IGCC 低熱值燃機啟動失敗原因分析及處理

（華能（天津）煤氣化發電有限公司，天津 300452）

0 引言

IGCC（整體煤氣化聯合循環）發電技術是目前國際公認的最高效潔凈的煤基發電技術[1]，華能天津IGCC 示范項目是世界上第六座IGCC 電站，該項目以國家“十一五”“863 計劃”重大課題為依托，現已投產運行6 年多，并于2018 年9 月26 日創造IGCC 機組連續運行世界紀錄，為中國電力環保事業做出了突出貢獻。IGCC 電站主要包括空分島、化工島和動力島三大單元，由空分島空氣分離產生的純氧進入化工島用于氣化爐燃燒反應，氣化爐中煤與氧氣燃燒反應生成合成氣后進入除灰脫硫凈化系統，凈化后的干凈合成氣進入動力島低熱值燃機燃燒發電，燃機排氣進入余熱鍋爐產生蒸汽推動汽輪機發電[2]。天津IGCC 電站低熱值燃氣輪機為西門子SGT5-2000E（LC）型號，該型燃機是西門子為IGCC 機組定制型號，在壓氣機和燃燒器方面針對低熱值燃料合成氣進行了改進，壓氣機級數由原來的16 級改為17 級，同時改進燃燒器的燃料管路分布以及噴嘴出口，使空氣和燃料氣更好地混合，達到低NOX排放并穩定燃燒的目的[3]。該燃機燃用燃油和合成氣2種燃料，燃機啟動階段使用燃油進行點火沖轉，燃油模式定速3 000 r/min 后進行并網，負荷提高至65%左右選擇燃料切換至合成氣模式運行，合成氣為該型燃機的主要燃料，機組正常運行期間燃機均在合成氣模式下。

本文介紹了天津IGCC 電站在2018 年10 月份D 級檢修（以下簡稱“D 修”）工作結束后，出現燃機在冬季工況下點火啟動困難的現象，分析了燃機啟動失敗的主要影響因素，提出優化措施及注意事項，經啟動優化試驗后實現了燃機的順利啟動。

1 燃機啟動控制及其問題

1.1 啟動升速控制說明

西門子SGT5-2000E（LC）型燃機的啟動由啟動升速控制器完成，該控制器的主要功能是將燃機輪機轉速由盤車轉速提升至額定轉速。在升速過程中，不同轉速階段對應不同的升速率，燃料輸出量決定了升速率的大小。該控制器還通過MIN（最小值選擇門）功能限制燃料量的輸出，防止升速過程中出現燃料量過量，損傷機組。當燃機達到額定轉速后，燃機控制模式由啟動升速切換至速度控制模式[4]，啟動升速控制器功能如圖1 所示，圖中f1（x）為限制燃料過量的限制器，f2（x）為控制燃料量增加的升速曲線，正常升速過程全程由f2（x）曲線完成。

圖1 燃機啟動升速控制器功能[4]

燃機啟動指令發出后，啟動升速控制器激活，啟動過程分為排氣擴散段及余熱鍋爐吹掃階段、點火階段、靜態變頻器SFC 裝置（以下簡稱“SFC裝置”）與燃油燃燒共同做功升速階段、完全燃油燃燒做功升速至額定轉速。選擇燃機啟動順控后，燃機靠SFC 裝置進行高速盤車（15 Hz 轉速），對燃機燃燒室、排氣擴散段以及余熱鍋爐部分進行10 min 連續吹掃，吹掃結束后，SFC 裝置退出，燃機進行墮走，降至7.6 Hz 轉速以下時，SFC 裝置重新啟動，燃機上升至點火轉速（8 Hz 轉速）觸發點火子程序，當點火子程序被激活時，點火氣管路關斷閥打開，經水浴加熱被氣化后的丙烷氣體進入點火氣管路，通過左右燃燒室次級合成氣環管進入燃燒器，在高壓點火電極的作用下被點燃，同時燃油供回油關斷閥及調閥打開，燃油通過油管路進入燃燒器噴嘴后被霧化，被點燃的丙烷氣引燃被霧化的燃油，完成點火動作，點火成功后兩側燃燒室共4 個火焰檢測探頭同時顯示有火，此時燃燒室負荷指數為3%，該指數表征燃料量，指數越大，燃料量越多，燃燒室負荷指數的增長取決于啟動升速控制器中的f2（x）曲線，在不同階段的轉速下，燃料量的增長率不同，因此該曲線決定了整個升速過程中的燃料輸出量。當燃機升至38.6 Hz 轉速時，SFC 裝置退出，此時認為設計壓氣機產生的空氣質量流量與控制器輸出的燃油量達到足夠量級，足以使燃機在純燃油燃燒做功下實現加速，直至定速50.05 Hz 轉速后等待并網，燃機啟動燃料增長曲線f2（x）如圖2 所示。

圖2 燃機啟動燃料增長曲線f2（x）

1.2 啟動失敗問題描述

在2018 年10 月機組D 修過后，燃機多次出現啟動失敗現象，具體表現為點火初溫高、升速過程中熄火、燃機透平排氣溫度分散度大，修后由于透平排氣溫度分散度大跳機的啟動曲線如圖3 所示。

圖3 燃機啟動失敗曲線

從圖3 可以看出，燃機點火初溫最高溫度達到600℃，遠超控制值515 ℃，且升速至28 Hz 左右時，燃機透平排煙溫度6 個測點出現明顯的偏差大問題，當超過5 個溫度偏差大時觸發燃機跳閘保護，同時可以看出，燃機在此期間出現升速乏力，轉速下墜現象。

燃機透平排氣溫度分散度大保護說明：燃機透平出口位置，沿熱通道內壁一圈分散安裝了10只排氣熱電偶，用于檢測透平出口溫度，燃機運行在任意工況下，任一透平排氣溫度測點與平均值偏差大于50 ℃則判斷該點測量故障，10 個測點中出現5 個及以上測量故障，則觸發燃機保護停機信號，燃機停機。

2 燃機啟動問題分析

由于機組D 修后未做熱態調整工作，且往年冬季啟動次數較少，無過往經驗可用，為問題的分析工作增加了一定難度，結合前文燃機啟動升速控制及啟動失敗現象描述，可以看出燃機啟動失敗的直接原因是：燃機啟動升速過程中透平排氣溫度分散度大及熄火。此2 種故障可以判斷為由于升速過程中燃燒不穩定造成的，可歸為同類問題進行討論。

經過對比往年燃機啟動歷史曲線發現，當環境溫度較高（15 ℃以上）時，燃機啟動順利，沒有出現過類似點火溫度高、透平排氣溫度分散度大等問題，因此懷疑冬季工況下，由于環境溫度較低，空氣密度大，加之本次燃機發電機檢修，對SFC 裝置參數進行了調整，使得壓氣機產出的空氣質量增加，造成升速過程中空燃比變大，過量空氣系數的增加引發燃燒不穩定現象。

結合燃機啟動升速控制說明以及本次啟動失敗曲線可以看出，燃機在點火初期，由于點火溫度過高，導致OTC（透平排氣溫度修正值）超過設定值515 ℃，OTC 控制器激活，限制了燃油量的增長，因此在升速初期，燃油輸出量增加比較慢，假定壓氣機出力不變的情況下，參與燃燒的空氣與燃料比值逐漸變大，導致升速至28 Hz 左右，左右兩側燃燒室空燃比火焰燃燒狀態不穩定，極易發生熄火和偏燒現象，熄火后燃機立刻觸發熄火保護停機，偏燒則會導致燃機透平排氣溫度分散度大跳機，因此點火初溫高是造成燃機啟動過程中空燃比失調的一個重要原因。另外，以下將對影響燃燒的其他可能原因逐一進行分析。

2.1 點火氣系統

根據點火初溫高現象分析，可能存在以下幾個問題：

（1）點火氣管路電伴熱故障，導致丙烷氣攜液進入燃燒室發生爆燃，導致溫度突升。

（2）部分點火電極故障，導致燃油在燃燒室上部燃燒不充分，燃油進入燃燒室過渡段后被引燃，造成透平出口溫度高。

（3）點火前點火氣壓力不夠，影響燃油燃燒的穩定性[5]。

（4）點火氣管路不暢通，會引起點火期間點火氣供應不足，引起燃油燃燒不充分。

2.2 進氣系統

進氣系統由進氣濾室、IGV（壓氣機入口導葉）和壓氣機組成，空氣經過粗濾和精濾2 道過濾后經由IGV 進入壓氣機，經壓氣機壓縮后產生高壓空氣進入燃燒室與燃料一起燃燒來推動燃機。進氣系統出現異常會造成燃燒室空氣進氣量偏離正常值，空燃比失調造成燃機啟動的困難，以下幾種情況會影響進氣量：

（1）進氣濾室濾網臟污，壓氣機吸入空氣量減少，造成空燃比失調。

（2）IGV 最小角偏離正常值，造成壓氣機吸入空氣量偏離正常值，從而引起空燃比失調。

（3）壓氣機葉片臟污，造成壓氣機出力下降，同樣影響進入燃燒室的風量，引起空燃比失調。

2.3 燃油供回油系統

燃油系統由燃油供油泵、燃油供回油管線、燃油供回油截止閥及燃油供回油調節閥組成，供回油管路出現異常，會造成燃機點火啟動過程中的燃料量偏離正常值，空燃比失調造成燃機啟動困難。以下幾種情況可能影響燃油量：

（1）燃油供回油調節閥閥門本體下線檢修，回裝閥門標定后與設計行程有偏差，造成閥門燃料-流量曲線不匹配，導致在燃機啟動階段，燃料量與風量配比失調引起啟動失敗。

（2）左右側燃燒室燃油回油管路節流孔調整后使得供回油流量發生變化，導致進入噴嘴的燃料量與正常運行時差異過大，引起燃機啟動失敗。

（3）燃油油質發生變化，十六烷值含量偏低，減緩其自身燃燒速度，造成燃油燃燒不完全。

2.4 燃燒器

SGT5-2000E（LC）型燃機有左右2 個燃燒室，每個燃燒室內有8 個燃燒器，燃油經供油管路進入燃燒器進行擴散燃燒，燃燒器噴嘴設計有蜂窩狀噴射孔，燃油從噴射孔噴出后霧化，霧化后的燃油在燃燒室進行充分燃燒，若燃燒器噴嘴異常，噴射孔存在堵塞現象，會影響燃油霧化效果，繼而影響燃燒穩定性，易發生升速過程中由于燃油量不足引起的熄火現象。

3 燃機啟動問題解決措施

綜合上文分析內容，燃機啟動失敗的主要原因為冬季低溫天氣下空氣密度大，壓氣機產出的空氣量增加造成空燃比失調，因此本機組在冬季工況啟動時需對啟動燃料控制曲線f2（x）進行優化，以使啟動過程中燃料量的增長更好地匹配壓氣機產生的空氣量，以維持穩定的空燃比，從而達到穩定燃燒的目的。在對f2（x）進行優化之前，需對點火氣系統、進氣系統、燃油供回油系統、燃燒器等進行全面檢查，排除硬件可能存在的問題，確保各個子系統運行正常后再進行參數優化工作。

在對各子系統檢查過程中，發現右側點火氣管路存在電伴熱故障問題、左右側燃燒室部分點火電極存在故障現象、進氣濾室部分濾網有臟污現象，其他系統經檢查均無問題。將上述問題修復后，在SFC 裝置參數改回修前值后又進行了一次啟動試驗，仍存在點火溫度高、排氣溫度分散度大等問題，這更加印證了該機型燃機在冬季工況下出現的啟動燃料參數不適用情況，需對啟動燃料控制曲線f2（x）進行優化。

因SFC 裝置參數修改是經廠家試驗后得出的結果，因此決定保持SFC 裝置參數不變，對燃機啟動參數進行調整，調整前后參數對比見表1。

參數調整依據：通過對比歷史啟動參數發現，燃機在第一階段升速時間較之前提高了5～8 s，假定壓氣機出力較之前無變化，在啟動控制燃料量參數不變的情況下，由于短時間內燃機升速過快，造成在第一拐點轉速到達時進風量較之前有較大增加，而燃料量的增長是隨著時間的推移逐漸增加的，此時燃料量的增長跟不上風量的增加，引起空燃比失調；在第二階段燃機升速出現乏力，在28 Hz 轉速左右出現怠速現象，該現象也是由于燃料量增長過慢，導致推力不足所致，因此調整思路為提高點火燃料量和第一第二階段的燃料升速率，提高燃機在第三拐點轉速GN12 之前的升速率，使燃料量的增長更好地配合空氣量的增長，在升速過程中維持穩定的空燃比。經過2 次參數調整試驗后，燃機順利啟動，啟動成功曲線如圖4 所示。

圖4 優化后燃機啟動曲線

經過啟動燃料控制曲線優化工作后，燃機點火初溫得到有效控制，點火初溫由最高600 ℃降至最高500 ℃，OTC 溫度被控制在500 ℃以內（OTC 設定值515 ℃）；燃機左右側燃燒室火焰燃燒強度穩定，無波動及熄火現象；有效控制燃機在28 Hz 轉速時透平排氣溫度擴散度大問題，由圖4 可見兩側燃燒室排氣溫度升降趨勢一致，燃機順利完成啟動過程。

4 結語

本文介紹了華能天津IGCC 電站在冬季工況下燃機啟動失敗的情況，分析認為在夏季和冬季工況下，SGT5-2000E（LC）型低熱值燃機的啟動參數存在不通用的問題，在冬季工況下，由于環境溫度低，空氣密度大，壓氣機產氣量增加，若仍使用夏季啟動參數會引起啟動過程中空燃比失調，造成啟動失敗，因此在冬季工況下需對燃機啟動燃料控制曲線進行參數調整，以適應冬季工況下的啟動。同時，需要注意各子系統的故障排查及修復工作，尤其要定期進行壓氣機在線/離線水洗工作，防止壓氣機葉片臟污，出力下降，確保機組各硬件處于健康工作狀態。

表1 燃機啟動參數調整

本次燃機啟動問題的解決，為冬季寒冷天氣工況下機組的啟動提供了有力保證，同時也積累了寶貴的檢修經驗，可為國內同類型低熱值燃氣輪機的研究工作提供參考。