V94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火失敗原因分析及解決方案

宋馨

(國家電投集團(tuán)鄭州燃?xì)獍l(fā)電有限公司，鄭州 450001)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱燃機(jī))點(diǎn)火在機(jī)組整組啟動(dòng)過程中相當(dāng)重要，如果出現(xiàn)點(diǎn)火失敗，將大大拖延機(jī)組整組啟動(dòng)的時(shí)間和節(jié)奏，同時(shí)影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[1]，因此，研究燃機(jī)點(diǎn)火失敗成因和解決方案具有重要意義。河南某燃?xì)怆姀S采用2臺(tái)德國西門子公司制造的GUD 1S V94.3A燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，設(shè)計(jì)燃料為天然氣。近年來，機(jī)組啟動(dòng)過程中多次出現(xiàn)點(diǎn)火失敗情況，本文對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，并針對(duì)此類問題提出解決方案。

1 V94.3A燃機(jī)啟動(dòng)及點(diǎn)火失敗情況介紹

1.1 啟動(dòng)過程

V94.3A燃機(jī)啟動(dòng)分為以下幾個(gè)主要階段。

(1)機(jī)組整組準(zhǔn)備啟動(dòng)，獲得燃機(jī)允許啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)允許啟動(dòng)、鍋爐允許啟動(dòng)、輔機(jī)允許啟動(dòng)等條件。

(2)燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)令，啟動(dòng)變頻器(SFC)投入，帶動(dòng)燃機(jī)壓氣機(jī)鼓風(fēng)(12.5 Hz)，對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行8～10 min的清吹，防止因天然氣集聚而引起爆燃。

(3)燃機(jī)清吹結(jié)束，機(jī)組惰走至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速(5～7 Hz)。

(4)SFC再次投入帶動(dòng)機(jī)組升速，至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時(shí)點(diǎn)火變壓器投入，12 s內(nèi)火焰探測(cè)器監(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)反饋，期間燃機(jī)持續(xù)升速。如果12 s內(nèi)未監(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)，則熄火保護(hù)觸發(fā)，防止過多燃料氣噴入。

(5)燃機(jī)點(diǎn)火升速至自持轉(zhuǎn)速(38.5 Hz)以上，SFC退出，機(jī)組繼續(xù)升速至額定轉(zhuǎn)速。

(6)發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)，燃機(jī)啟動(dòng)過程結(jié)束。

1.2 點(diǎn)火失敗情況

2018年7月1—30日，該公司2臺(tái)機(jī)組累計(jì)啟動(dòng)52次，點(diǎn)火失敗10次，點(diǎn)火失敗率達(dá)19.2%。檢查機(jī)組報(bào)警記錄，除點(diǎn)火失敗的典型報(bào)警外無其他異常報(bào)警，說明機(jī)組點(diǎn)火失敗不是其他原因觸發(fā)機(jī)組熄火保護(hù)，而是因?yàn)辄c(diǎn)火轉(zhuǎn)速下燃燒器投入后火焰強(qiáng)度不足，火焰探測(cè)器監(jiān)測(cè)不到火焰。

1.3 點(diǎn)火失敗的影響

(1)燃機(jī)的特點(diǎn)是啟停速度快，調(diào)峰作用明顯。但是1次點(diǎn)火失敗將拖延機(jī)組啟動(dòng)30 min，延誤啟機(jī)時(shí)機(jī)，調(diào)峰優(yōu)勢(shì)大打折扣，同時(shí)還會(huì)影響當(dāng)日天然氣批復(fù)氣量完成率。

表1 機(jī)組點(diǎn)火失敗運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of ignition failure of the unit

(2)燃機(jī)1次點(diǎn)火啟動(dòng)約消耗廠用電4 MW·h，點(diǎn)火失敗將增加廠用電消耗量。

(3)燃機(jī)靠SFC拖動(dòng)升速點(diǎn)火，1臺(tái)SFC最多可連續(xù)3次啟動(dòng)升速，連續(xù)多次點(diǎn)火將造成設(shè)備壽命折損。

2 原因分析

通常情況下，檢查燃機(jī)點(diǎn)火失敗原因多從檢查火焰探測(cè)器、點(diǎn)火電極、點(diǎn)火線圈、點(diǎn)火變壓器，調(diào)整點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，分析天然氣品質(zhì)等方面入手，此次擴(kuò)大分析范圍，對(duì)燃機(jī)的燃燒、點(diǎn)火方式進(jìn)行分析。

分析機(jī)組點(diǎn)火失敗時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)(見表1)，對(duì)比環(huán)境溫度、燃?xì)馄焚|(zhì)、點(diǎn)火轉(zhuǎn)速等方面無共性，唯一比較相似的是點(diǎn)火失敗多出現(xiàn)在環(huán)境濕度較大的情況下。因此，著重分析環(huán)境濕度的影響。

大氣中含有水蒸氣，天然氣燃燒過程中也會(huì)產(chǎn)生水分，因此，機(jī)組運(yùn)行期間，在燃燒器、天然氣環(huán)形管道以及擴(kuò)散供氣調(diào)節(jié)閥之后的管道(特別是水平管段)，可能會(huì)生成凝結(jié)水，環(huán)境濕度越大，壓縮狀態(tài)下水蒸氣凝結(jié)為水的可能性越大，凝結(jié)水量增大會(huì)對(duì)點(diǎn)火造成影響。

西門子V94.3A型燃機(jī)燃燒模式分為預(yù)混燃燒模式和擴(kuò)散燃燒模式。預(yù)混燃燒模式是將天然氣與一次空氣預(yù)先混合后，再供入燃燒室中燃燒，其特點(diǎn)是燃燒火焰較短，燃燒穩(wěn)定性較差，需要有穩(wěn)燃火焰支持，在高負(fù)荷工況下燃燒效率高，產(chǎn)生的NOx較少，低負(fù)荷下燃燒效率差，火焰不穩(wěn)定。擴(kuò)散燃燒模式是將天然氣與空氣分別供入燃燒區(qū)，邊混合邊進(jìn)行燃燒，其特點(diǎn)是火焰比預(yù)混燃燒的長，燃燒穩(wěn)定范圍寬，在低負(fù)荷工況下對(duì)燃燒效率影響不大，產(chǎn)生的NOx較多[1]。由于預(yù)混燃燒模式燃燒效率高、NOx排放量較少，所以燃機(jī)正常接帶負(fù)荷過程中均采用預(yù)混燃燒模式。擴(kuò)散燃燒模式僅用于燃機(jī)升速至額定轉(zhuǎn)速時(shí)提供穩(wěn)定的火焰，在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行中停用。機(jī)組正常運(yùn)行期間，擴(kuò)散燃燒天然氣管道是死區(qū)，如果機(jī)組下次啟動(dòng)前管道中留有大量凝結(jié)水或飽和狀態(tài)的水汽，機(jī)組初點(diǎn)火階段火焰強(qiáng)度較低時(shí)，水和水蒸氣會(huì)吸收火焰的能量，熄火也就在所難免了。

為提高機(jī)組采用擴(kuò)散模式啟動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火成功率，西門子公司設(shè)計(jì)了擴(kuò)散燃燒天然氣管道疏水系統(tǒng)(如圖1所示)，管道中的凝結(jié)水可通過電動(dòng)疏水閥流到疏水箱中，系統(tǒng)根據(jù)疏水箱液位自動(dòng)疏水。該疏水程序在每次燃機(jī)啟動(dòng)前、熄火后、水洗后均會(huì)執(zhí)行，運(yùn)行中每2 h也會(huì)執(zhí)行1次，以防止管道積水。

對(duì)多次點(diǎn)火失敗的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)規(guī)律。

(1)機(jī)組點(diǎn)火失敗多出現(xiàn)在環(huán)境濕度較大的情況下，特別是點(diǎn)火前一日空氣濕度很大時(shí)，天然氣管道中可能積水或留存濕空氣。機(jī)組停運(yùn)后及下次啟動(dòng)前，由于燃機(jī)轉(zhuǎn)速較低，吹掃管道的壓力很低，基本為無壓疏水，對(duì)該部分積水的疏水效果不會(huì)太明顯。

(2)#1機(jī)組點(diǎn)火失敗幾率明顯高于#2機(jī)組。建立#1機(jī)組擴(kuò)散管道天然氣疏水過程曲線，發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行中并不是每次都能順暢進(jìn)行疏水。多數(shù)情況下擴(kuò)散管道疏水閥打開時(shí)疏水箱內(nèi)的壓力沒有明顯升高，說明沒有氣流帶動(dòng)積水進(jìn)入疏水箱，未完成有效疏水。由圖2可見，機(jī)組運(yùn)行中的8次疏水僅有1次有實(shí)際壓力上升。

圖1 燃機(jī)擴(kuò)散燃燒天然氣管道疏水系統(tǒng)控制界面Fig.1 Gas turbine diffusion combustion natural gas pipeline drainage system control interface

圖2 #1燃機(jī)運(yùn)行過程中擴(kuò)散燃燒天然氣管道疏水曲線Fig.2 Drainage curve of diffusion combustion natural gas pipeline during the operation of No.1 gas turbine

對(duì)#1機(jī)組擴(kuò)散管道疏水閥進(jìn)行檢查試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行過程中，該閥閥芯有效動(dòng)作的幾率不高。隨后對(duì)該閥進(jìn)行了臨時(shí)處理以提高動(dòng)作靈活性，并制定了更換計(jì)劃。

(3)越接近停機(jī)時(shí)進(jìn)行疏水操作，下次點(diǎn)火的成功率越高。因?yàn)闄C(jī)組運(yùn)行中燃燒室乃至燃燒器中的壓力接近壓氣機(jī)出口壓力(約1.7 MPa)，此時(shí)的疏水是有壓疏水，效率明顯高于無壓疏水。而疏水越接近停機(jī)，后續(xù)產(chǎn)生積水的量就越小，下次點(diǎn)火時(shí)的成功率也會(huì)相應(yīng)提高。

3 解決方案

即使是每次擴(kuò)散管道疏水均能成功進(jìn)行，仍然會(huì)有點(diǎn)火失敗的情況，說明疏水后管道內(nèi)再次產(chǎn)生的水分仍會(huì)對(duì)下次點(diǎn)火造成影響。環(huán)境濕度和機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生積水是不可避免的，為避免點(diǎn)火失敗，提出以下幾個(gè)解決方案。

(1)在每次燃機(jī)停運(yùn)前(30 MW負(fù)荷左右)手動(dòng)執(zhí)行1次天然氣擴(kuò)散管道疏水程序，并確認(rèn)此次疏水過程有效(以疏水箱內(nèi)壓力和液位上升為依據(jù))，保證此次疏水至燃機(jī)停運(yùn)過程中沒有過多水分生成。

(2)機(jī)組停運(yùn)保養(yǎng)過程中，適時(shí)投入燃機(jī)防潮加熱器并確認(rèn)防潮加熱器有效工作，保證燃機(jī)內(nèi)留存的空氣處于較干燥狀態(tài)。

(3)通過修改機(jī)組順控邏輯或手動(dòng)操作，在燃機(jī)每次點(diǎn)火前的清吹過程中對(duì)天然氣擴(kuò)散管道進(jìn)行疏水，最好同時(shí)開啟擴(kuò)散管道疏水閥和疏水箱放氣閥，利用燃機(jī)清吹轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的氣壓(12.5 Hz清吹轉(zhuǎn)速下燃燒室內(nèi)的氣壓為0.1 MPa)對(duì)天然氣擴(kuò)散管道進(jìn)行長時(shí)間吹掃疏水。機(jī)組對(duì)擴(kuò)散管道疏水閥和疏水箱放氣閥有保護(hù)邏輯，在2個(gè)閥門同時(shí)開啟的情況下會(huì)停運(yùn)燃機(jī)，因此要想實(shí)現(xiàn)更好的疏水效果，需要對(duì)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和清吹狀態(tài)的邏輯判據(jù)進(jìn)行有效甄別，區(qū)別對(duì)待。燃機(jī)清吹階段允許同時(shí)開啟擴(kuò)散管道疏水閥和疏水箱放氣閥，可以更有效地對(duì)天然氣擴(kuò)散管道進(jìn)行疏水。

以上幾項(xiàng)措施可并用。

(4)在現(xiàn)有的設(shè)備上進(jìn)行系統(tǒng)改造，從燃機(jī)天然氣擴(kuò)散燃燒調(diào)節(jié)閥下游管道處接入壓縮空氣(采用廠用壓縮空氣，壓力為0.7 MPa)，采用電磁閥控制，在燃機(jī)啟動(dòng)前用壓縮空氣進(jìn)行吹掃。該操作可手動(dòng)進(jìn)行，也可將控制邏輯做入燃機(jī)啟動(dòng)邏輯中。

4 結(jié)束語

該電廠于2018年9月更換了擴(kuò)散燃燒天然氣管道疏水閥，每次疏水程序均能有效執(zhí)行，71次啟動(dòng)過程僅出現(xiàn)1次點(diǎn)火失敗情況，說明提高疏水成功率對(duì)點(diǎn)火有一定影響，而天氣轉(zhuǎn)涼、大氣濕度下降是另外一部分原因。后續(xù)還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，以進(jìn)一步優(yōu)化疏水系統(tǒng)。