某型燃氣輪機起動過程中火焰缺失故障分析與處理

張 浩, 沙浩南, 劉鳳杰, 王 巖, 曾祥茂

(1. 中國船舶集團公司第七〇三研究所, 哈爾濱 150078;2. 船舶與海洋工程特種裝備和動力系統國家工程研究中心, 哈爾濱 150078;3. 華潤電力(泰州)有限公司,江蘇 泰州 225300)

燃氣輪機在起動過程中,燃料量的設定需要與起動設備的響應時間相匹配。本文基于某電站在調試階段對燃氣輪機起動過程中發生熄火故障的分析、起動設備測試以及故障處理的敘述,為同類型故障的處理提供方向。

1 故障現象

某電站燃氣輪機發電機組調試過程中,燃氣輪機在起動升速階段時,當燃氣輪機轉速升高到3 000 r/min時,發出燃氣輪機火焰缺失報警并熄火停機。由于機組在起機前進行了氮氣置換,為排除燃氣管道內殘余的氮氣導致燃氣輪機點火不充分的可能,現場進行了幾次燃氣置換吹掃。但再次起機后仍出現同樣的火焰缺失熄火現象,故排除燃氣濃度導致燃燒不充分的原因。此外在燃氣輪機起動前進行了壓氣機水清洗,為防止壓氣機內部殘留清洗水,現場又進行高速盤車30 min吹掃內部清洗水,重新起動后仍出現相同故障。因此需根據燃氣輪機運行參數進一步分析火焰缺失故障原因。

2 燃氣輪機起動及燃燒模式概述

2.1 起動系統組成

該型燃氣輪機起動設備是在起動過程中使機組到達自持轉速的一套驅動設備。機組可以在收到起動準備就緒信號后執行起動指令,起動系統包括以下設備(示意圖如圖1所示):(1) 帶加熱器的起動電機(AC560 kW/短時間160%負載運行);(2) 液力變扭器(連接起動電機和減速齒輪箱的液力耦合設備);(3) 在燃氣輪機達到自持轉速時自動脫離的SSS離合器;(4) 安裝在負載齒輪上的交流電機驅動的轉子盤車裝置,帶有手動盤車裝置以便電源故障時使用。

圖1 起動系統示意圖

2.2 燃燒模式概述[1]

燃氣輪機低氮燃燒(low nitrogen combustion,LNC)配置如圖2所示。燃氣通過燃料前置過濾后進入燃料閥室內,首先通過燃料速比閥(stop ratio valve ,SRV),該閥有兩個功能:一個是快速切斷到燃氣輪機控制系統的燃料,另一個是精準控制截止/速比閥出口處氣體燃料壓力。燃料控制閥 (gas control valve,GCV) 控制燃氣輪機燃燒系統的氣體燃料流量。該燃氣輪機有10個低氮燃燒器,每個燃燒器有5個燃料噴嘴被5個相對應的GCV控制,分別為F1、F2-1、F2-2、F2-3、F2-4。圖3所示,點火及燃燒模式# 0～模式# 5分別對應著噴嘴F1、F2-1、F2-2、F2-3、F2-4工作的狀態。點火時F1和F2-1、F2-2同時工作,點火成功后F2-2關閉進入模式#0,將預混的燃料充分燃燒后燃氣輪機轉速不斷升高隨后進入模式# 1,此時F2-1關閉,燃氣輪機轉速達到額定轉速即為空載全速階段[2]。隨著負荷不斷增加,在進入一定負荷階段后,F2-1、F2-2、F2-3、F2-4依次打開工作。燃燒模式和LNC操作條件,以及LNC從啟動到全負荷燃燒模式,如圖3所示。因此,在起動過程中燃料閥F1、F2-1、F2-2參與燃料預混時長和燃燒量的設定關系著燃氣輪機起機過程中能否順利起動。

圖2 燃氣輪機低氮燃燒(LNC)配置

圖3 燃氣輪機燃燒模式

2.3 起動原理概述

主供油泵等滑油系統設備正常開啟后,潤滑油系統壓力達到穩定,燃氣輪機準備由慢速盤車(53.5 r/min)進入高速盤車模式,相應輔機(液壓油泵、軸承冷卻風機、箱體通風風機等)正常起動,此時燃氣輪機由起動電機(起動電機短時達到160%負荷)拖動逐漸升速。當燃氣輪機轉速至少達到全速20%時進入高速盤車階段,燃氣輪機開始計時吹掃,吹掃程序完成后機組進行點火程序。燃料需求量(fuel flow demand,FFD)將按照點火設定值執行。而此時通過液力變扭器傳遞給燃氣輪機的扭矩帶動的燃氣輪機轉速會大于額定轉速的20%,同時在空氣進氣量一定時,為保證提供給燃燒器的空氣和燃料比適量(可燃上限與可燃下限的比率最小為2.2∶1),燃料控制閥GCV控制燃料量,而進氣導葉(inlet guide vane,IGV)控制空氣量。因此在執行升速時液力變扭器滑油卸荷閥打開,控制燃氣輪機轉速穩定升速。燃氣輪機起動過程中的典型曲線如圖4所示。

3 故障監測及調整措施

3.1 起動數據分析

分析本次燃氣輪機火焰缺失故障的起動加速過程曲線,如圖5所示,燃氣輪機在起動電機拖動進入高速盤車階段后,燃氣輪機加速信號發出,液力變扭器卸荷閥打開,進入模式#0完成暖機,控制系統發出加速指令,燃燒模式由模式#0切換到模式#1,而在得到加速指令15 s左右后,燃氣輪機出現火焰缺失而熄火停機。燃氣輪機從高速盤車準備加速開始,到液力變扭器卸荷閥收到指令打開有一定的時間延遲。分析在加速階段初期,燃氣輪機加速是由起動電機和燃氣輪機燃燒做功共同驅動燃氣輪機加速,由于起動電機通過變頻柜控制會有一定的延遲,在此延遲的時間內,燃氣輪機已發出升速指令,而起動電機由于延遲而較晚達到160%輸出功率,因此在燃氣輪機需要升速過程中,FFD會自動調節燃料系統投入更多燃料以完成燃氣輪機加速任務。由于進入燃氣輪機的空氣量一定,此時燃燒器內的空氣和燃料比超出了可燃范圍,導致燃氣輪機熄火停機。

圖5 燃氣輪機火焰缺失故障時加速過程曲線

3.2 起動設備測試

為確定起動設備在收到加速指令后執行動作的延遲時間,現場對燃氣輪機發出加速指令后,燃氣輪機從1 850 r/min的盤車轉速開始升速,對起動電機開始加速達到160%輸出功率和液力變扭器卸荷閥由關到開的動作時間進行測試。燃氣輪機在發出加速指令后,首先控制液力變扭器卸荷閥由關到開,卸荷閥的動作反饋很迅速,而起動電機需要通過控制系統等傳遞指令再到電機“真正”開始加速會有一定的延遲,因此測試每次燃氣輪機開始加速和下一次開始加速時的時間間隔來判斷起動電機開始加速的延遲時間,通過測試得到表1所示的結果。起動電機的額定電流是38 A,因此開始加速后的電流一般是56 A。

表1 起動時間間隔測試結果

此外監測液力變扭器卸荷閥開、關時的滑油壓力,如表 2所示,油壓的結果和出廠時測試數據一致,符合設計要求。

表2 液力變扭器卸荷閥測試結果

3.3 起動參數調整

從對起動電機開始加速達到160%輸出功率和液力變扭器卸荷閥由關到開的動作時間進行測試結果看,時間差大約在36 s到54 s之間,這也證實了燃氣輪機發出升速指令后,起動電機由于延遲較晚達到160%輸出功率,因此在燃氣輪機升速過程中,FFD增加的速率降低,通過燃料控制使燃氣輪機升速的斜率更小一些,升速更為順暢。因此在起動過程中將燃料設定參數做以下調整,其中燃料量設定參數都是以FFD(即瞬時的燃料控制流量)為單位。由于燃料設定量稍高出現“富油”現象,需降低燃料設定量的數值以保證空燃比在合理范圍內。因此根據調試的經驗,一般將燃料設定常數調整變化量盡量保證在3%～5%,而起動過程中有起動電機幫助燃氣輪機升速,因此本次將燃氣輪機起動過程中的燃料設定常數減少的多一些,與暖機過程中的常數保持一致;類似的將F2-1和F2-2燃料控制閥控制的燃料量設定值保持一致。具體的燃料設定常數調整如下:(1)燃氣輪機起動過程中燃料量設定常數減少,由13.2 FFD調整為10.9 FFD;(2)燃氣輪機暖機過程中燃料量設定常數減少,由11.2 FFD調整為10.9 FFD;(3)燃氣輪機在點火、暖機過程中F2-1燃料控制閥控制的燃料量由6.7 FFD調整為6.5 FFD;(4)燃氣輪機在點火、暖機過程中F2-2燃料控制閥控制的燃料量由6.7 FFD調整為 6.5 FFD。

在點火過程中,F2-1和F2-2都參與點火時的燃料預混并輔助燃燒的工作,而在暖機過程中,F2-2先關閉,隨后F2-1關閉。為了使點火完成后到暖機加速過程中,燃燒更為穩定,將F2-1和F2-2關閉的時間延后,也保證F2-1和F2-2都參與了燃料調節。

3.4 調整后測試

在重新調整燃料設定參數后,重新起動燃氣輪機,燃氣輪機加速到3 000 r/min后順利繼續升速,同時參數也未出現異常情況。通過將燃氣輪機在加速過程中的燃料設定量降低,使燃氣輪機加速過程的燃料量與起動設備匹配的更好,同時在暖機過程中使F2-1、F2-2燃料控制閥控制的燃料量減少,使燃料量低于燃料過多的范疇,以保證空燃比在合理的范圍內。燃氣輪機從加速到暖機過程再到升速的過程中,燃氣輪機每秒種以額定轉速的0.175%速率持續加速并穩定達到全速空載狀態。燃氣輪機起動過程曲線如圖6所示。

圖6 燃氣輪機起動過程曲線(參數調整后)

3.5 改進措施

由于該型燃氣輪機的燃燒器F2-1、F2-2、F2-3、F2-4的噴嘴和燃料控制閥相比于F1更為精密和敏感,因此F2-1、F2-2、F2-3、F2-4參與調節燃料量的范圍更小,也因為F2-1、F2-2、F2-3、F2-4的噴嘴和燃料控制閥比較敏感的特性容易導致故障的發生,當燃料熱值發生巨大變化時,可能會因為控制閥調節不到位而發生故障,因此可以在燃料進入燃料速比閥前增設天然氣熱值儀[1],實時監測天然氣的熱值情況以便發現燃燒明顯的變化,燃氣輪機的控制系統會根據熱值的變化情況,自動調節燃燒系統中的燃料量和燃料控制閥的工作設定參數,從而控制燃燒模式的穩定性,避免發生跳機故障。

4 結論

本文基于某型燃氣輪機,通過對燃氣輪機起動過程中出現火焰缺失故障的分析、起動設備測試,揭示了火焰缺失故障的原因,并通過調整燃料量設定值將故障處理完成,得出的主要結論如下。

(1) 通過對起動設備響應時間的測試,發現從起動電機開始加速達到160%輸出功率和液力變扭器卸荷閥動作時間進行測試結果比對,存在較明顯的時間差,這也正是由于升速過程中起動電機出力延遲,而燃料控制系統中燃燒自動調節功能會自動增加燃料量以彌補升速所需的不足能量,超出了燃燒器正常工作的空氣和燃料比,導致了火焰缺失故障的發生。

(2) 根據起動設備響應時間的延遲測試結果,將燃氣輪機在起動和暖機過程中燃料量設定常數減少,同時將F2-1和F2-2燃料控制閥控制的燃料量減少,使燃氣輪機在起動和暖機過程中升速的曲線更為平緩,以調整在此過程中空氣和燃料配比在相對合理的范圍內,有利于燃氣輪機的穩定加速。

(3) 為防止天然氣熱值波動劇烈,在燃料進入燃料速比閥前增設天然氣熱值儀,實時監測天然氣的熱值情況以便及時發現燃燒明顯的波動變化,同時燃氣輪機的控制系統中燃燒自動調節功能可以通過燃料量的自動控制和燃料控制閥的工作設定,精準控制燃料量和燃燒器的燃燒模式,避免天然氣熱值波動劇烈而發生故障。