M251S 型燃氣輪機功率急降故障分析與處理

張雪靜

（天津天鐵冶金集團有限公司動力廠，河北056404）

0 引言

新天鐵公司50 MW 級燃氣蒸汽聯合循環發電站（簡稱CCPP）采用了三菱技術制造的M251S 型燃氣輪機，屬于回收利用低熱值高爐煤氣，高效進行清潔能源生產的工程項目。2019 年3 月21 日，該機組開機以來，熱效率達到40%，發電量約占新鐵公司總發電量的40%以上，并且實現超低排放，給公司帶來了良好的經濟效益、社會效益和環保效益。然而，今年3—4 月份，該機組連續3 次出現“功率急降跳機”的故障。運行人員為維持機組運行，被迫人為降低了機組負荷，負荷率因此下降了30%，每小時少發電約105 kW·h，并造成了高爐煤汽大量放散。

1 故障情況

2019 年3 月27 日、4 月24 日、4 月27 日，燃氣輪機正常運行過程中連續三次觸發“GEN POWER RAPID DROP ON”（燃機功率急降跳機）故障跳機。燃機跳機后瞬間切斷約了13 萬標準立方米的煤氣用量，煤氣管網無法短時間內實現壓力平衡，造成了煤氣壓力升高，煤氣管網三管放散被迫開始對煤氣進行放散。正常情況下，燃氣輪機輸出功率與控制信號CSO 數值成正比例關系。然而，在分析了3次跳機CVS 數據及歷史曲線后發現，燃機出現功率急降跳機過程中，首先出現了燃機轉速下降、燃氣輪機輸出功率下降，隨后控制系統為了維持目標功率值，不斷提高控制信號CSO 數值，但仍不能阻止燃氣輪機功率、轉速快速下降的趨勢。當燃氣輪機GTC 控制系統監測到燃氣輪機修正功率（GEN POWER OUTPUT（CORRECT））與發電機實際輸出功率（GEN OUTPUT（ACTLD））之間的差值小于-5MW 時，燃氣輪機控制系統就會判定機組工作異常，并觸發“功率急降”保護跳機命令（見表1）。由于每次燃機后跳機后都需要1 h 冷卻時間，再次實現燃氣輪機和蒸汽輪機并網帶至少需要3 h。這樣就造成了大量煤氣放散，不但污染了環境，還造成了約15×105kW·h 的電量損失，直接經濟損失達到約10 萬元。而且，由于頻繁發生跳機故障，造成運行人員不能根據煤氣壓力及時提高負荷，只能持續低負荷運行，每小時損失約105kW·h 電量，每個月將造成7 百多萬kW·h 電量損失，給企業帶來了很大的經濟損失。與此同時，燃機跳機后由于熱部件快速冷卻，產生很大的熱應力，大幅降低了熱部件的使用壽命。

表1 燃機率急降跳機跳機過程（以2019-04-27 跳機數據為例）

2 故障分析

燃氣輪機正常運行狀態下，經過空氣壓機壓縮的空氣與經過煤氣壓縮機升壓的煤氣在燃燒器內混合燃燒，產生的高溫煙氣推動燃機透平部分做功后，排入余熱鍋爐部分繼續換熱產生蒸汽并推動汽輪機做功。燃機透平部分輸出軸功率一部分用于用于帶動空壓機、煤壓機做功維持系統連續運行；另一部分則通過主齒輪箱減速后帶動發電機產生電能。因此，根據能量守恒定律，如果忽略能量損失，可以將燃氣輪機能量守恒公式簡化為：

透平總功=發電機輸出功＋壓氣機耗功＋煤壓機耗功

發電機出口功率快速下降，有4 種可能：第一種是透平總功突降；第二種是發電機故障或功率測量儀表故障；第三種是壓氣機耗功快速增；第四種是煤壓機耗功快速增加。

2.1 透平總功異常分析

M251S 燃氣輪機可用熱值范圍為2 890～3 770 kJ/Nm3，該型燃氣輪機采用的是取樣燃燒式熱值儀來對燃料熱值進行測量，并通過調節減熱值氮氣調節閥及增熱值焦爐煤氣調節閥的開度來調整高爐煤氣熱值。由于燃燒式熱值固有的測量延時特性（約2 min），造成對燃料熱值調節存在一定滯后，這就造成了煤氣熱值調節存在滯后性。如果管網煤氣熱值突降，就有可能造成燃燒溫度突降，進而造成透平初溫突降，透平總功必然就會快速下降。由于根據運行經驗，大部分熱值波動的原因都是因燃料熱值波動引起的，所以在發生跳機故障后，首先對燃料熱值數據進行了分析（見表2）。

2.2 發電機及功率測量儀表異常分析

2019 年4 月27 日0 點17 分發生跳機后，通過對前后燃料熱值數據進行分析可以發現，熱值基本穩定在3 400 kJ/Nm3（如圖1），基本排除燃料熱值波動造成了透平總功波動可能。而且，跳機前后燃氣輪機透平部分各軸瓦振和燃燒器振動均維持在較低水平，排除了透平熱部件損壞造成透平輸出功率快速下降的可能。綜合以上原因，可以排除因透平總功快速下降造成燃機發電機功率急降的可能。

2.3 發電機故障及功率測量儀表故障分析

表2 燃料熱值表及折線圖

連續發生功率急降故障后，為排除發電機故障，電氣人員分別對燃機發電機出口PT 及CT 進行了檢查，同時對發電機出口功率表進行了效驗，對發電機勵磁回路及現場勵磁碳刷進行了細致檢查。結果均表明電氣回路正常，無故障；儀表維護人員對燃機控制柜功率變送器進行了檢查，也未發現異常。同時，維護人員通過查看歷史記錄，對比了發電機出口聯絡線功率表，發現兩塊功率表均顯示發電機出口功率快速下降。結合燃機功率急降跳機時，燃機轉速下降的現象，可以徹底排除因發電機功率測量回路測量偏差，造成燃機跳機故障的情況。

圖1 燃料熱值變化圖

2.4 壓氣機工作異常分析

燃機壓氣機屬于燃氣輪機系統重要部件，承擔為燃燒系統提供助燃壓縮空氣的任務，壓氣機耗功約占燃機透平總功的1/3 以上。因此，一旦壓縮機工作異常或出現失速工況，那么壓氣機就會喘振的風險，并伴隨軸功率大幅波動，耗功增加的工況。在透平總功近似不變的情況下，可直接造成發電機側輸出功率迅速下降。為排除壓氣機異常的因素，需要對壓氣機工作效率進行驗證。

式中，T2為空壓機進口溫度（大氣溫度）；T1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。

空壓機相關參數見表3。

表3 空壓機相關參數

經過對空壓機數據分析可以發現，空氣過濾器進口差壓保持在-1 000 Pa 允許值以內，空壓機效率維持在86%以上的高效區間。同時，在運行中也未發現空壓機存在異常振動及異響的問題。綜合運行數據記錄及效率計算數值，可以排除空壓機異常。

2.5 煤壓機工作異常分析

M251S 型燃氣輪機煤壓機為軸流形式，由燃機透平部分通過主齒輪箱驅動，為燃燒系統提供壓縮后的高爐煤氣。由于高爐煤中含有CO、N2、水分、粉塵、氯離子等多種物質，這就決定了煤壓機始終工作在復雜、惡劣的工況中，長時間運轉勢必將造成煤壓機氣缸、動靜葉部分結垢。特別是煤壓機動、靜葉結垢后，將直接影響到葉片的空氣動力學性能，嚴重影響到煤壓機的性能。因此，必須對煤壓機效率進行分析計算，才能判斷煤壓機的工況。

煤壓機效率計算公式如下：

式中，T1為煤壓機進口溫度；T2為煤壓機出口溫度；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。

煤壓機相關參數見表4。

煤壓機正常運行效率應該83%～86%，從數據計算結果明顯可以發現煤壓機小于80%，已經落入低效區間。然而，即使煤壓機已近進入低效率運行區間，也不能得出燃機發生功率急降是由煤壓機異常造成的。在對煤壓機工況進一步分析中，進一步發現煤壓機在燃機觸發跳機前約1s 時間內，進、出口壓力出現了異常波動（見表5）。進出口壓力變化見圖2。

從圖2 可以明顯發現，跳機前200 ms 開始，煤壓機入口壓力異常升高，煤壓機出口壓力異常下降。由此可以判斷煤壓機出現了失速現象，一旦某級間氣流發生失速工況，如果不進行干預，那么失速情況會迅速向整個葉柵蔓延，整個葉片流道可能被堵塞，煤壓機的耗功將大幅增加，甚至可能出現喘振工況，造成設備損壞。

經過以上的分析和計算可以得出結論：燃氣輪機的煤壓機效率過低，達到某一個臨界點時，氣流出現失速工況并迅速向相鄰葉柵傳播阻塞葉道，引起煤壓機瞬時耗功大幅的上升；同時，由于燃機控制系統增加的CSO 信號輸出不能彌補煤壓機耗功的迅速增加，造成透平系統無法維持額定轉速，燃機系統轉速下降，發電機失步；當煤壓機轉速隨整個燃機系統下降時，煤壓機出力進一步下降，更加加劇了葉道的阻塞程度，甚至出現了煤壓機出口壓力降低，入口壓力升高的現象。最終，燃機觸發功率急降跳機。

3 故障攻關

為避免煤壓機葉柵氣流再次進入失速工況，造成再次觸發燃氣輪機功率急降跳機采取了以下措施：

（1）穩步提高煤壓機效率。

①要求運行人員及時關注煤壓機效率問題。

避免運行中發生煤壓機效率低于80%的情況，及時對煤壓機進行果殼清洗，防止葉片結垢，改善葉柵空氣動力學性能。

表4 煤壓機相關參數

表5 煤壓機進出口壓力

圖2 進出口壓力變化圖

②要求運行人員熱值設定不高于3 150 kJ/m3。

由于煤氣密度隨熱值提高呈下降趨勢，因此越高的熱值意味著煤壓機出力會降低。

③要求煤氣壓縮機入口煤氣溫度不超過35 ℃。

由于煤氣密度隨煤氣溫度提高也呈下降趨勢，因此越高溫度就意味著煤壓機出力會下降。

④加強對煤壓機運行參數的監視，提高燃機負荷過程中保證煤氣旁通閥開度不得小于10%，防止煤壓機進入不穩定工作區。

⑤更換煤壓機可調靜葉執行機構伺服閥，保證執行控制精度。

（2）加強對燃機轉速的監視，一旦發現轉速有下降到2 997 r/min 的情況，立即降低負荷2 MW，防止系統轉速進一步降低。

（3）對燃機升負荷率進行限制，要求運行人員每提高負荷1.5 MW 都要穩定運行2 min 以上，再視情況提高燃機負荷，不得連續提高燃機負荷。

4 實施效果

通過實施一系列的調整措施，從2019 年5 月份至11 月份，燃機再未出現功率急降跳機的故障，負荷率也由70%穩步提升至95%以上，每小時聯合循環電負荷提高約10 000 kW·h，燃機大大提高了CCPP 機組的負荷率，按照每月可用時間為28 天計算，每個月提升經濟效益超過300 萬元。

10 000×24×28×0.5＝336 萬元

每小時提高燃氣輪機發電機功率10 000 kW·h，每天按照24 h 計算，電價按照0.5 元的平均電價核算。

5 結束語

燃氣輪機聯合循環技術以其高效、環保、比投資低的優勢，越來越受到鋼鐵企業的重視。高爐煤氣雜質多、粉塵多的特殊性質，決定了燃氣輪機配套煤氣壓縮機始終在惡劣工況中運行。因此，要實現高爐煤氣燃氣輪機聯合循環發電站穩定、高效的運行，一方面對燃氣輪機主機生產廠家在設備設計、制造、組裝等方面提出了更高的要求；另一方面也對鋼鐵企業高爐煤氣凈化、日常運維、故障診斷等技術提出了更多的挑戰。