IGCC 低熱值燃機啟動失敗原因分析及處理

（華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452）

0 引言

IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）發(fā)電技術(shù)是目前國際公認的最高效潔凈的煤基發(fā)電技術(shù)[1]，華能天津IGCC 示范項目是世界上第六座IGCC 電站，該項目以國家“十一五”“863 計劃”重大課題為依托，現(xiàn)已投產(chǎn)運行6 年多，并于2018 年9 月26 日創(chuàng)造IGCC 機組連續(xù)運行世界紀(jì)錄，為中國電力環(huán)保事業(yè)做出了突出貢獻。IGCC 電站主要包括空分島、化工島和動力島三大單元，由空分島空氣分離產(chǎn)生的純氧進入化工島用于氣化爐燃燒反應(yīng)，氣化爐中煤與氧氣燃燒反應(yīng)生成合成氣后進入除灰脫硫凈化系統(tǒng)，凈化后的干凈合成氣進入動力島低熱值燃機燃燒發(fā)電，燃機排氣進入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電[2]。天津IGCC 電站低熱值燃氣輪機為西門子SGT5-2000E（LC）型號，該型燃機是西門子為IGCC 機組定制型號，在壓氣機和燃燒器方面針對低熱值燃料合成氣進行了改進，壓氣機級數(shù)由原來的16 級改為17 級，同時改進燃燒器的燃料管路分布以及噴嘴出口，使空氣和燃料氣更好地混合，達到低NOX排放并穩(wěn)定燃燒的目的[3]。該燃機燃用燃油和合成氣2種燃料，燃機啟動階段使用燃油進行點火沖轉(zhuǎn)，燃油模式定速3 000 r/min 后進行并網(wǎng)，負荷提高至65%左右選擇燃料切換至合成氣模式運行，合成氣為該型燃機的主要燃料，機組正常運行期間燃機均在合成氣模式下。

本文介紹了天津IGCC 電站在2018 年10 月份D 級檢修（以下簡稱“D 修”）工作結(jié)束后，出現(xiàn)燃機在冬季工況下點火啟動困難的現(xiàn)象，分析了燃機啟動失敗的主要影響因素，提出優(yōu)化措施及注意事項，經(jīng)啟動優(yōu)化試驗后實現(xiàn)了燃機的順利啟動。

1 燃機啟動控制及其問題

1.1 啟動升速控制說明

西門子SGT5-2000E（LC）型燃機的啟動由啟動升速控制器完成，該控制器的主要功能是將燃機輪機轉(zhuǎn)速由盤車轉(zhuǎn)速提升至額定轉(zhuǎn)速。在升速過程中，不同轉(zhuǎn)速階段對應(yīng)不同的升速率，燃料輸出量決定了升速率的大小。該控制器還通過MIN（最小值選擇門）功能限制燃料量的輸出，防止升速過程中出現(xiàn)燃料量過量，損傷機組。當(dāng)燃機達到額定轉(zhuǎn)速后，燃機控制模式由啟動升速切換至速度控制模式[4]，啟動升速控制器功能如圖1 所示，圖中f1（x）為限制燃料過量的限制器，f2（x）為控制燃料量增加的升速曲線，正常升速過程全程由f2（x）曲線完成。

圖1 燃機啟動升速控制器功能[4]

燃機啟動指令發(fā)出后，啟動升速控制器激活，啟動過程分為排氣擴散段及余熱鍋爐吹掃階段、點火階段、靜態(tài)變頻器SFC 裝置（以下簡稱“SFC裝置”）與燃油燃燒共同做功升速階段、完全燃油燃燒做功升速至額定轉(zhuǎn)速。選擇燃機啟動順控后，燃機靠SFC 裝置進行高速盤車（15 Hz 轉(zhuǎn)速），對燃機燃燒室、排氣擴散段以及余熱鍋爐部分進行10 min 連續(xù)吹掃，吹掃結(jié)束后，SFC 裝置退出，燃機進行墮走，降至7.6 Hz 轉(zhuǎn)速以下時，SFC 裝置重新啟動，燃機上升至點火轉(zhuǎn)速（8 Hz 轉(zhuǎn)速）觸發(fā)點火子程序，當(dāng)點火子程序被激活時，點火氣管路關(guān)斷閥打開，經(jīng)水浴加熱被氣化后的丙烷氣體進入點火氣管路，通過左右燃燒室次級合成氣環(huán)管進入燃燒器，在高壓點火電極的作用下被點燃，同時燃油供回油關(guān)斷閥及調(diào)閥打開，燃油通過油管路進入燃燒器噴嘴后被霧化，被點燃的丙烷氣引燃被霧化的燃油，完成點火動作，點火成功后兩側(cè)燃燒室共4 個火焰檢測探頭同時顯示有火，此時燃燒室負荷指數(shù)為3%，該指數(shù)表征燃料量，指數(shù)越大，燃料量越多，燃燒室負荷指數(shù)的增長取決于啟動升速控制器中的f2（x）曲線，在不同階段的轉(zhuǎn)速下，燃料量的增長率不同，因此該曲線決定了整個升速過程中的燃料輸出量。當(dāng)燃機升至38.6 Hz 轉(zhuǎn)速時，SFC 裝置退出，此時認為設(shè)計壓氣機產(chǎn)生的空氣質(zhì)量流量與控制器輸出的燃油量達到足夠量級，足以使燃機在純?nèi)加腿紵龉ο聦崿F(xiàn)加速，直至定速50.05 Hz 轉(zhuǎn)速后等待并網(wǎng)，燃機啟動燃料增長曲線f2（x）如圖2 所示。

圖2 燃機啟動燃料增長曲線f2（x）

1.2 啟動失敗問題描述

在2018 年10 月機組D 修過后，燃機多次出現(xiàn)啟動失敗現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為點火初溫高、升速過程中熄火、燃機透平排氣溫度分散度大，修后由于透平排氣溫度分散度大跳機的啟動曲線如圖3 所示。

圖3 燃機啟動失敗曲線

從圖3 可以看出，燃機點火初溫最高溫度達到600℃，遠超控制值515 ℃，且升速至28 Hz 左右時，燃機透平排煙溫度6 個測點出現(xiàn)明顯的偏差大問題，當(dāng)超過5 個溫度偏差大時觸發(fā)燃機跳閘保護，同時可以看出，燃機在此期間出現(xiàn)升速乏力，轉(zhuǎn)速下墜現(xiàn)象。

燃機透平排氣溫度分散度大保護說明：燃機透平出口位置，沿?zé)嵬ǖ纼?nèi)壁一圈分散安裝了10只排氣熱電偶，用于檢測透平出口溫度，燃機運行在任意工況下，任一透平排氣溫度測點與平均值偏差大于50 ℃則判斷該點測量故障，10 個測點中出現(xiàn)5 個及以上測量故障，則觸發(fā)燃機保護停機信號，燃機停機。

2 燃機啟動問題分析

由于機組D 修后未做熱態(tài)調(diào)整工作，且往年冬季啟動次數(shù)較少，無過往經(jīng)驗可用，為問題的分析工作增加了一定難度，結(jié)合前文燃機啟動升速控制及啟動失敗現(xiàn)象描述，可以看出燃機啟動失敗的直接原因是：燃機啟動升速過程中透平排氣溫度分散度大及熄火。此2 種故障可以判斷為由于升速過程中燃燒不穩(wěn)定造成的，可歸為同類問題進行討論。

經(jīng)過對比往年燃機啟動歷史曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度較高（15 ℃以上）時，燃機啟動順利，沒有出現(xiàn)過類似點火溫度高、透平排氣溫度分散度大等問題，因此懷疑冬季工況下，由于環(huán)境溫度較低，空氣密度大，加之本次燃機發(fā)電機檢修，對SFC 裝置參數(shù)進行了調(diào)整，使得壓氣機產(chǎn)出的空氣質(zhì)量增加，造成升速過程中空燃比變大，過量空氣系數(shù)的增加引發(fā)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。

結(jié)合燃機啟動升速控制說明以及本次啟動失敗曲線可以看出，燃機在點火初期，由于點火溫度過高，導(dǎo)致OTC（透平排氣溫度修正值）超過設(shè)定值515 ℃，OTC 控制器激活，限制了燃油量的增長，因此在升速初期，燃油輸出量增加比較慢，假定壓氣機出力不變的情況下，參與燃燒的空氣與燃料比值逐漸變大，導(dǎo)致升速至28 Hz 左右，左右兩側(cè)燃燒室空燃比火焰燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定，極易發(fā)生熄火和偏燒現(xiàn)象，熄火后燃機立刻觸發(fā)熄火保護停機，偏燒則會導(dǎo)致燃機透平排氣溫度分散度大跳機，因此點火初溫高是造成燃機啟動過程中空燃比失調(diào)的一個重要原因。另外，以下將對影響燃燒的其他可能原因逐一進行分析。

2.1 點火氣系統(tǒng)

根據(jù)點火初溫高現(xiàn)象分析，可能存在以下幾個問題：

（1）點火氣管路電伴熱故障，導(dǎo)致丙烷氣攜液進入燃燒室發(fā)生爆燃，導(dǎo)致溫度突升。

（2）部分點火電極故障，導(dǎo)致燃油在燃燒室上部燃燒不充分，燃油進入燃燒室過渡段后被引燃，造成透平出口溫度高。

（3）點火前點火氣壓力不夠，影響燃油燃燒的穩(wěn)定性[5]。

（4）點火氣管路不暢通，會引起點火期間點火氣供應(yīng)不足，引起燃油燃燒不充分。

2.2 進氣系統(tǒng)

進氣系統(tǒng)由進氣濾室、IGV（壓氣機入口導(dǎo)葉）和壓氣機組成，空氣經(jīng)過粗濾和精濾2 道過濾后經(jīng)由IGV 進入壓氣機，經(jīng)壓氣機壓縮后產(chǎn)生高壓空氣進入燃燒室與燃料一起燃燒來推動燃機。進氣系統(tǒng)出現(xiàn)異常會造成燃燒室空氣進氣量偏離正常值，空燃比失調(diào)造成燃機啟動的困難，以下幾種情況會影響進氣量：

（1）進氣濾室濾網(wǎng)臟污，壓氣機吸入空氣量減少，造成空燃比失調(diào)。

（2）IGV 最小角偏離正常值，造成壓氣機吸入空氣量偏離正常值，從而引起空燃比失調(diào)。

（3）壓氣機葉片臟污，造成壓氣機出力下降，同樣影響進入燃燒室的風(fēng)量，引起空燃比失調(diào)。

2.3 燃油供回油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)由燃油供油泵、燃油供回油管線、燃油供回油截止閥及燃油供回油調(diào)節(jié)閥組成，供回油管路出現(xiàn)異常，會造成燃機點火啟動過程中的燃料量偏離正常值，空燃比失調(diào)造成燃機啟動困難。以下幾種情況可能影響燃油量：

（1）燃油供回油調(diào)節(jié)閥閥門本體下線檢修，回裝閥門標(biāo)定后與設(shè)計行程有偏差，造成閥門燃料-流量曲線不匹配，導(dǎo)致在燃機啟動階段，燃料量與風(fēng)量配比失調(diào)引起啟動失敗。

（2）左右側(cè)燃燒室燃油回油管路節(jié)流孔調(diào)整后使得供回油流量發(fā)生變化，導(dǎo)致進入噴嘴的燃料量與正常運行時差異過大，引起燃機啟動失敗。

（3）燃油油質(zhì)發(fā)生變化，十六烷值含量偏低，減緩其自身燃燒速度，造成燃油燃燒不完全。

2.4 燃燒器

SGT5-2000E（LC）型燃機有左右2 個燃燒室，每個燃燒室內(nèi)有8 個燃燒器，燃油經(jīng)供油管路進入燃燒器進行擴散燃燒，燃燒器噴嘴設(shè)計有蜂窩狀噴射孔，燃油從噴射孔噴出后霧化，霧化后的燃油在燃燒室進行充分燃燒，若燃燒器噴嘴異常，噴射孔存在堵塞現(xiàn)象，會影響燃油霧化效果，繼而影響燃燒穩(wěn)定性，易發(fā)生升速過程中由于燃油量不足引起的熄火現(xiàn)象。

3 燃機啟動問題解決措施

綜合上文分析內(nèi)容，燃機啟動失敗的主要原因為冬季低溫天氣下空氣密度大，壓氣機產(chǎn)出的空氣量增加造成空燃比失調(diào)，因此本機組在冬季工況啟動時需對啟動燃料控制曲線f2（x）進行優(yōu)化，以使啟動過程中燃料量的增長更好地匹配壓氣機產(chǎn)生的空氣量，以維持穩(wěn)定的空燃比，從而達到穩(wěn)定燃燒的目的。在對f2（x）進行優(yōu)化之前，需對點火氣系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、燃油供回油系統(tǒng)、燃燒器等進行全面檢查，排除硬件可能存在的問題，確保各個子系統(tǒng)運行正常后再進行參數(shù)優(yōu)化工作。

在對各子系統(tǒng)檢查過程中，發(fā)現(xiàn)右側(cè)點火氣管路存在電伴熱故障問題、左右側(cè)燃燒室部分點火電極存在故障現(xiàn)象、進氣濾室部分濾網(wǎng)有臟污現(xiàn)象，其他系統(tǒng)經(jīng)檢查均無問題。將上述問題修復(fù)后，在SFC 裝置參數(shù)改回修前值后又進行了一次啟動試驗，仍存在點火溫度高、排氣溫度分散度大等問題，這更加印證了該機型燃機在冬季工況下出現(xiàn)的啟動燃料參數(shù)不適用情況，需對啟動燃料控制曲線f2（x）進行優(yōu)化。

因SFC 裝置參數(shù)修改是經(jīng)廠家試驗后得出的結(jié)果，因此決定保持SFC 裝置參數(shù)不變，對燃機啟動參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整前后參數(shù)對比見表1。

參數(shù)調(diào)整依據(jù)：通過對比歷史啟動參數(shù)發(fā)現(xiàn)，燃機在第一階段升速時間較之前提高了5～8 s，假定壓氣機出力較之前無變化，在啟動控制燃料量參數(shù)不變的情況下，由于短時間內(nèi)燃機升速過快，造成在第一拐點轉(zhuǎn)速到達時進風(fēng)量較之前有較大增加，而燃料量的增長是隨著時間的推移逐漸增加的，此時燃料量的增長跟不上風(fēng)量的增加，引起空燃比失調(diào)；在第二階段燃機升速出現(xiàn)乏力，在28 Hz 轉(zhuǎn)速左右出現(xiàn)怠速現(xiàn)象，該現(xiàn)象也是由于燃料量增長過慢，導(dǎo)致推力不足所致，因此調(diào)整思路為提高點火燃料量和第一第二階段的燃料升速率，提高燃機在第三拐點轉(zhuǎn)速GN12 之前的升速率，使燃料量的增長更好地配合空氣量的增長，在升速過程中維持穩(wěn)定的空燃比。經(jīng)過2 次參數(shù)調(diào)整試驗后，燃機順利啟動，啟動成功曲線如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后燃機啟動曲線

經(jīng)過啟動燃料控制曲線優(yōu)化工作后，燃機點火初溫得到有效控制，點火初溫由最高600 ℃降至最高500 ℃，OTC 溫度被控制在500 ℃以內(nèi)（OTC 設(shè)定值515 ℃）；燃機左右側(cè)燃燒室火焰燃燒強度穩(wěn)定，無波動及熄火現(xiàn)象；有效控制燃機在28 Hz 轉(zhuǎn)速時透平排氣溫度擴散度大問題，由圖4 可見兩側(cè)燃燒室排氣溫度升降趨勢一致，燃機順利完成啟動過程。

4 結(jié)語

本文介紹了華能天津IGCC 電站在冬季工況下燃機啟動失敗的情況，分析認為在夏季和冬季工況下，SGT5-2000E（LC）型低熱值燃機的啟動參數(shù)存在不通用的問題，在冬季工況下，由于環(huán)境溫度低，空氣密度大，壓氣機產(chǎn)氣量增加，若仍使用夏季啟動參數(shù)會引起啟動過程中空燃比失調(diào)，造成啟動失敗，因此在冬季工況下需對燃機啟動燃料控制曲線進行參數(shù)調(diào)整，以適應(yīng)冬季工況下的啟動。同時，需要注意各子系統(tǒng)的故障排查及修復(fù)工作，尤其要定期進行壓氣機在線/離線水洗工作，防止壓氣機葉片臟污，出力下降，確保機組各硬件處于健康工作狀態(tài)。

表1 燃機啟動參數(shù)調(diào)整

本次燃機啟動問題的解決，為冬季寒冷天氣工況下機組的啟動提供了有力保證，同時也積累了寶貴的檢修經(jīng)驗，可為國內(nèi)同類型低熱值燃氣輪機的研究工作提供參考。