百分數代表開度，啟動曲線見圖3所示，各階段IGV角度則見表3。為了降低排煙溫度，在得到燃機廠家允許的情況下，將啟動到47.5S-1階段IGV基準角度由原來的-8.57%調大到-5.57%。

表3　各階段IGV角度

再次啟動，從點火到50S-1排煙溫度一直保持在400℃以下，熱懸掛問題得以解決。

4　結語

通過對此次熱懸掛故障的分析，筆者認為燃機廠家在調試IGV時所設定的基準角度偏小，導致壓氣機的運行工況離壓氣機的喘振邊界裕度過小。由于當時是新機組，葉片很新，機組調試過程并沒有發現問題。但是，機組運行一段時間后，壓氣機的葉片開始變臟，特別是前幾級，因此減少了壓氣機的進氣量，使壓氣機更接近于喘振邊界，降低壓氣機的效率，從而導致熱懸掛的產生。因此，我們要不斷積累經驗，準確判斷故障原因，并指明方向，才能為機組的安全運行提供保障。

[1]清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司.燃氣輪機與燃氣—蒸汽聯合循環裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]江蘇國信協聯燃氣熱電有限公司.SCC5-4000F（4+）燃氣—蒸汽聯合循環發電機組[S].集控運行規程，2015.

[3]上海電氣集團股份有限公司燃機部.SGT5-4000F燃氣輪機運行維護手冊[S].2015.

Siemens F-class Gas Turbine Thermal Analysis and Processing Suspension

CHEN Kaisheng
(Jiangsu Zhenjiang Gas Cogeneration Co., Ltd., Zhenjiang 212028)

The gas turbine hot suspension is more important during the startup process a failure, mainly due to the gas turbine start raising speed process, the exhaust gas temperature rise is too fast, with the unit liter rate disharmony caused severe compressor stall, even if an additional amount of fuel, nor can the unit normal increases the speed. This paper analyzes the reasons for Siemens SGT5-4000F (4+) Gas Turbine appear during the startup process heat hanging, and gradually excluded according to reason, and finally to heat the suspension issue is resolved.

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