燃氣輪機IGV頻繁波動引發機組連鎖異常原因分析及處理

浙江浙能金華燃機發電有限責任公司 胡曉明 余 亮 王曉曼

IGV是燃氣輪機安全、經濟運行的重要部件，通過控制IGV葉片角度從而限制進入壓氣機的空氣流量。IGV的主要作用有兩個：燃氣輪機啟動時IGV處于最小角度34°，使進入壓氣機的空氣量達到最小，防止啟動過程中壓氣機發生喘振，當機組達到全速空載時IGV打開至全速空載角57°；通過對IGV角度的控制實現對燃機排氣溫度的控制。燃機在部分負荷運行時關小IGV，相應減少空氣流量而維持較高的排氣溫度(接近或高出燃機滿負荷時的排氣溫度)，提高聯合循環的總效率。

IGV伺服閥及線性位移傳感器（LVDT）原理：經燃機控制系統運算處理后的開、關IGV的電氣信號經過伺服放大器放大后，在電液伺服閥中將電氣信號轉換為液壓信號，使電液伺服閥主閥芯移動，并將液壓信號放大后控制液壓油的通道，使液壓油進入執行機構活塞桿下腔，使執行機構活塞向上移動，帶動IGV使之開啟，或者是使壓力油自活塞桿下腔泄出，借彈簧力使活塞下移關閉IGV。當執行機構活塞移動時，同時帶動兩個LVDT，將執行機構活塞的位移轉換成電氣信號，作為負反饋信號與之前燃機控制系統處理后送來的信號相疊加，輸入伺服放大器。當伺服放大器輸入信號為零時，伺服閥的主閥回到中間位置，不再有液壓油通向執行機構活塞桿下腔，此時IGV便停止移動，停留在一個新的工作位置。

1 故障經過及運行操作與處理

9E燃機預混穩定燃燒模式（PM_SS）運行，負荷94MW，控制系統頻發“LVDT#2 RMS voltage for Regulator 1 out of limits”IGV線性位移傳感器LVDT2診斷報警。IGV角度波動范圍77～86°。

18:27:28:911燃機發“HYDRAULIC OIL AUX.PUMP RUNNING ALARM”輔助液壓油泵（88HQ）自啟動報警。

19:15:05:466燃機發“Seismic vibration input#3 high alarm logic”（L39VA_3）、“Seismic vibration input#3 high trip logic”（L39VT_3）”#2軸承振動高報警。

19:15:06:154燃機發“COMBUSTION PRIMARY ZOME AUTO REIGNITION”（L30FPDAR_ALM）燃燒室一區重新著火報警。

19:15:07:154燃機發“EXTEND L-L MODE HIGH EMISSIONS”（L83LLEXT_ALM）擴展貧-貧燃燒報警，隨即燃機負荷在3秒內由96MW突降至81.5MW，排氣平均溫度TTXM最高升至598°。

燃燒室一區重新著火后，檢查一區、二區8個火焰強度顯示正常，進入擴展貧-貧模式燃燒模式后，檢查燃燒基準溫度（TTRF1）1111～1112°穩定。運行人員減燃機負荷至55MW，TTRF1最低降至1039°，燃燒模式由擴展貧-貧模式切換至貧-貧穩定模式，重新進行燃燒模式切換，切至預混穩定模式運行。但燃機IGV波動趨勢未有好轉，向省調申請機組停機檢查處理。

2 各異常現象原因分析

2.1 輔助液壓油泵（88HQ）自啟動分析

88HQ自啟動后，就地檢查液壓油壓力112bar；檢查輔機間液壓油系統及透平間、氣體小間各液壓油用戶未發現明顯泄漏。燃機正常運行時，主液壓油泵運行、輔助液壓油泵備用。因主液壓油泵運行時液壓油壓力在100bar左右，當IGV連續頻繁、超限動作可能引起的液壓油壓力降至動作值（燃機輔助液壓油泵保護啟條件：轉速（TNH）≥95%且液壓油壓力開關63HQ-1＜93bar動作），造成輔助液壓油泵（88HQ）自啟動。

2.2 預混穩定模式下，一區重新點火分析

查閱一區重新點火允許（L3TVR）邏輯信號如圖1，當滿足以下任一條件，重新點火允許（L3TVR）信號置1，控制系統會發“一區重新點火”命令。

圖1 重新點火（L3TVR）邏輯信號

正常重新點火（L3FXTV1）：預混模式，一區無火焰的情況下，當燃燒基準溫度(TTRF1)小于L26FXL2（定值FXKTL2=1995F=1090.6℃），重新點火允許（L3TVR）信號置“1”；燃燒故障重新點火（L3FXTV2）：在預混模式或預混切換模式下，燃機燃燒故障時，重新點火允許（L3TVR）信號置“1”或預混切換失敗（90秒內預混切換未完成），重新點火允許（L3TVR）信號置“1”；貧貧模式選擇重新 點 火(L3FXTV4)：“LEAN-LEAN BASE MODE ON/OFF”標靶選“ON”，重新點火允許（L3TVR）信號置“1”。

負荷恢復模式重新點火(L83FXS3)：在預混模式下，發電機開關跳開或燃燒基準溫度(TTRF1)小于L26FXS1（定值FXKTS1:1975F=1079.4℃）或經轉速及加速度檢測到甩負荷，重新點火允許（L3TVR）信號置“1”。二次切換模式觸發30s，一區熄火失敗或燃料控制閥GCV3未跟隨或清吹閥組關閉失敗，重新點火允許（L3TVR）信號置“1”。

通過上述邏輯分析：9E燃機在預混模式運行時，要觸發“一區重新點火”命令與“燃燒切換溫度TTFR1”和“燃燒分散度監測”有關。但（圖2）一區回火前TTFR1數值曲勢一直比較穩定，且無燃燒分散度故障報警。所以當時控制系統不會發“一區重新點火”命令。查閱“COMBUSTION PRIMARY ZOME AUTO REIGNITION”（L30FPDAR_ALM）燃燒室一區重新著火報警邏輯如圖3，其中L2TVXR為重新點火信號，L83FXP2為預混穩定模式，L83FXP1為預混切換，L28FPDX為一區火焰信號。在預混模式下，無“重新點火命令”時，當一區檢測到火焰后，會發“COMBUSTION PRIMARY ZOME AUTO REIGNITION”報警。

圖2 燃燒室一區回火與燃燒基準溫度(TTFR1)

圖3 燃燒室一區重新著火報警邏輯

預混穩定模式運行時，燃燒室一區回火原因分析：當9E燃機IGV角度波動，特別是IGV角度關小的情況下，壓氣機排氣壓力和一區空氣流量減少，燃燒室內高速文丘里出口預混燃料流速降低，容易使二區火焰蔓延至一區，引燃一區預混燃料。

2.3 一區回火后，#2軸承振動高分析

分析圖4曲線中燃機BB3、BB4振動特點為：2號軸承振動BB3峰谷間（峰值33.04mm/s：谷為正常值）波形僅持續2秒左右；3號軸振動BB4隨一區火焰強度（一般情況下，火焰強度數值達50以上，點火成功）增大逐步上升與BB3同時到峰值（9.14 mm/s）后恢復正常；振動發生前，IGV角度相對穩定，沒有大的波動；燃機在高負荷（96MW）預混穩態時出現一區回火，與BB3振動曲勢有一定重合性。

圖4 燃燒室一區回火與振動

#2軸承振動高原因分析：9E燃機運行在高負荷預混穩態時，燃料配比基本為一區83%、二區17%，燃料與空氣在一區進行預混且為貧燃料狀態；當一區點火成功（一般情況下，火焰強度數值達50以上，燃機顯示有火焰）瞬間，可能產生較大的燃燒脈動，引起燃燒室、透平側BB3、BB4振動瞬間增大。該現象與以往燃機預混切換振動升高相類似（一般冬季工況下，燃機預混切換負荷值相對較高，往往出現BB3振動高報警；而夏季工況下，預混切換負荷值低，BB3振動基本不報警）。

2.4 燃機負荷突降、排氣溫度高分析

燃機燃燒室一區、二區8個火焰同時有火，燃燒基準溫度(TTRF1)1112°，進入擴展貧-貧模式后，隨出現燃機負荷（DWATT）在3秒內由96MW突降至81.5MW，排氣溫度升高的異常現象。期間天然氣P1、P2壓力穩定，速比閥開度無異常。通過分析燃機負荷與燃料控制（FSR）變化曲勢（圖5）可知：

圖5 燃機負荷與燃料控制（FSR）

燃機一區、二區8個火焰同時有火，在高負荷下進行貧貧擴展模式燃燒，造成排氣溫度升高。當IGV開度在1秒內由83.6°突降至78.2°后，排氣溫度最高升至598°。在排氣溫度升高后，大于TTRXB控制基準，溫度控制（FSRT）逐漸下降；在燃機負荷（DWATT）突降前，因燃機在預選負荷狀態，FSRN為最小值輸出，此時燃料控制（FSR）輸出曲線與轉速控制（FSRN）曲線吻合，符合FSR最小門控制原則。

燃機負荷突降后，由于偏離燃機預選負荷，轉速控制FSRN增大，退出最小門選擇，隨后溫度控制（FSRT）通過最小門選擇，成為此時燃料控制（FSR）輸出，符合FSR最小門控制原則；但轉速控制（FSRN）退出與溫度控制（FSRT）介入期間（2秒左右），正好與燃機負荷96MW突降至81.5MW的時間跨度吻合，該時段的燃料FSR輸出并不是通過最小門選擇方式，可能會引起燃機負荷的突然變化。

燃機負荷突降、排氣溫度高原因分析：9E燃機高負荷下進行貧貧擴展模式燃燒，IGV角度突然減小，壓氣機空氣流量減少，造成排氣溫度升高，同時壓氣機空氣流量突然減少也引起燃機負荷突降；FSR突然降低，引起燃機負荷突降。

3 IGV的檢查與處理

9E燃機IGV有兩個LVDT（分別為LVDT1、LVDT2）。通過組態設置為兩個LVDT進行高選，最大值作為IGV的反饋角度，機組停運后對LVDT進行了檢查。查看燃機控制系統組態時發現LVDT1被禁用，只有LVDT2作為IGV的反饋。當LVDT2故障，在頻繁波動時，由于LVDT1被禁用IGV反饋角度無法選到LVDT1；處理方法：重新設置組態釋放LVDT1，將兩個LVDT進行高選，最大值作為IGV的反饋角度。一個LVDT故障時另外一個LVDT作為IGV的反饋角度。