M251S型燃氣輪機出力不足故障分析及處理

張雪靜（天津天鐵冶金集團有限公司動力廠，河北涉縣056404）

0 引言

2017年，天鐵CCPP項目建設完成后，淘汰了部分老舊、效率低下的混燒鍋爐，極大地提高了煤氣利用效率，進一步挖掘天鐵的生產潛力，創造了更大的經濟效益，總體優化了全廠能源結構。燃氣輪機工藝系統的特點，決定了燃氣輪機主要部件始終運行在高轉速、高溫、高壓的環境中。為了保證各部件能夠安全穩定運行，要求燃機的控制系統能夠及時切換到相應的控制模式并介入控制，保證處于最惡劣工況下的部件也能夠在安全邊界內運行。因此，一旦測量儀表出現誤差，將導致控制模式選擇出現偏差，致使燃機出力無法達到額定值，影響整體聯合循環熱效率，甚至造成燃氣輪機部件損壞。

1 燃機控制模式的選擇

燃機控制模式選擇基于最小值選擇（見圖1）確定由那種方式對機組進行控制，并輸出控制信號（CSO）。最小門選擇控制信號輸出，通過調節燃料流量控制閥，防止過度燃燒。同時控制型號輸出也會限制到一個對于無負荷燃燒運行時必須的最小值，因為這樣控制，燃燒室火焰不會由于負荷瞬間變化而發生熄火現象。在升速過程中，低限制功能是被抑制的，因為從較低轉速升速過程中需要增加額定轉速對應的最低燃料流量。

1.1 燃料限制控制（FLCSO）

燃料限制控制模式通過燃燒室外殼壓力和在加速限制內的透平轉速所構成的函數，來計算啟動控制指令信號，并通過流量調節閥A、B來調節進入燃燒室的燃料流量，從而控制燃機升速速率。

1.2 轉速控制模式（GVCSO）

轉速控制用于并網時，并在并網后，當轉速下降時，調節發電機輸出控制。在額定轉速和空載情況下，轉速基準可以通過控制來自自動同步系統（ASS）或來自操作員站（OPS）的手動指令的信號進行改變。當在負荷條件下選擇GOVERNOR時，轉速控制將調節透平轉速。

圖1 燃機控信號最小值選擇

1.3 負荷控制模式（LDCSO）

負荷信號控制輸出是比例和積分控制計算的結果，其輸入信號為實際燃機發電機輸出的和負荷基準值之間的差值。此外，當選擇速度控制模式時，負荷控制型號輸出LDCSO跟蹤燃料CSO的總和并加上一點偏差，以實現偏差控制下的負荷限定。

1.4 溫度控制模式（BPCSO/EXCSO）

溫度控制的目的是為了防止在透平入口的溫度過高，損傷燃機透平熱部件。熱電偶測量葉片通道溫度（BPT），葉片通道溫度是緊貼透平末級葉片后的排氣溫度，M251S型安裝有8支熱電偶。并在排氣段安裝有4支熱電偶測量排氣溫度（EXT）。排氣溫度基準是通過燃燒室外殼壓力函數來確定的，通過排氣溫度基準加上一點偏差來確定葉片通道溫度基準點；排氣溫度基準點與是實際排氣溫度平均值比較，葉片通道溫度基準點與實際葉片通道溫度平均值比較。當這些信號的偏差為正值是，比例積分控制器輸出信號（BPCSO和EXCSO）通過跟蹤燃料CSO的總和加上一點偏差量，來阻止過度積分或積分終止。當偏差為負值時，比例積分控制器輸出信號將減少燃燒CSO，直到出現正偏差。

1.5 煤壓機防喘振控制（DCSO）

當煤壓機出口壓力過度上升時，DCSO控制信號將接管燃機的控制，煤氣旁通控制閥（C）和煤壓機可變導葉動作，以避免煤壓機發生喘振現象。

2 故障現象

2017年8月，燃氣輪機出現負荷無法加載到額定負荷（27.7 MW）的情況（見表1）。經檢查，當時大氣溫度平均27℃，煤氣熱值設定為自動控制模式，熱值儀顯示實測熱值平均3 050 kJ/m3，燃機控制模式由負荷控制模式（LDCSO）轉入排氣溫度控制模式（EXCSO）。由于天鐵CCPP機組屬于新投運機組，在對比7月份同期數據可以發現，燃氣輪機過早進入了排氣溫度控模式，一旦排氣溫度控制信號接管燃機控制，則無論負荷是否達到設定值，燃機都將無法增加負荷。

燃機負荷及相關參數對比見表1。

從對比結果來看，7月份在大氣溫度達26.8℃、煤氣熱值均為自動控制（控制值為：3 040 kJ/Nm3），燃機仍然可以加載到額定負荷27.7 MW。由此可以推斷，由于燃機過早進入溫度控制，限制了CSO輸出，造成負荷不能加載到額定值。

表1 燃機負荷及相關參數

3 故障分析

燃氣輪機通過煤壓機壓縮高爐煤氣，與經過空壓機壓縮的空氣在燃燒器內混合燃燒并透平做功。同時，通過燃燒式熱值儀表對高爐煤氣的熱值進行連續測量，以實現對進入燃燒室內的燃料熱值進行控制，進而控制透平溫度，以達到保護熱部件的目的。因此，燃氣輪機不能加載到額定負荷的故障，可能是由于煤壓機、空壓機、熱值儀的異常造成。

3.1 煤壓機異常分析

煤壓機效率計算公式如下：

式中，T1為煤壓機進口溫度；T2煤壓機出口溫度；K為計算常數，取值為1.4；p1為煤壓機進口壓力；p2為煤壓機出口壓力；e為煤壓機壓比。溫度為熱力學溫標、壓力為絕對壓力。

煤壓機數據對比見表2。

表2 煤壓機相關參數

經對比可發現，煤壓機出力沒有明顯變化。燃機控制系統可實時對煤壓機效率進行實時測算，并與對應的VV閥開度所計算的理論效率進行對比，如果偏差超過0.1%,控制系統即可發出效率低報警。2017年8月21日,燃機控制系統并沒有觸發煤壓機效率低報警。同時，運行人員為了確保煤壓機出力在最佳狀態，于2017年8月23日對煤壓機進行了兩次果殼清洗，但燃機出力沒有明顯改善。因此，可以判斷燃機不能正常加載至額定負荷的原因不是煤壓機工作異常。

3.2 空壓機異常分析

式中，T1為空壓機進口溫度（大氣溫度）；T2為空壓機出口溫度（TCA冷卻器進口溫度）；K為計算常數，取值為1.4；P1為空壓機進口壓力；P2為空壓機出口壓力；e為空壓機壓比。溫度為熱力學溫標、壓力為絕對壓力。

燃機空壓機數據對比見表3。

表3 空壓機相關參數

由于空壓機出力將影響到燃機燃空比，進而影響到燃燒溫度及透平熱效率。經過對空壓機數據分析及效率計算可看出，空壓機出力無明顯下降，效率也維持在較高狀態。同時，空氣過濾器進口差壓保持在-1 000 Pa允許值以內。為了排除空壓機效率問題，運行人員于2017年8月22日，對空壓機進行了3次在線水洗，然而清洗完成后，燃機負荷狀況沒有改善，綜合計效率計算數值與控制數據，可以排除空壓機異常原因。

3.3 熱值儀異常分析

煤氣用量數據對比見表4。

由于燃機熱值控制室基于熱值儀對于煤氣熱值的準確測量。如果測量值偏高，將觸發燃機減熱值控制，對煤氣中摻混入氮氣，造成煤氣熱值比燃機控熱值偏低；如果測量值偏低，將觸發燃機增熱值控制，對煤氣中摻混入焦爐煤氣，造成煤氣熱值比燃機控制熱值偏高。熱值偏低的情況下，將造成煤氣需求量偏大，當煤氣用量超過煤壓機出力范圍時，將造成燃機負荷不能加載到額定負荷。通過數據對比可以發現，2017年8月21日燃氣輪機煤氣煤氣用量偏低，燃機煤氣流量并未達到煤壓機出力極限，所以可以排除煤氣熱值低的因素；熱值偏高的情況下，將造成煤氣需求量減小，同時由于煤氣熱值高，其燃燒溫度就會偏高，有可能造成透平溫度高，觸發燃機溫度保護，過早進入溫度控制模式。2017年8月24日，儀控人員對熱值儀進行了兩次在線效驗，效驗結果表明：熱值儀測量值比零點標準氣體熱值高70 kJ/Nm3；比量程效驗標準氣體熱值高50 kJ/Nm。發現熱值儀異常后，經過對熱值儀進行校準，投入運行后，控制模式轉入負荷控制模式，燃汽輪機控制信號輸出增加，燃氣輪機負荷加載至額定值27.7 MW，故障排除。經測算故障排除后，燃機平均每小時提高負荷1 500 kW/h，每個月提升經濟效益超過50萬元。

表4 煤氣流量及旁通閥開度

1 500 kW·h指每小時提高燃氣輪機發電機功率；24 h指每天按照24小時計算；0.5元指電價按照0.5元的平均電價核算。

4 熱值儀異常原因分析

事后經分析，認為造成熱值儀異常的原因有以下幾點：

2017年8月21日，開機前熱值儀效驗過程可能存在零點及量程效驗不準確的情況，造成熱值儀測量值存在偏差。

經檢查發現，熱值儀校驗用標準氣體已經超過保質期，可能造成標準氣體成分發生變化，從而影響了熱值儀效驗準確性。

運行中還發現，一旦熱值儀采樣氣體熱值超過熱值儀的量程，就會造成熱值儀表量程的偏移，給后續測量造成誤差。

5 結束語

M251S型燃氣輪機一鍵啟動及全自動控制的特點，決定了燃氣輪機控制特別依賴于儀表精確度及控制執行機構的精準度，一旦測量值不準確或者執行機構輸出精度不良，就會造成燃氣輪機控制信號產生偏差，有可能造成機組故障保護跳機，甚至設備損壞。因此，燃氣輪機的日常維護就顯得尤為重要，只有通過日常細致的點檢和精心的維護才能保證燃氣輪機穩定運行，創造較好的經濟效益。