燃氣輪機排氣溫度監視和保護功能研究

北京京能高安屯燃氣熱電有限責任公司 牛興偉 庫國亮 丁 哲

燃氣輪機內部配備軸流式壓氣機、燃燒室、透平等子系統，將燃料的能量轉變為內燃式動力機械能，最終帶動發電機轉化為電能，同時具有高效率和低排放，運行環保的優點。

1 燃氣輪機排氣溫度對設備運轉的影響

燃氣輪機是在空氣動力學原理和能源學基礎上誕生的，最初按照等容加熱循環工作，效率僅有13%左右，后期設計、制造技術發生極大改觀，設備裝置效率、功率均有顯著提升。燃氣輪機開啟運作環節，壓氣機抽取大量空氣壓縮并送入燃燒室，在燃氣渦輪作用下膨脹，并推動渦輪葉輪旋轉，設備內部溫度極高，燃燒室溫度高達1240℃、排氣段溫度可以達到大約585℃。作為燃氣輪機的主要被控對象，如果監視保護不及時有可能造成運行缺陷及故障，并且進一步導致燃燒器噴嘴、動靜葉部件等設備損傷，最終導致故障停機及安全事故風險。

基于此，一些燃氣輪機配備了監視保護功能，可以在監控內部溫度上限的同時，把握排氣溫度分散度變化情況。分散度參數主要負責描述獨立燃燒室中的均勻狀況，燃燒分布越均勻，顯示的分散度數值就越小。就案例所采用的SGT5-4000F燃氣輪機來說，當機組進入滿負荷狀態時，分散數值進入穩定狀態，一般應在0～30℃，若內部構件出現故障，該數值有可能上漲。分散度的監視是非常有必要的，分散度異常增大時，可能間接反映了如下幾種情況。

1.1 天然氣分配孔道異常

分散度增加說明燃燒室燃燒均勻度下降，究其原因可能出現在空氣、燃料供應通道上，要及時檢查燃燒器以及進氣通道是否有污染或者雜物等，其會隨著氣流進入從而導致旋流器孔堵塞，或者是否存在運行異常、相關設備磨損差異等問題。

1.2 燃燒器或過渡段裂紋

燃燒器、過渡段是燃氣傳送、轉換的必經通道，當構件中出現裂紋情況時，會造成冷卻空氣進入燃燒空間、熱通道溫度下降，分散度升高，嚴重時會給機組安全運行帶來安全隱患。

1.3 壓氣機以及燃燒器的安裝情況

其運行狀態對于燃氣輪機燃燒效率的提升是至關重要的，安裝不良，會造成燃燒動態不穩定、溫度場分布不均衡等問題[1]。因此，只有通過自動化、動態化的監測防護，才能最大限度保證故障響應時效性，降低燃氣輪機部件損壞概率，減少因熱通道部件更換造成的經濟損失。

2 燃氣輪機排氣溫度監視與保護算法設計

2.1 SGT5-4000F燃氣輪機排氣溫度保護邏輯

受燃氣輪機制造工藝、工作環境的限制，通常無法使用直接測量手段，對燃燒室溫度進行監控保護，因此需要借助專門的溫控系統觀測，SGT5-4000F燃氣輪機中，主要由SPPA-T3000執行控制操作，從24個元件中選擇6個代表性測點，配備相應的保護措施，當任意3個測點溫度達到658℃以上時，就會觸動保護機制。作為自動控制系統核心，溫控子系統由OTC（排氣溫度）控制器、IGV（可轉導葉）控制器組成，前者負責進料量調節，僅在IGV全關、全開狀態下，才會進入工作狀態，后者負責空氣量調節，二者互為配合，確保燃氣輪機排氣溫度始終處于允許范圍內。

2.2 OTC控制器溫度監視及控制運行

燃氣輪機發生故障危害較大、影響廣泛，有的故障初始表現并不明顯，但會在載荷持續影響下出現惡化趨勢，由量變轉化為質變后，才會引發明顯的排氣溫度、分散度異常問題，因此對其開展運行監測時，不可采用靜態化、刻板化思路，而是要加強跟蹤和分析，爭取在系統保護動作發生前、設備停運前，對相關故障進行篩查、排除，最大限度發揮監視、保護功能效用。

基于此，SGT5-4000F燃氣輪機控制邏輯中，引入了溫控模式，當排氣溫度達到設定值時，系統會自動切換到OTC模式，對排氣溫度進行控制調整，防止超溫問題的發生，控制流程圖如圖1所示。其中，設置的“切換條件1”主要指燃機并網協調投入，此時的IGV閥開度應當為最小。當燃氣輪機冷態啟動且余熱鍋爐、汽輪機工作溫度均呈上升趨勢，那么系統切換并對溫升曲線、排氣溫度設定值進行調節。

2.3 OTC控制器參數補償運算

此外，燃氣輪機工況變更也會影響監視、保護系統運行穩定性，如設備啟動之初，燃料供應系統會經過一段時間的快速變化調整，此時監測保護更容易導致頻繁報警、跳閘等問題，燃機轉速、大氣環境露點溫度等，同樣會影響透平膨脹比，因此在排氣溫度采集過程中，還需要引入OTC補償機制，對相關數據進行修正。在SGT5-4000F燃氣輪機中，共配備了24個雙支熱電偶元件，系統測得平均溫度后，對數值開展修正補償，補償過程如下：

其中，Z0,S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7均代表中間變量，Z代表燃氣輪機轉速，T代表排氣機入口溫度，T0則表示環境露點溫度，最終計算得出的TC即為補償值，將其與平均溫度值相加，即可得到修正后的溫度值。

2.4 IGV控制器溫度監視及控制運行

為確保燃氣輪機溫控系統適用性、高效性，SGT5-4000F燃氣輪機除了配備OTC控制器外，還增加了IGV控制器，通過調節進入燃燒室的空氣質量流量來控制燃氣輪機排氣溫度。當燃機運行在部分負荷階段，IGV溫度控制器將控制空氣質量流量隨著燃料量成比例變化，將燃機排氣溫度控制在有效設定值。同時，壓比控制器和冷風限制控制一定情況下也會作用于IGV溫度控制器，環境影響因素，如大氣壓力，大氣溫度對其控制進行實時矯正，從而確保排氣溫度對當前燃機的適用性及安全性。進氣壓力的影響：（1+（PVI-1,01|3bar）×PPVO01）；進氣溫度的影響：（1-（TV-15K）×TTVO01-（TV-15K）2×TTVO03）。

2.5 熱電偶元件故障監視功能

在SGT5-4000F燃氣輪機中，以環形結構布設了24個燃燒器，配備多個熱電偶監測元件負責數據監控，采集燃氣輪機排氣溫度。排氣溫度數據采集完畢后，直接按照既定算法進行統籌運算，得到的單個參數可以用于判斷溫度上限是否達標，出現異常后可以自動發出報警、跳機等指令，正常數據傳遞給下一環節，用于進一步分析計算。在排氣溫度計算回路中，熱電偶元件采集的數據篩選出質量不佳數值后，對余下數值展開平均值運算，所有計算結果同步、記錄在系統中，可以生成事件提醒、報警信號等，為后續的狀態監視、閉環控制、保護控制以及后期分析評估提供可靠依據。

作為燃機重要運行數據，熱電偶元件的狀態至關重要，會直接影響控制的精確性、可靠性，因此燃氣輪機排氣溫度計算過程中，需要配備元件檢測邏輯，通過控制器卡件獲取相關驗證信息，通過邏輯運算對變化幅度、變化率的波動進行分析判斷，不同故障情況對應差異化模擬值。

控制保護項目主要包含以下三種，一是燃氣輪機排氣溫度高保護，量程為0～700℃，汽輪機的熱負荷和熱應力與燃料總量緊密相關，為防止燃氣輪機過燒而給熱部件帶來風險，排氣溫度選取6個具有代表性的測點進行保護配置，燃氣輪機排氣溫度離散值低的情況下，當6個測量值中超過3個超過限制值時，就會觸發報警或者燃氣輪機跳閘事件。

二是冷點保護，通過監測透平出口溫度分布的對稱性來檢測燃燒器熄火現象。其數量決定了燃燒器熄火的數量。為此，將每支熱電偶B和C與24個測點平均值作比較，連續比較過程中，若發現相鄰2個相鄰測點均低于定值，則發生警報。若相鄰3支測量值低于定值，則燃氣輪機停運。如果有連續4支電偶低于定值，燃機觸發跳閘保護。

三是熱點保護，熱點的識別是通過檢測燃氣輪機出口溫度分布來實現的。燃機運行過程中，每支熱電偶的B和C通道測量值與燃機出口溫度平均值比較，當結果超過限值后，系統將發出報警或者保護跳閘。燃氣輪機運行工況復雜，并且各個運行階段存在較大差異，因此燃機排氣溫度場的分布非常不規則，各限制值針對性加入動態愛偏差。

3 燃氣輪機排氣溫度監視與保護功能運行案例

為直觀說明燃氣輪機排氣溫度監視保護功能運用方法，提升數據分析和故障響應能力，引入某電廠運行案例輔助論述，該廠裝配三臺SGT5-4000F燃氣輪機，從2020年6月開始，三臺設備相繼出現排氣溫度異常問題，冷熱點均超出了設定限值參數，最高達到了54℃，控制系統頻繁報警，機組因為冷熱點引起燃燒不穩定，進而導致機組降負荷事件。咨詢廠商技術人員之后，將跳機值升至70℃，并對24個熱電偶元件參數進行分析比較，發現負荷達到120MW時，這種偏差可以達到56℃，遠超出偏差保護上限。

3.1 故障定位及分析

對該問題進行深度排查分析，發現無論是啟停階段，還是正常負荷階段，目標燃氣機均存在冷熱點偏差分布問題，難以通過參數調整來排除，現場調查后初步考慮燃燒器堵塞的可能，基于此對3號燃氣輪機開展內窺鏡檢查，結果發現預混燃燒器硬件損傷較為明顯，多處可見結垢、結焦，伴隨輕微銹蝕，在燃燒器壓縮空氣流量測試中，發現值班燃燒器整體狀況較好，但預混燃燒器偏差過大，多個節點出現了偏差超限問題，對流量測試值進行分析后，發現平均值為1.878cm2，最小值為1.431cm2，相比較之下，新燃燒器流量測定值大約為2.3cm2，整體差異較大。在此基礎上對一、二號機展開同樣的檢查、測試工作，均發現了結垢情況，據此確認燃燒器堵塞是冷熱點不均的重要誘因。

3.2 故障成因探究

對結垢成因進行探究，發現部分設備為連續運行、部分則為調峰運行方式，因此不能簡單將之歸結為長時間停機，且SGT5-4000F燃氣輪機中，裝配了精細濾網構件，設備中的精過濾器、ESV閥狀態也并無異常，據此推斷，堵塞物質并非外力帶入，而是內部自發燃燒產生。對堵塞物進行取樣化驗，發現其中硫化鐵占比較高，已有的氣源報告中，顯示硫化氫含量在10ppm以下，且總硫在20ppm以下，基本符合設備燃料要求。對預混燃燒器噴口進行檢測，發現其噴口部分中，采用了鎳基高溫合金，其中鉻、鎳的含量明確，分別為17.09%和75.04%，對環形腔室內部檢測后，定位為碳鋼，而結垢物檢測中多數成分為氧化皮，據此可以推斷，是腔室材質與燃燒模式不適配，加劇了燃氣輪機內部腐蝕進程，進一步導致了堵塞問題的發生。至于氧化皮脫落的具體原因，可以歸結為以下三點。

一是組件材質配備不當。可能在高溫區域以外的部分，配備了抗氧化性能較差的材料；二是機組養護不當。調峰運行環節部分機組長時間停機，控制閥內部殘留天然氣未排泄干凈，溫度下降后凝結生成水分子，并誘發銹蝕問題。三是天然氣成分影響。氣源中殘留有微量硫元素，燃氣輪機運行環節，設備進入高溫狀態，與硫元素配合加劇裝置腐蝕。

3.3 故障處理及成果驗收

確定故障類型、成因之后，采用超聲波清洗方式，對三臺SGT5-4000F燃氣輪機展開系統化的故障處理和清潔，先啟動加熱爐開關，預熱至430℃左右停止，待其自然冷卻到室溫后，用壓縮空氣簡單吹掃，隨后開展檸檬酸池超聲波清洗，按照規定流程執行清潔操作，完成后依次開展水洗、鈍化處理和干燥工序，最后再次進行內窺鏡檢查，并手動清理剩余的殘留附著物，流量測試合格方可驗收。為防止后續運行過程中，再次出現類似的堵塞問題，制定了系統的保養、改善措施，錯峰運行環節，要求對停機時間較長的設備進行干燥養護，確保進口空氣濕度始終處于較低水準，設備停機后，采用氮氣置換技術，對預混管道、值班管道進行養護，排出其中殘余的天然氣。對于ESV閥前天然氣管道，則要加強疏水管控，防止水分隨氣流涌入，同時強化對排煙溫度的監視，出現冷熱點分布不均、差異擴大等情況時，及時開展內窺鏡探測及異物清理工作。

4 結論

綜上所述，燃氣輪機排氣溫度監視及保護功能適配度高、時效性強，能夠較好地適應固定工況、變工況下的燃氣輪機安全運行和控制需求，為企業生產的平穩運行提供助力。