幾例PG9171E型燃氣輪機熱工控制系統(tǒng)故障事件和處理辦法

富兆龍

(深圳鈺湖電力有限公司，廣東 深圳 518111)

幾例PG9171E型燃氣輪機熱工控制系統(tǒng)故障事件和處理辦法

富兆龍

(深圳鈺湖電力有限公司，廣東 深圳 518111)

介紹了PG9171E型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在長期運行實踐中總結的熱工專業(yè)方面的幾起故障事件和處理方法。通過技術改造和優(yōu)化工藝，提高了熱工設備的安全性和可靠性，預防了人為誤操作。這為同類型的燃氣電廠提供了經(jīng)驗和參考。

PG9171E型；燃氣輪機；熱工控制

PG9171E型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組采用“一拖一”的工作方式。最新控制系統(tǒng)為GE公司的MarkVIe系列。現(xiàn)將近年在9E型DLN1.0燃氣輪機運營實踐中涉及熱工控制的故障事件和處理辦法整理如下。

(1)啟機過程燃燒模式切換失敗和處理。

(2)透平排氣溫度主保護信號人為誤動導致跳閘事件和處理。

(3)2號軸承瓦振測點故障和處理。

(4)啟機點火失敗故障和處理。

(5)零起盤車失敗事件和處理。

1 9E型DLN1.0燃氣輪機啟機過程中燃燒模式切換失敗和處理

1.1 燃燒模式工作原理

DLN1.0燃氣輪機組共設計有8種燃燒模式(見表1)。機組正常啟動過程按照先后順序依次為初始燃燒模式、貧貧(正)燃燒模式、二次切換模式、預混切換模式和預混穩(wěn)定模式5種燃燒模式。模式之間的切換觸發(fā)變量為燃氣輪機燃燒溫度值(TTRF1)[1](見表2)。

表2 深圳某燃氣電廠燃燒模式切換溫度、死區(qū)

注：℉為華氏溫度。1℃=1.8℉；0℃時為32℉。

1.2 燃氣輪機啟機過程燃燒模式切換失敗事件

圖1為某DLN1.0改造9E燃氣電廠在啟機過程中，先后2次燃燒模式切換失敗的曲線趨勢，事件較為典型。

第1次事件為機組在轉為PM_XFER模式后，燃燒溫度TTRF1波動下幅劇烈，燃燒室1區(qū)重點火，燃機回切到LL_NEG模式。

第2次事件為運行人員在機組尚運行在LL_NEG模式下，再次選擇BASE LOAD，機組不能執(zhí)行正常啟機燃燒模式切換流程，不能進入PM_SS模式，啟機再次失敗。

1.3 切換失敗事件分析

圖1 深圳某DLN1.0改造9E燃氣電廠在啟機燃燒模式切換失敗曲線

9E型燃氣輪機燃燒溫度TTRF1受到環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、燃料熱值、控制閥組工作狀態(tài)、IGV開度、透平燃燒狀況(反映為排氣溫度、排氣分散度)等多因素的影響。在啟停機過程中，會偶發(fā)燃燒模式切換失敗的問題。在啟機時，集中發(fā)生在預混切換模式(PM_XFER) → 預混穩(wěn)定模式(PM_SS)轉換過程[2]。

如圖1所示，在事件1中，機組進入PM_XFER模式后，TTRF1有較大幅度的下降，數(shù)值低至1 989.6°F，小于1 990°F(FXKTL2- FXKTL2DB)。邏輯觸發(fā)燃燒室1區(qū)重點火指令L3FXTV1，機組進入LL_NEG模式。

在事件2中，機組進入L-L_NEG模式，負荷降至72 MW后，運行人員選擇 BASE LOAD。但此時TTRF1為1 967°F，不滿足回切至LL_POS的溫度值1 950°F(FXKTS1- FXKTS1DB)條件，邏輯不允許機組直接回切至預混模式，機組依然運行在LL_NEG模式。機組再次嘗試啟機切至PM_SS失敗。

1.4 切換失敗優(yōu)化方法

針對事件1，在預混切換模式(PM_XFER) → 預混穩(wěn)定模式(PM_SS)轉換過程中，燃燒溫度下降幅度大的問題，從根源進行排查處理。

(1)檢查燃燒系統(tǒng)傳動裝置。首先，對液壓油路檢查，伺服閥濾網(wǎng)清潔，油質(zhì)為合格。遂對IGV和控制閥組進行標定，指令和反饋(就地和遠方)偏差小于標準值0.5%，以及傳動試驗閥組無波動問題，可排除傳動裝置的影響。

(2)檢查機械燃燒熱部件。重點檢查一級燃燒噴嘴(包括旋流器)、二級燃燒噴嘴的損壞和孔洞結焦情況。經(jīng)孔探檢查部件完好，可排除熱部件的影響。

(3)修正燃燒切換點溫度值參數(shù)，以降低切換條件的門檻。即降低預混切換模式→ 預混穩(wěn)定模式切換溫度FXKTL2，或增加相應的切換死區(qū)溫度FXKTL2DB。但經(jīng)運行試驗得知該機組預混燃燒模式下的燃燒脈動臨界值為1 980 °F。依表2可知，如適當放大FXKTL2DB或降低切換溫度FXKTL2，在機組停機中，執(zhí)行預混穩(wěn)定模式→貧貧(負)燃燒模式切換期間，機組將進入燃燒脈動區(qū)間。該方法不適用本機組。

(4)在運行操作上進行優(yōu)化。預選適當負荷值(以深圳某9E型燃氣電廠為例，機組穩(wěn)定在75 MW負荷運行15 min)，保證在機組進入二次切換模式前，穩(wěn)定燃燒一段時間后，再進行BASE LOAD方式選擇，以保證燃燒溫度不因“二次切換→預混切換→預混穩(wěn)定模式”過程中，IGV和控制閥組的變動，不至使燃燒溫度有過大的下降。

針對事件2，當啟機過程中，發(fā)生機組重點火，且進入LL_NEG模式，需要使機組重新運行在預混穩(wěn)定模式，要先降低負荷(燃燒溫度)，確保機組重新進入貧貧(正)燃燒模式，即燃燒溫度值TTRF1<(FXKTS1-FXKTS1DB)，再重新執(zhí)行升負荷指令。

2 9E型燃氣輪機透平排氣溫度主保護信號人為誤動導致的跳閘事件和處理

2.1 型燃氣輪機排氣溫度主保護

PG9171E型燃機的透平排氣溫度是由安裝在透平后缸的24支K分度熱電偶獲取的(部分機組采用J分度熱電偶)。其位置分布如圖2所示，熱電偶編序應與控制邏輯保持一致[2]。

圖2 PG9171E型燃機的透平排氣溫度測點位置分布

PG9171E型燃機的透平排氣熱電偶參與的主保護控制功能如下：

(1) 透平排氣超溫保護(L86TXT)；

(2) 透平排氣溫度分散度保護(L30SPT)；

(3) 透平排氣熱電偶故障保護(L86TFB)。

2.2 溫度主保護信號誤動跳閘事件

深圳某燃機電廠在運期間發(fā)生14號排氣熱電偶故障開路問題。根據(jù)透平排氣熱電偶故障保護(L86TFB)可知，當在24支透平排氣熱電偶中，有任意相鄰的2支熱電偶同時出現(xiàn)壞值量，機組執(zhí)行跳機程序。

為防止故障擴大而引起排氣溫度主保護動作，采取臨時退保護措施，即強制L86TFB置0，以期在機組停運后，對故障熱電偶進行更換處理。

此時的L86TFB為False(0)狀態(tài)，需人為激活“Force value”以使其信號保持為“Flase”。但執(zhí)行過程中，在激活“Force value”后，人為錯誤選中信號翻轉指令“Toggle Value”，如圖3所示，導致L86TFB置1，機組跳機。

2.3 信號誤動跳閘事件總結

圖3為MarkVIe控制系統(tǒng)強制信號操作界面(Send Value)。對當前狀態(tài)為“Flase”的信號進行“Flase”強制，正確的執(zhí)行步驟為勾選“Force value”→選中“Next Value”欄中的“Flase”指令→點擊“Send&Close”。

MarkVIe控制系統(tǒng)在“Send Value”界面中，設有“Toggle Value”，作用是為方便進行系統(tǒng)的傳動試驗，但也增加了誤動的風險。

故而，在對邏輯信號進行強制作業(yè)時，要明確強制信號所要求的最終狀態(tài)后，方可對“Next Value”欄中的“Flase”或“True”指令進行選擇。同時，慎用“Toggle Value”功能。

圖3 MarkVIe控制系統(tǒng)強制信號操作界面(Send Value)

3 9E型燃氣輪機2號軸承瓦振測點故障和處理

3.1 燃氣輪機軸承瓦振工作原理

9E型燃氣輪機共裝有8個瓦振，為動圈式電磁傳感器，分別位于透平側的1號軸承(BB1、BB2)、2號軸承(BB3)、3號軸承(BB4、BB5)，以及發(fā)電機側的4號軸承(BB10、BB11)和5號軸承(BB12)。透平側瓦振安裝位置結構如圖4所示。

圖4 9E型燃氣輪機透平側瓦振布置結構

燃機軸承瓦振測點參與本體主保護控制邏輯如表3所示，控制策略也根據(jù)就地實際測點分為兩部分。

表3 9E燃氣輪機軸承瓦振保護邏輯

3.2 燃氣輪機在運期間2號軸承BB3故障事件

圖5所示為深圳某燃機電廠3號機在冷態(tài)啟機并網(wǎng)帶65 MW時，2號軸承BB3瓦振測點異常波動，數(shù)值由1.52 mm/s跳變至75.24 mm/s，又迅速降至0～0.01 mm/s，并在此區(qū)間開始小幅波動。MarkVIe系統(tǒng)觸發(fā)“Vibration input for seismic Sensor3”報警。

同時，透平側的BB1、BB2數(shù)值在1.26～1.28 mm/s范圍,并且BB4、BB5數(shù)值在1.72～1.83 mm/s范圍，屬正常區(qū)間，無異常。

該狀況在2015～2016年間，已頻繁發(fā)生。

圖5 深圳某9E燃氣電廠2號軸承BB3瓦振測點異常波動曲線

3.3 燃氣輪機在運期間2號軸承BB3故障原因分析

外觀檢查，BB3傳感器本體和延長電纜無損壞，中間接頭連接處無破損或因滲水滲汽問題。對BB3輸出值進行就地接線回路測量，輸出值為0V。

在安裝工藝上，9E型燃氣輪機2號軸承BB3瓦振測點因其本體的機械結構設計所限，采用倒裝方式安裝在在2號軸承座上，位于燃燒室底部，貼近燃燒溫度峰值位置，且臨近滑油管路法蘭面(此處存在漏氣問題)。工作環(huán)境惡劣[3]。

通過加裝臨時溫度測點，得到3號機滿負荷穩(wěn)定運行過程時，BB3安裝處溫度值，與同型號機組在同時段同工況的數(shù)據(jù)對比，如表4所示。3號機BB3工作環(huán)境溫度明顯偏高。

表4 某9E燃氣電廠1號機和3號機BB3工作環(huán)境溫度數(shù)據(jù)對比表

BB3測點采用Metrix5485c系列的動圈式磁電傳感器(見圖6)。此傳感器的敏感元件(動線圈、永性磁鐵等)和信號處理電子元件(如運算放大器、檢波器等)位于同一殼體內(nèi)，所以能承受的外界溫度受到限制。

圖6 Metrix5485c系列的動圈式磁電傳感結構

故而得到結論，該故障的頻繁發(fā)生是因為BB3測點長期處于高溫工況下，致使信號放大元件損壞。

3.4 BB3瓦振測點頻繁故障的處理方法

為根本上解決9E型燃氣輪機2號軸承BB3瓦振測點因高溫環(huán)境受損的問題，對其進行選型替換。新型瓦振測點采用Bently330752型?；緟?shù)選型原則遵循：

(1) 輸出量的靈敏系數(shù)保持一致；

(2) 輸出量的單位保持一致；

(3) 輸出量的量程保持一致。

330752型傳感器在設計上將敏感元件與信號處理電子元件分開，如圖7所示。敏感元件獨立安裝在高溫區(qū)域，用延長電纜將信號引至安裝在溫度較低位置的信號處理電子元件，再用連接電纜做傳感器信號傳輸介質(zhì)變更，引至MarkVIe控制系統(tǒng)。該種安裝方式，可實現(xiàn)傳感器在高溫工況下運行的要求，耐溫可達到400℃。

圖7 Bently330752型壓電式傳感結構

因Bently330752型壓電式傳感器不同于動圈式傳感器，需變更為系統(tǒng)供電方式，故而要在系統(tǒng)軟硬件設置上進行如下優(yōu)化處理：

(1)ToolboxST軟件組態(tài)設置測點類型、靈敏度等；

(2)MarkVIe系統(tǒng)I/O Park進行供電方式的跳線處理。

4 9E型燃氣輪機啟機點火失敗故障和處理

4.1 燃氣輪機點火裝置工作原理

點火裝置的火花塞安裝結構如圖8所示。其工作原理為MarkVIe控制系統(tǒng)給出點火指令時(l2tvx1=1)，輸出繼電器回路供給AC110 V至燃氣輪機透平間點火變壓器。變壓器升壓為AC15 000 V輸出。該高電壓、小電流擊穿空氣放電，接觸空氣和天然氣混合物實現(xiàn)點火[4]。

火花塞由固定裝置安裝在11號、12號火焰筒上，火花塞穿過火焰筒外殼，塞頭伸入導流襯套[5]。

圖8 火花塞安裝結構

4.2 燃氣輪機啟機點火失敗事件

深圳某燃機電廠對燃機火焰筒進行拆裝更換，完成點火裝置的復裝后(工作前，對火花塞外觀檢查，殼體無劃損，陶瓷內(nèi)套無破裂)，進行假點火試驗。切斷氣源，強制MarkVIe控制系統(tǒng)l2tvx1信號為1?，F(xiàn)場確認11號、12號火焰筒有明顯打火聲響。

機組進行正常啟機流程。當清吹計時結束后，液力變扭器角度由50°降至15°，電磁閥20TU-1失電，燃機轉速開始下降。當轉速降至12%TNH時，控制系統(tǒng)發(fā)點火命令，計時60 s(K2F)，一區(qū)火焰探測器顯示無火焰，點火失敗，點火失敗后手動轉入CRANK模式。

4.3 燃氣輪機啟機點火失敗事件分析

經(jīng)孔探確認，11號、12號火焰筒上兩支火花塞安裝均未伸入導流襯套，高壓電弧不能與燃料充分接觸，致使機組點火失敗。

4.4 燃氣輪機的火花塞安裝工藝優(yōu)化方法

為避免火花塞安裝出現(xiàn)類似問題，對工藝進行如下優(yōu)化。

(1) 外觀檢查。重點檢查殼體有無破損，塞頭陶瓷部分有無破裂。

(2) 筒外打火試驗。將火花塞固定在火焰筒外，強制信號l2tvx1=1。觀察火花塞放電打火情況。試驗過程中，嚴控距離，保證人身安全。

(3) 按照圖紙尺寸，安裝火花塞，保證塞頭進入導流襯套的深度在0.35～0.41 cm。

(4) 孔探驗證。對火焰筒內(nèi)的火花塞的插入深度進行驗證，已確認火花塞塞頭伸入導流襯套適當距離，且與襯套無接觸。

(5) 筒內(nèi)打火試驗。強制信號l2tvx1=1，監(jiān)聽火花塞放電打火聲響。

但需要注意的是，對返修件不能完全依賴圖紙，孔探驗證很有必要。

5 9E型燃氣輪機零起盤車失敗事件和處理

5.1 啟動裝置工作原理

啟動裝置為燃氣輪機機組啟動提供動力。當燃機點火成功，并達到自持轉速時，啟動裝置自動脫扣。其主要組成部分為啟動馬達(88CR)、液力變扭器、液力變扭器導葉電機(88TM)等。

5.2 零起盤車失敗事件

深圳某燃機電廠燃機檢修后，投盤車試運。運行人員點擊“Cooldown on”，輔助潤滑油泵、頂軸油泵、抽油霧風機啟動，潤滑油母管油壓和油箱負壓建立正常。點擊“Start”，延時30 s后主保護L4=1，啟動馬達88CR啟動。隨后，HMI始終顯示轉速為0。MarkVIe控制系統(tǒng)因未能監(jiān)測到加速度信號，執(zhí)行L4T跳閘命令[5]。

5.3 零起盤車失敗事件分析和處理

對88CR啟動馬達進行點停試運，確認其工作正常。遂檢查液力變扭器油路是否通暢，對液力變扭器充油放油電磁閥20TU-1進行傳動試驗，發(fā)現(xiàn)電磁閥傳動機構不動作。檢查其供電電壓和線圈電阻無異常。拆下電磁閥，外觀檢查發(fā)現(xiàn)閥桿固定螺帽丟失。

判斷因該處固定螺帽松脫而導致電磁閥閥桿跑位，閥位不動作，油路不通。液力變扭器無工作介質(zhì)。

更換同型號電磁閥后，傳動試驗驗證閥門動作正常，油路暢通。機組正常執(zhí)行盤車程序。

6 結語

本文結合多家PG9171E型燃氣輪機機組在實際運行過程中發(fā)生的問題，總結出相應的處理和優(yōu)化辦法。目的在于最終提高機組的安全可靠性和防止人為誤操作。這為同類型燃氣電廠提供經(jīng)驗和參考。

[1]柴志紅,劉志勇,萬洪軍,等. PG9171E型燃氣輪機DLN1.0燃燒調(diào)整技術分析[J].燃氣輪機技術,2015,28(3):53-61.

CHAI Zhi-hong, LIU Zhi-yong, WAN Hong-jun, et al. Analysis on DLN1. 0 combustion technologies for PG9171 E gas turbine[J]．Gas Turbine Technology，2015，28(3):53-61.

[2]富兆龍,劉志勇,張琨鵬,等. PG9171E型燃氣輪機溫度控制分析[J].中國電力,2015,48(2):31-37.

FU Zhao-long, LIU Zhi-yong, ZHANG Kun-peng, et al. Analysis on temperature control for pg9171e gas turbines[J].Electric Power, 2015, 48(2): 31-37.

[3]沈陽黎. 明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司. 燃氣輪機原理、結構與應用[M].北京:科學出版社,2002.

[4]李愛玲,張曉軍. 9FA燃氣輪機點火失敗原因及其系統(tǒng)特性分析[C]//中國電機工程學會燃汽輪機發(fā)電專業(yè)委員會2010年年會論文集,2010.

(本文編輯：楊林青)

電力簡訊

全國能源工作會議確定2017年度重點工作

2017年能源工作重點做好以下工作：

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(本刊訊)

SeveralFailureEventsandSolutionsforThermalControlSystemofPG9171EGasTurbine

FUZhao-long

(ShenzhenYuhuPowerCo.,Ltd.,Shenzhen518111,China)

ThispaperintroducesseveralfailureeventsandsolutionsforthethermalcontrolsystemofPG9171Egasturbineduringtheoperation.Byprocessoptimizationandtechnicaltransformation,thesecurityandreliabilityofthethermalequipmentsarehighlyimproved,andtheman-madewrongoperationisprevented.Thisresearchcanprovidesomeexperienceandreferencetothesametypeofthermalpowerplants.

PG9171E;gasturbine;thermalcontrol

10.11973/dlyny201701017

富兆龍(1985)，男，碩士，工程師，從事燃氣輪機熱控管理工作。

TK473；TP

A

2095-1256(2017)01-0072-06

2016-11-12