M701F4燃氣輪機負荷波動大且無法進入EXCSO溫控原因分析及處理

廣東惠州天然氣發電有限公司 張小軍

某燃氣輪機電廠二期熱電聯產項目采用M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環分軸機組，機組不供熱時多為兩班制調峰運行，供熱時則為連續運行，采用天然氣為燃料，燃料進入燃燒器前需經過一系列管道閥門進行調壓調溫。上游接收站來天然氣經初步調壓單元調壓后，再經過天然氣溫控閥和燃氣加熱器FGH進行溫度調節后進入機組調壓段，供燃機燃燒。

燃機能否正常運行、負荷穩定、燃燒穩定受多重因素相互影響，比如熱通道部件、控制系統、大氣溫度、大氣壓力、燃氣壓力和溫度、各燃料閥動作情況等；若燃機因某種原因不能穩定運行，負荷頻繁波動，導致相關燃料閥門聯動，增加故障率甚至跳機，同時會引起燃機排煙溫度的反復升降，進而導致鍋爐主蒸汽溫度的變化，對汽輪機的穩定運行存在一定隱患。

1 事件經過及影響

2020年9 月，#6機對外供熱運行，監盤發現機組AGC負荷417MW、汽機負荷穩定123.5MW，燃機負荷出現規律間歇性波動、約3分鐘一次。負荷突升時，天然氣流量計有短時增加4000Nm3/h（約當時流量的4%），天然氣系統各調閥反饋、壓力、溫度均無明顯變化；負荷降低時，主燃料A/B閥有關閉動作，天然氣壓力有小幅上升。查看曲線，燃機在BPCSO模式下，負荷多次從285MW升至290MW，燃機排煙溫度升至612℃，進入BPCSO與LDCSO切換區間，負荷從290MW降至285MW，退出控制切換區間，控制模式仍在BPCSO下，且發現燃機最近一次進入EXCSO溫控是在5月。聯系檢修人員檢查后，初步結論是主燃料閥A/B動作不順暢導致負荷波動，需停機后檢查。

燃機負荷波動的影響。燃機負荷頻繁波動，燃機相關燃料閥門聯動，故障率增加甚至跳機，同時會引起燃機排煙溫度的反復升降，進而導致鍋爐主蒸汽溫度的變化，對汽輪機的穩定運行也存在一定隱患。由于#6機組在供熱運行，無法降低負荷或者停機進行檢查，風險較大。從相關變化曲線圖中可看出，AGC指令穩定不變，燃機負荷、燃料閥開度、排氣溫度均成鋸齒狀波動。

燃機控制模式無法進入EXCSO模式的影響。查看控制邏輯，燃機控制模式須定期進入EXCSO溫控1800秒以上，否則將會老化修正系數無法自動更新，會導致計算的理論最大負荷與實際最大負荷偏差過大，CLCSO偏離正常值，由CLCSO決定的值班燃料、旁路閥、頂環燃料用量也偏離對應設定值，最終可導致機組RB或跳機，此類事件在國內F4機組發生過多次。

2 原因分析

2.1 負荷波動原因

負荷波動時，就地觀察燃料調節閥動作與遠方一致，無明顯的卡頓現象，現場管道無泄漏，燃料正常放散閥、事故放散閥均無內漏，化驗控制油油質也是合格，初步排除燃料閥門卡澀，懷疑是控制邏輯設置缺陷導致閥門誤動作，引起燃料量突增。

通過對比#6機燃機負荷波動前后各運行參數，細分各時間點，發現在負荷上升前燃料加熱器前壓力首先下降、燃料加熱器后壓力（調閥前壓力）隨后上升，進而才是負荷上升，該現象與燃料閥門誤動作引起的燃料量突增恰恰相反（壓力測點位置見圖1），進而故障原因分析焦點集中在燃料加熱器和燃料溫控閥之間。繼續排查發現燃料加熱器后溫度有10℃的波動，與燃機負荷波動頻率、時間點均一致，同時燃料加熱器后壓力波動了約0.023MPa、懷疑故障，但經現場檢查確認FGH水側和氣側均未發生泄漏，故障懷疑點轉移至燃料溫控閥上。

圖1 天然氣加熱單元示意圖

經分析，機組負荷、天然氣壓力、流量規律性波動的詳細解釋：機組啟動過程前段，因FGH出口實際天然氣溫度低于設定值，溫控閥保持在100%開度。當MFCLCSO超過55%，FGH出口天然氣溫度控制值升至設定值200℃并保持后，隨著FGH出口天然氣實際溫度逐步上升超過200℃，#6機溫控閥開度指令由100%積分下降，溫控閥由100%開度隨指令緩慢關閉。遠方DCS上監視溫控閥開度指令與反饋無異常，就地檢查溫控閥動作情況發現，當開度反饋在100%關小至99.3%過程中，溫控閥實際開度行程變化巨大，最大可能是故障起源；如是溫控閥實際動作異常造成燃氣壓力波動、進而導致負荷波動，那么只要證明FGH后天然氣溫度有10℃的波動，且壓力約0.023MPa的波動也是由溫控閥動作異常導致，則故障原因可確定。

進一步分析確認，溫控閥開度反饋遠低于實際開度變化量，當開度反饋在100%關小至99.3%過程中，導致機組天然氣流在FGH主路和旁路之間快速大幅切換。因FGH旁路阻力遠小于主路換熱器管束的阻力，造成機組天然氣流量突增，FGH后壓力迅速上漲而燃料閥未及時調整，多余的燃料進入燃燒，引起燃機負荷上漲。又因溫控閥將過多天然氣切至FGH旁路，造成FGH出口實際天然氣溫度快速低于200℃的設定值，溫控閥開度指令再次升至100%，流經FGH旁路的天然氣再次切換回主路，流阻上升，導致天然氣流量下降，燃機負荷下降。當出口天然氣溫度逐步升高超過200℃后，再次循環往復進入規律性波動。

綜上，#6燃機負荷波動根本原因是燃料溫控閥動作異常，經現場檢查確認，溫控閥由100%關小至99.3%過程中，實際開度變化巨大。

2.2 #6燃機無法進入EXCSO控制模式原因

#6燃機進入BPCSO溫控時因為燃料流量的波動導致負荷突增，BPT溫度也會跟著突增，那么控制邏輯中BPT均值與BPT REF（參考值）的差值會減小而使BPCSO上升速率大幅降低。由于負荷波動周期較短，該時間段內控制模式來不及切換至EXCSO溫控，又進入了下一次BPCSO溫控，進而導致燃機控制模式未進入EXCSO溫控。

3 應對措施

由于#6機組在供熱運行，暫無停機處理的機會，從根源出發，控制溫控閥閥位大幅動作有四種臨時處理方案：將FGH水側回余熱鍋爐側調閥設定值提高，手動控制溫控閥開度不超過99%（經試驗，水側需要流量提升較多，影響中壓給水系統，且在變負荷階段閥門還是可能通過99.3%）；將FGH水側回余熱鍋爐側調閥設定值降低，手動控制溫控閥始終在100%全開位（經試驗，在負荷波動時仍有幾次波動，機組升負荷從進入BPCSO至EXCSO的時間偏長）；降低燃氣溫控閥目標值，使得溫控閥開度不超過99%；提高燃氣溫控閥目標值，使得溫控閥開度始終保持100%全開位。

通過討論與研究，最終采取的是第二種方案，由FGH回余熱鍋爐側調閥控制FGH后天然氣溫度，將溫控閥保持在100%全開位并做以下更改：#6機燃氣溫控閥溫度設定值由200℃更改至220℃，保證溫控閥維持全開；#6機燃氣溫度高報警值由240℃更改為220℃，RB值為250℃，暫為近期監盤提高報警裕度；#6機FGH回鍋爐側調節閥投回自動，并把開度控制邏輯中PIQ參數內K值0.2、T值50改為K值0.1、T值25，降低閥門動作速度，減小因流量波動導致的燃氣溫度波動。

更改邏輯后#6機FGH水側回鍋爐溫度穩定在

234℃附近，流量33t/h左右，機組負荷375～405 MW范圍內，燃氣溫度穩定在210℃，負荷短時內快速下降較多時燃氣溫度會有一定上升，均沒有達到220℃報警值，燃機BPT、EXT均在正常值。處理后，AGC指令穩定情況，燃機負荷、燃料閥開度、排氣溫度均趨于平緩。

結論：此次#6燃機負荷波動且無法進入排氣溫度控制與往常的燃料閥異常、燃燒器異常的常規原因不同，屬于上游、附屬設備異常引起的聯鎖反應，因燃氣溫控閥實際動作行程不能實時監視，當開度指令與反饋偏差非常小時，閥門實際動作發生異常時很難及時發現、隱蔽性極強，如無法及時分析出原因，將會給運行與檢修帶來極大的困擾。故在進行相關運行事件分析時，切勿僅憑以往的事故經驗而忽視了對數據的分析與對比，同時對于電廠設備而言系統關聯度大，務必把相關聯的所有設備都加入到懷疑與分析中去，防止出現錯誤判斷、錯過安全處理時機，造成事件擴大。