9FB燃氣輪機燃氣壓力低RB事件及RB速率分析

丁建軍，嚴 強

(廣東粵電新會發電有限公司，廣東 江門 529149)

某電廠2×453 MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組，燃氣輪機由GE公司生產，型號為PG9371FB，燃氣輪機由1臺18級的軸流式壓氣機、1套由18個低NOx燃燒器組成的燃燒系統、1臺3級透平和相關輔助系統組成。汽輪機由哈爾濱汽輪機廠制造，型號為LN150/C120-11.00/3.30/0.43/1.40，型式為三壓、再熱、三缸、沖動、抽凝式汽輪機。余熱鍋爐采用東方菱日鍋爐有限公司的三壓、再熱、自然循環、無補燃、臥式、MHDB-PG9371-Q1型余熱鍋爐。

本文對該電廠發生的一起因燃氣壓力低導致的快速減負荷(RUNBACK，簡稱RB)事件進行分析研究，針對此次RB事件，討論了燃氣輪機11種不同情況下的降負荷速率，并列出了所有RB的觸發條件，有助于更好的提高運行人員專業技能，提高機組的控制水平，確保事故發生時的處置效率及正確性。

1 燃氣系統簡介

天然氣由上游分輸站供至廠內，經調壓站過濾、分離和加熱及調壓后進入機組前置模塊，再經雙聯前置過濾器、性能加熱器、啟動電加熱器、過濾洗滌器、流量計和變送器最終送至燃氣小間內燃氣控制閥組。燃氣控制系統的作用是以適當的壓力和流量向燃燒室輸送燃料氣，以滿足燃氣輪機運行時啟動、帶負荷和停機的所有要求[1]。

燃料氣控制系統的主要由燃料氣截止閥(VS4-1)、燃料氣速比截止閥(VSR-1)、燃料氣放空閥(VS13-15)、燃料氣控制閥(VGC-1/2/3/4)、燃料氣壓力傳感器、燃料氣溫度傳感器等組成。天然氣系統流程示意圖如圖1所示。

圖1 天然氣系統流程示意圖

GE 9FB燃氣輪機燃氣控制系統中的速比閥(VSR-1)和燃氣控制閥(VGC-1/2/3/4)作用類似于三菱燃氣輪機的壓力控制閥和流量控制閥[2-3]，VGC閥是用來控制進入燃氣輪機的天然氣流量，其設計成超臨界流動，使得通過閥的天然氣流量與閥后背壓無關，同時其閥芯的特殊型線使通流面積的變化與閥門的開度成正比。機組正常運行中，VSR閥則保持VGC閥前的P2壓力在一個恒定值，同時其也兼作天然氣的截止閥[4]。

2 事故現象、原因分析及處理

2.1 事故現象

2018年12月02日21時20分，1號機組負荷300 MW，退出AGC，開始執行停機操作,其中P1壓力3.35 MPa，P2壓力2.95 MPa。21時26分34秒，燃氣輪機發電機降負荷至72 MW，汽輪機發電機滑參數降至99 MW，機組總負荷降至171 MW，P1壓力3.46 MPa，P2壓力2.95 MPa。21時27分38秒，燃氣輪機負荷69 MW，汽輪機繼續滑參數降至94 MW，P1壓力3.02 MPa，P2壓力2.85 MPa，MARK VIe控制系統報警窗口發出“P1 AND P2 MAX DECAY RATE EXCEED-RUNBACK(P1和P2最大衰減速率超限-RB)”、 “GAS FUEL SUPPLY PRESSURE LOW(燃氣供氣壓力低)”報警，燃氣輪機執行RB程序，自動降負荷停機，汽輪機跟隨滑參數降負荷。21時28分37秒，燃氣輪機降負荷至5 MW后正常逆功率解列，汽輪機負荷71 MW，打閘停機。

2.2 事故原因分析

造成此次燃氣輪機RB的直接原因是“P1和P2最大衰減速率超限”，根本原因是因為停機過程中，上游分輸站供我廠主/備用調壓線SSV閥同時誤關導致1號機組天然氣供應中斷。

通過查看邏輯，如圖2所示， P1和P2最大衰減速率必須均超限(LFPG1RTZ、LFPG2RTZ)才能觸發P1和P2最大衰減速率超限(LFPGRTZ)進而觸發燃氣輪機RB至全速空載(L70L_AUX)。

圖2 燃氣輪機RB邏輯框圖

查閱歷史數據曲線圖3得知，21時26分39秒，P1最大衰減速率先達超限動作，VSR閥開度為40.79%，由于P1壓力持續下降，為維持P2壓力恒定，VSR閥開度增加至52.17%，但VSR閥開大速率比P1壓力下降速率慢，最終P2最大衰減速率也達到了超限值，進而觸發燃氣輪機RB。

圖3 停機過程中歷史數據

與上游分輸站協調及檢查后，對分輸站SSV閥切斷原因分析如下：一是因調壓閥、指揮器和穩壓器老舊，導致閥門調節滯后；二是燃氣輪機在啟、停機過程天然氣流量波動較大；三是冰堵和穩壓過濾器堵塞都可能會導致調壓失效；四是廠內調壓站與上游分輸站聯絡管線較短，各調壓閥設定值間隔較小，導致壓力調節失穩出現異常波動；五是安全切斷閥的連鎖機構是機械式，易受管道振動影響。

2.3 處理

針對以上情況，進行了如下處理措施：一是重新設定了調壓撬各閥壓力，主路的安全切斷閥、監控調壓閥、工作調壓閥依次設定為4.2/3.95/3.7 MPa，備用路的各閥依次設定為4.4/3.95/3.6 MPa；二是定期對調壓設備維保檢修，及時更換配件；三是加強日常數據監控，確保及時發現調壓撬冰堵和穩壓過濾器臟污情況。

3 燃氣輪機RB速率分析討論

3.1 RB簡介

燃氣輪機電廠由于機組特性的不同，RB功能和常規火電機組有明顯差別。煤機機組RB發生后，控制策略主要由CCS方式切至鍋爐輸入控制方式(或汽輪機跟隨方式)，鍋爐主控處于手動狀態，汽輪機主控自動切至壓力控制模式，機組處于滑壓運行狀態，鍋爐主控切為手動，燃料主控自動維持RB目標負荷對應的燃料量。煤機因主要輔機故障跳閘而RB主要有磨煤機、送風機、引風機、一次風機、給水泵、空氣預熱器等[5]，根據不同的故障輔機導致的RB，采用不同的RB速率[6]。

對于燃氣機組，由于沒有煤機相對復雜的鍋爐系統，只有簡單的余熱鍋爐，機組負荷主要通過燃氣輪機系統調節燃料量適應負荷變化。燃氣輪機RB主要分為外部RB和內部RB兩種。外部RB是指由DCS 經過判斷條件后，發至燃氣輪機進行RB，內部RB是指燃氣輪機自身判斷條件后觸發RB。不同廠家的燃氣輪機，其RB速率不同，三菱M701F型RB速率包括20 MW/min(正常)和300 MW/min(快速)兩種[7]；因西門子V94.3A型燃氣輪機資料有限，未在相關文獻中查到其RB信息。

本次燃氣輪機因P1和P2最大衰減速率超限發生RB后，燃氣輪機負荷從69 MW降至5 MW，用時59秒，降負荷速率約為64 MW/Min，比機組正常停機降負荷速率要快很多。MARK VIe邏輯由于其復雜性及保密性往往成為運行人員的專業短板，為了解GE燃氣輪機更多關于快速降負荷的觸發條件，更好的提高運行人員專業技能，提高機組的控制水平，確保事故發生時的處置效率及正確性，特查閱熱控相關控制邏輯。

3.2 燃氣輪機燃料控制

燃氣輪機的轉速控制有兩種方式，有差轉速控制(Doop Speed)和無差轉速控制(Isoch Speed)。當燃氣輪機用作帶動發電機時，選用有差控制方式。

燃氣輪機負荷變化是通過當前實際輸出燃料沖程基準(FSR)的變化體現的，FSR的變化正比于轉速控制基準(TNR)與實際轉速基準(TNH)之差，即△FSR∝(TNR-TNH)[8-9]。若燃氣輪機未并網，則TNH隨燃氣輪機轉速變化而變化；若燃氣輪機在并網狀態下，TNH保持不變，燃氣輪機出力大小實際由TNR決定，而TNR的值最終通過轉速控制基準邏輯塊(TNRV1)計算得知，如圖4所示。Z-1與加法器組成數字積分器，L83JDn(0-11)決定了升降速率常數TNKR1_n的某個值，也就是通過不同的邏輯選擇了不同的積分速率常數。L70R和L70L決定了積分的方向，L70R=1且L70L=0時，積分值上升，TNR增加； L70L=1時，積分值下降，TNR減??；L70R=0且L70L=0時，積分中止，TNR保持不變。

圖4 TNRV1轉速控制基準邏輯

3.3 速率分析

升降速率常數TNKR1_n為固定值，如表1所示，L83JDn(0-11)決定了選擇哪個常數，針對不同的情況，對應不同的負荷速率，也就是通過不同的邏輯選擇了不同的積分速率常數，而最終反映在輸出不同的TNR值。

表1 轉速基準TNR變化率

單位時間內燃氣輪機負荷變化量，計算公式如下：

(1)

式中：ΔQ為燃氣輪機每分鐘負荷變化量；TNKRX為燃料基準變化率；DWKDG為負荷與轉速指令的增益系數，固定值0.014%/MW(轉速不等率(3.99%)=DWKDG*BASE(285 MW))。

通過公式1可計算不同速率常數下對應的負荷速率如表2所示，得知不同的觸發條件下，燃氣輪機會以不同的速率降負荷。

3.4 RB觸發條件

由圖2可知，RUNG_36邏輯快中有9種可以觸發燃氣輪機RB至全速空載的情況，詳細說明見表3。

表2 TNKR1_n對應下的負荷速率

表3 9種觸發燃氣輪機RB至全速空載情況

4 結論

燃氣-蒸汽聯合循環機組由于主要設備故障造成機組實發功率受到限制時，為適應設備出力，控制系統強制將機組負荷減到尚在運行的設備所能承受的負荷目標值。若故障嚴重時，燃氣輪機快速降負荷仍不能維持機組運行，則機組發自動停機指令自動停機。

燃氣輪機在轉速/負荷控制模式下，其負荷變化的速率受控于TNR的變化速率，TNR的變化速率是控制程序預先設定好的固定值。通過分析由于上游分輸站中斷供氣造成的一起燃氣輪機RB事件，展開討論了不同觸發條件下燃氣輪機不同的降負荷速率，并列舉了所有RB條件，論證了實際RB速率和理論降負荷速率的一致性。