AE64.3A型燃氣輪機點火失敗原因分析及處理

劉洋　張煜

摘 要：針對AE64.3A型燃氣輪機在調試期間和商運初期多次點火失敗的情況，通過對其點火系統結構及點火過程的分析，總結了該類型燃氣輪機點火失敗的原因，并提出了相應的預防和改進措施，使該機組目前點火成功率達到100%。

關鍵詞：AE64.3A型燃氣輪機；點火失敗；故障分析；優化

中圖分類號：TK477? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0073-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.019

0? ? 引言

潮州某聯合循環電廠選用AE64.3A型燃氣輪機，是上海電氣國產化小F級燃氣輪機的首次應用，其配套汽輪機、鍋爐、發電機等也均為首臺（套）新型設備。該套機組投用后，有效緩解了潮州市及周邊地區供電緊張的壓力，滿足了潮州電網應急調峰需求，在進一步優化潮州市能源結構、助力其綠色高質量發展方面發揮了重要作用。

作為燃氣輪機機組，需具備緊急備調、電網調峰、快速啟停的功能，為滿足上述功能，要求燃氣輪機一次點火的成功率達100%。然而，AE64.3A型燃氣輪機在啟動時多次出現點火失敗的情況，導致機組啟動延誤，達不到電網應急調峰的需求；且點火失敗將導致電廠發電氣耗和廠用電率上升，經濟性下降，并存在被電網考核的風險。

本文通過對AE64.3A型燃氣輪機啟動點火過程的介紹和點火失敗原因的分析，提出相應的優化改進措施，以期提高該類型機組點火成功率，并為同類型機組提供借鑒參考。

1? ? 點火系統介紹

1.1? ? 點火系統組成

AE64.3A型燃氣輪機采用環形燃燒室，配置24個周向均勻分布的混合雙燃料燃燒器，燃燒室布置情況如圖1所示。

如圖2所示，對于燃氣模式，燃燒器有兩個不同的噴嘴系統：預混和值班燃燒器噴嘴。其中值班燃燒器噴嘴用于點火，在每個值班環腔配備有兩個點火電極（圖3），220 V廠用電經點火變壓器升壓至5 000 V，通過點火電極前端放電產生持續的電弧以點燃燃氣混合物。

如圖4所示，國內AE64.3A型燃氣輪機主要以天然氣為燃料，天然氣經緊急關斷閥（FG STOP VALVE），通過預混閥（PREMIX VALVE）和值班閥（PILOT VALVE）的流量控制調節，分別送入每個燃燒器的預混噴嘴和值班噴嘴參與燃燒。

1.2? ? 點火過程

燃氣輪機接收啟動指令后，通過SFC（靜態勵磁啟動裝置）升速進入高盤清吹模式，清吹8 min后降速至220 r/min，啟動點火程序。控制系統將點火需求流量（0.015 kg/s）通過閥門流量特性曲線計算轉化為開度指令，再通過伺服閥和執行機構對值班閥進行調節打開至點火開度。隨即ESV閥打開，點火變壓器帶電12 s，在電極末端放電打火。ESV閥打開3 s后值班燃料以0.01 kg/s的速度增加質量流量，7 s后增至總點火流量0.085 kg/s。在ESV閥打開12 s內，若至少1個火焰探測器（共2個）檢測到火焰，則認為點火成功，否則判定失敗[1]。點火過程中的各項參數均由調試期間多次冷態和熱態點火啟動試驗獲得，通過測試能成功點火的值班燃料流量和點火轉速等參數范圍，得到最佳參數組作為點火參數設定值，以有效提高機組點火成功率[2]。

參與修正值班氣流量的因素還有壓氣機入口溫度、壓氣機出口溫度、天然氣熱值（目前為預設值）、IGV開度和透平排氣溫度修正值（TETC）。AE64.3A型燃氣輪機在壓氣機出口溫度低于15 ℃時，通過壓氣機出口溫度與值班氣流量函數進行計算修正作為值班氣的點火質量流量設定值，再通過值班燃料控制器輸出轉化為值班閥的開度信號。當壓氣機出口溫度測量不準或熱電偶故障時，可在控制系統組態中切換為TETC與值班氣點火流量修正函數。

2? ? 點火失敗原因分析及處理措施

通過總結調試期間及商運后AE64.3A型燃氣輪機點火失敗案例，結合調試、運行經驗，并從AE64.3A型燃氣輪機點火系統組成和點火過程出發對點火失敗原因進行分析，點火失敗一般可能存在以下故障：

1）點火系統故障：點火變壓器故障、點火電極故障；

2）火焰監測系統故障：石英透鏡故障、火焰監測控制器故障；

3）天然氣參數不滿足要求：熱值波動、純度不足；

4）燃料供應系統故障：管線積水、濾網臟污、值班環管堵塞、燃料閥門卡澀。

當發生點火失敗時，需對上述故障進行逐一排查，盡快恢復點火條件。

2.1? ? 點火系統故障

2.1.1? ? 點火變壓器故障

點火變壓器故障一般指變壓器產生的電壓達不到點火要求、點火電纜短路或接觸不良、變壓器故障不工作。AE64.3A型燃氣輪機配有24個燃燒器和24個點火變壓器，但僅在1、4、7、10、13、16、19、22號值班燃燒器噴嘴末端開有點火孔（圖5、圖6）。點火時，值班燃料從點火孔處流出與空氣混合，在點火電極放電產生的電火花下發生燃燒反應，因此實際點火過程中僅開有點火孔的燃燒器參與點火。當點火變壓器故障時，為排除變壓器的干擾，可將不參與點火的點火變壓器的電纜解除。經實際測試，剩余8個點火變壓器完全滿足點火要求，且解除的點火變壓器可作為備件，當有點火變壓器故障時直接更換。

2.1.2? ? 點火電極故障

點火電極故障一般指點火電極本體損壞或點火電極的放電間隙不當。AE64.3A型燃氣輪機所配點火電極外殼為陶瓷材質，現場安裝時極易破損、折斷。在燃燒器組裝過程中需加強對電極的保護，或者在燃燒器安裝完成后，再進行點火電極安裝。在安裝結束后，需對點火電極外部進行檢查，并進入燃燒室內部進行冷態放電打火試驗，如果能觀測到明顯的電火花，則點火電極安裝合格，否則應通過彎曲電極來調整兩個點火電極之間的間隙，直至能產生持續的電火花。

2.2? ? 火焰監測系統故障

AE64.3A型燃氣輪機設有兩個在燃燒室周向不同位置的火焰探測器監測火焰，通過感光玻璃片采集光信號，經信號轉換器、信號傳輸電纜及火焰放大器傳至控制系統。當兩套火焰監測裝置均未檢測到火焰時，觸發燃氣輪機熄火保護。火焰信號在傳輸的任一環節出現問題都可能導致無法監測燃燒狀態，從而造成系統誤判、點火失敗。

火焰探測器中用于感光的石英鏡片在運行時間增長后易出現臟污甚至產生裂紋[3]，石墨墊片材質偏軟易碎，破損后的石墨渣會影響石英鏡片的透光率。因此，需定期對火檢玻璃進行檢查和清理并進行光感試驗，保證火焰探測器的正常工作。

火焰探測器的信號轉換器與信號傳輸電纜通過6針航空插頭連接，若電纜固定不牢，插頭處易松動且針頭可能彎曲折斷導致信號傳輸不良。且若燃氣輪機本體保溫效果較差，高溫環境會加速信號電纜的老化，老化后的電纜易短路并導致火焰放大器內部保險熔斷或卡件故障。因此，在安裝階段應對電纜做好固定、屏蔽和隔熱措施。

火焰探頭采集的火焰脈沖信號達到一定強度時會觸發火焰繼電器動作，同時火焰信號的強度可在火焰放大器控制面板（圖7）的條形圖（Flame Signal）上看到。當出現內部故障或火焰信號強度低時，火焰繼電器斷開并導致熄火調機。為使火焰監測設備正確工作，必須按技術要求調節火焰放大器的感光靈敏度（Sensitivity）。

2.3? ? 天然氣參數不滿足要求

燃氣輪機點火參數的確定意味著空燃比的確定，空氣進氣量或燃料量發生變化，都可能影響點火成功率。

2.3.1? ? 空氣量變化

在點火轉速確認的情況下，空氣進氣量主要受環境溫度、濕度、IGV角度的影響。在夏季和冬季工況下，受環境影響，夏季空氣的質量流量小于冬季，因此需要在每年夏季和冬季分別進行一次燃燒調整，以排除環境變化帶來的干擾。

AE64.3A型燃氣輪機在30%負荷前，IGV始終維持在最小開度。為排除IGV角度對空氣量的影響，新機啟動前、機組檢修后均需對IGV的角度進行復測并進行冷態調節，確保其角度正確。

2.3.2? ? 天然氣組分變化

因天然氣供應緊張，為保證氣源的穩定性，燃氣輪機電廠一般設計有多路氣源，不同的氣源成分有差異，即使是同一氣源，在氣站上游也無法保證天然氣熱值的穩定性，經常出現管道氣和LNG摻混使用的情況。在點火參數不變的情況下，氣源的切換會導致天然氣沃泊指數（Wobbe Index）變化。當沃泊指數變化較大時，預設點火參數下的當量比偏離較大，易導致點火失敗[4]。為防止熱值變化對點火成功率的影響，某電廠在天然氣入口母管設有天然氣色譜儀[1]，實時監測天然氣成分、熱值，當參數發生變化時，及時做出調整。同時，可以將色譜儀采集數據引入燃氣輪機燃料控制系統，建立函數關系。AE64.3A型燃氣輪機控制系統中預留有天然氣成分參數接口，后期可經調試實現燃燒參數的在線調整。

為保證進入燃燒器的天然氣烷烴濃度100%，在燃氣輪機檢修或氮氣置換后，運行人員應在前置模塊排污口通過手持天然氣檢漏儀檢測天然氣濃度，當濃度不足時，重新進行天然氣置換，防止出現天然氣管道置換不徹底的情況。

2.4? ? 燃料供應系統故障

燃氣輪機電廠所需天然氣經上游分輸站進入電廠調壓站過濾、調壓后，再經前置模塊二次加熱、過濾，由燃氣模塊閥門調節后經天然氣環管分配至各燃燒室參與燃燒。整條供應管路管線長、關節多，為保證點火成功率，需要燃氣供應系統可靠、穩定運行。

2.4.1? ? 天然氣管線積水

根據各地區的實際建設情況，上游天然氣分輸站與電廠的距離有所差異，若距離遠會導致天然氣輸送管道長。且電廠調壓站、前置模塊、燃氣模塊均為模塊化設計，這也導致空間狹小、管路支路和彎頭較多。當環境溫度低、濕度大時，特別是在高海拔地區，天然氣會在管道內生成凝結水，凝結水量增大會對點火造成影響[5]。因此，建議定期對調壓站、前置模塊內過濾器進行疏水，必要時啟動電加熱或通過水浴加熱器提高天然氣溫度。

2.4.2? ? 管線堵塞

天然氣進入燃氣輪機前需經多級過濾，粗、精過濾器均裝有壓差指示器和壓差變送器，可通過壓差示值判斷過濾器是否堵塞。但燃氣模塊入口為一Y型過濾器，無任何監測儀表，隨著運行時間增長，無法判斷其臟污情況。為防止其堵塞對燃燒產生影響，建議定期對濾芯進行檢查，臟污時進行清潔、更換。

在燃氣輪機新機組調試時，還會通過冷、熱反吹對新安裝燃燒器、燃料環管進行吹掃，確保管線清潔、暢通。

2.4.3? ? 燃氣閥門卡澀、行程漂移

AE64.3A型燃氣輪機采用單獨液壓油箱供油至燃氣閥門油動機，若油質不合格，會造成各液壓閥的濾網堵塞、伺服閥卡澀等情況，從而引起天然氣流量失調導致點火失敗。因此，閥門的精確調節需要滿足規范要求的液壓油，AE64.3A型燃氣輪機選用殼牌L-HM 46抗磨液壓油，在閥門調試前需進行濾油工作，直至油質合格[6]。

同樣，值班閥行程漂移、異物堵塞、閥籠（控制閥中用于流量調節的結構，如圖8所示）錯位也會使得天然氣流量控制失準而導致點火失敗。AE64.3A型燃氣輪機燃氣閥門選用Pruss閥體和Rexroth液壓執行機構。在進行調試前，需先確認值班控制閥閥籠是否安裝正確，某電廠調試時就出現值班閥閥籠選用了非調節型和閥籠安裝錯位的問題而導致點火一直失敗。然后通過對值班控制閥進行冷態校驗標定零位與滿位。在熱態調試時，通過比對值班控制閥后的流量計測得的數值，對預設的閥門流量特性曲線進行修正。當出現點火失敗故障后，可與之前點火成功時值班控制閥后的流量計數據進行比對來判斷值班閥行程是否漂移。

3? ? 結束語

燃氣輪機的點火性能是燃氣輪機啟動過程中一項關鍵技術指標，可靠穩定地點火是確保燃氣輪機能夠正常運行的重要環節。本文從AE64.3A型燃氣輪機點火系統結構和點火過程出發對影響其點火成功率的因素進行分析，總結調試經驗并提出相關設備管理措施和故障排查建議，可供同類型機組在解決類似故障時借鑒參考。

涉及燃氣輪機點火成功率的因素較多，日常工作中應加強設備管理和定期維護，在發生點火故障時應對相關數據進行分析，對常見因素進行詳細排查，快速找出故障點，盡快恢復點火條件，保障機組按時并網。

[參考文獻]

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[3] 李家松，謝亞軍.V94.3A型燃氣輪機火檢裝置燒毀原因分析及改進[J].發電設備，2014，28（5）：373-375.

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[5] 宋馨.V94.3A型燃氣輪機點火失敗原因分析及解決方案[J].華電技術，2019，41（8）：24-26.

[6] 彭勇.關于A燃氣輪機電廠建設期油質監督管理的探討[J].能源與節能，2022（6）：148-151.

收稿日期：2023-03-14

作者簡介：劉洋（1994—），男，安徽人，助理工程師，研究方向：燃氣-蒸汽聯合循環電廠生產運行。

張煜（1976—），男，廣東人，工程師，研究方向：燃氣-蒸汽聯合循環電廠生產運行。