某發(fā)電廠燃?xì)廨啓C(jī)燃燒脈動(dòng)超限的原因分析

夏小勇，查獻(xiàn)剛，張新儀

(東莞中電第二熱電有限公司，廣東 東莞 523000)

M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)的控制采用三菱公司配套的透平控制系統(tǒng)(TCS)。集散控制系統(tǒng)(DCS)可與TCS控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并可向TCS控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)整套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的協(xié)調(diào)控制。由于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室及其熱通道處于高溫、高壓的工況中，容易產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定和燃燒壓力波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致火焰筒或過(guò)渡段等燃燒室部件出現(xiàn)裂紋、涂層脫落、燒蝕等故障。如何對(duì)燃燒進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控和自動(dòng)的燃燒調(diào)整是一個(gè)成熟的機(jī)型必須解決的問(wèn)題[1]。本文通過(guò)某電廠M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)因發(fā)電機(jī)電流互感器二次側(cè)開(kāi)路引起燃燒室壓力脈動(dòng)超限跳機(jī)的實(shí)際案例，詳細(xì)闡述了燃?xì)廨啓C(jī)電氣測(cè)量元件對(duì)透平保護(hù)及高級(jí)燃燒壓力波動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)(ACPFM)的正確判斷的重要性，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行的重要影響，并為同類(lèi)型機(jī)組提供一些借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整系統(tǒng)

M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)啟/停順序控制系統(tǒng)、設(shè)備的啟/?？刂?、自動(dòng)降負(fù)荷(RB)控制、參數(shù)計(jì)算、機(jī)組狀態(tài)判斷等。圖1為主控制系統(tǒng)框架圖[2]。

M701F4燃?xì)廨啓C(jī)主控系統(tǒng)設(shè)置了5個(gè)燃料控制信號(hào)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方式、功率調(diào)節(jié)控制方式、葉片通道溫度控制、排氣溫度控制、燃料限制，分別代表不同的控制方式。上述5個(gè)燃料控制信號(hào)同時(shí)進(jìn)入最小選擇器，選出最小值；輸出的最小值經(jīng)過(guò)一個(gè)高選擇器，高選后的輸出才作為當(dāng)前實(shí)際執(zhí)行用的燃?xì)廨啓C(jī)燃料控制信號(hào)指令，保證了機(jī)組安全運(yùn)行的最小燃料流量值。

為了保證燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)引入了燃燒室壓力波動(dòng)監(jiān)視(CPFM)和ACPFM對(duì)燃燒進(jìn)行調(diào)整。由CPFM監(jiān)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒穩(wěn)定狀況，并根據(jù)燃燒狀況進(jìn)行燃料分配；而ACPFM進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的収集與分析、燃燒脈動(dòng)檢測(cè)與異常診斷以及進(jìn)行燃燒脈動(dòng)預(yù)判、早期檢測(cè)、穩(wěn)定領(lǐng)域預(yù)測(cè)、自動(dòng)調(diào)整(算出修正量)等。

M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)ACPFM自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)是依據(jù)高速采集的數(shù)據(jù)對(duì)燃燒穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)值班燃料控制閥輸出開(kāi)度(PLCSO) 和燃燒室旁路閥輸出開(kāi)度( BYCSO) 大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，如圖2所示。每個(gè)燃燒室中都安裝有一個(gè)壓力波動(dòng)傳感器，并且還在第3 號(hào)、8 號(hào)、13 號(hào)、18 號(hào)四個(gè)燃燒室各安裝了一個(gè)燃燒壓力波動(dòng)加速度傳感器。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行 FFT 變換后轉(zhuǎn)化為 9 個(gè)不同的頻段進(jìn)行分析，對(duì)于各個(gè)頻段，其波動(dòng)的幅值大小是 ACPFM 自動(dòng)燃燒調(diào)整的重要依據(jù)。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)主控制系統(tǒng)框架圖

圖2 ACPFM自動(dòng)調(diào)整過(guò)程

燃燒調(diào)整使燃?xì)廨啓C(jī)能在值班燃料控制閥輸出開(kāi)度(PLCSO)偏置±1%，燃燒室旁路閥(BV閥)輸出開(kāi)度(BYCSO)偏置±10% 的安全區(qū)域運(yùn)行。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，ACPFM系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，根據(jù)實(shí)時(shí)的燃燒室壓力波動(dòng)、NOx排放量、葉片通道溫度(BPT)偏差、燃?xì)鈮毫囟?、燃?xì)獬煞值葏?shù)，通過(guò)回歸分析的方法，按各燃燒器及各頻率帶計(jì)算出燃燒室的預(yù)測(cè)最穩(wěn)定區(qū)域，并決定燃燒調(diào)整的修正方向。ACPFM 從預(yù)測(cè)的運(yùn)行穩(wěn)定領(lǐng)域圖通過(guò)燃燒修正函數(shù)算出修正量進(jìn)行修正調(diào)整。根據(jù)燃燒修正函數(shù)算出的修正量調(diào)節(jié) PLCSO 和 BYCSO，使運(yùn)行點(diǎn)避開(kāi)燃燒振動(dòng)區(qū)域，回到穩(wěn)定運(yùn)行領(lǐng)域，從而達(dá)到燃燒自動(dòng)調(diào)整。觸發(fā)M701F4燃?xì)廨啓C(jī) ACPFM 燃燒修正條件有兩個(gè): (1) 燃燒室壓力波動(dòng)達(dá)到告警值或預(yù)報(bào)警值; (2) 監(jiān)測(cè)到壓力波動(dòng)加速度達(dá)到設(shè)定值[3]。

2 某電廠燃?xì)廨啓C(jī)跳閘事故過(guò)程分析

2.1 事件過(guò)程

某電廠現(xiàn)有兩套M701F4燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。事故發(fā)生前，220 kV雙母并列運(yùn)行，#1聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行檢修，#2聯(lián)合循環(huán)機(jī)組投自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)正常運(yùn)行。AGC負(fù)荷指令350 MW，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷220 MW，汽輪機(jī)負(fù)荷126 MW。

08:09:10燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式由自動(dòng)切至手動(dòng)控制，同時(shí)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)負(fù)荷由220 MW迅速下降至160 MW，IGV由30%關(guān)至0%，多個(gè)燃燒室發(fā)出燃燒波動(dòng)預(yù)報(bào)警；08:09:23燃?xì)廨啓C(jī)葉片通道溫度達(dá)到637 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)控制模式進(jìn)入葉片通道溫度控制，同時(shí)機(jī)組發(fā)出報(bào)警，燃燒室壓力波動(dòng)高跳閘，燃?xì)廨啓C(jī)跳閘，聯(lián)跳鍋爐和汽輪機(jī)。機(jī)組跳閘熄火后，機(jī)組正常惰走，各輔機(jī)運(yùn)行正常。燃?xì)廨啓C(jī)跳閘過(guò)程各個(gè)事件節(jié)點(diǎn)順序如表1所示。

2.2 原因分析

從本次事件的報(bào)警信息來(lái)看，首先對(duì)自動(dòng)燃燒調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。又根據(jù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由自動(dòng)切至手動(dòng)的警告對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出三相電流不平衡報(bào)警，檢查燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)出線電流互感器(CT)本體二次接線盒，發(fā)現(xiàn)有燒損現(xiàn)象，打開(kāi)盒蓋檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)測(cè)量用繞組C相二次線鼻子過(guò)熱脫落，形成CT

表1 燃?xì)廨啓C(jī)跳閘過(guò)程事件記錄

二次側(cè)開(kāi)路。由于發(fā)電機(jī)出口CT( C相)二次側(cè)開(kāi)路，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量到的電功率值大大低于實(shí)際功率。當(dāng)負(fù)荷從220 MW降至160 MW時(shí)，AGC發(fā)給燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷指令信號(hào)和發(fā)電機(jī)實(shí)際出力并沒(méi)有降低，但是由于燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到的功率信號(hào)(0～20 mA)只有160 MW(電流缺相引起)，所以燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)小IGV開(kāi)度，同時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)在負(fù)荷指令沒(méi)有變化而檢測(cè)到燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷偏低時(shí)，會(huì)進(jìn)一步增大燃料基準(zhǔn)(CSO)，意圖使機(jī)組測(cè)量負(fù)荷與AGC分配的負(fù)荷值相匹配。

正常情況下，機(jī)組并網(wǎng)后，IGV在燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)負(fù)荷150 MW左右開(kāi)始開(kāi)大， CSO也隨之上升；機(jī)組降負(fù)荷停機(jī)過(guò)程中，IGV在300 MW左右時(shí)開(kāi)始慢慢關(guān)小，到燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷150 MW時(shí)關(guān)至0%左右，而CSO是隨著負(fù)荷的降低逐步減小的。也就是說(shuō)機(jī)組并網(wǎng)后，CSO增大，IGV也隨之開(kāi)大，CSO降低，IGV隨之關(guān)小。

但從本次機(jī)組跳閘前實(shí)際情況來(lái)看，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器主A、主B燃料流量控制閥變化平緩，而值班燃料流量控制閥開(kāi)大，頂環(huán)燃料流量控制閥關(guān)小，這個(gè)動(dòng)作過(guò)程是ACPFM介入，進(jìn)行燃燒自動(dòng)調(diào)整，保證機(jī)組燃燒穩(wěn)定。本次事故中，在IGV關(guān)小至0%后， CSO由67.50%上升至68.24%，這個(gè)動(dòng)作過(guò)程是不正常的，IGV和CSO動(dòng)作方向是相反的。

從機(jī)組事件記錄以及相關(guān)趨勢(shì)圖分析，當(dāng)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)負(fù)荷由220 MW在2 s內(nèi)降至160 MW時(shí)，IGV迅速由30%關(guān)小至0%，負(fù)荷從160 MW到機(jī)組跳閘約9 s的時(shí)間內(nèi)，機(jī)組的空燃比逐步惡化，最終出現(xiàn)嚴(yán)重的不匹配，引起壓力波動(dòng)超限的發(fā)生，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作，燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。

3 存在問(wèn)題和預(yù)防建議

綜上分析，此次事故有以下兩點(diǎn)需要注意的問(wèn)題：

(1) 因燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)電功率與實(shí)際出力存在嚴(yán)重偏差，造成燃料基準(zhǔn)(CSO)和IGV動(dòng)作趨勢(shì)不一致，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)燃燒出現(xiàn)壓力波動(dòng)，造成機(jī)組跳閘。按照三菱燃?xì)廨啓C(jī)控制策略，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，IGV開(kāi)度只是燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)輸出功率的單值函數(shù)，這就為上述事故埋下了隱患。由此看出，三菱的IGV控制策略過(guò)于簡(jiǎn)單，是存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)的。

(2) 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)功率測(cè)量用的CT發(fā)生故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率測(cè)量值出現(xiàn)嚴(yán)重偏差時(shí)，造成燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)一系列“誤判”和“動(dòng)作”是該類(lèi)型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)安全隱患。我們都知道，在電氣繼電保護(hù)設(shè)計(jì)中會(huì)對(duì)PT短路、CT開(kāi)路、CT斷線等故障都設(shè)計(jì)成熟的反事故措施。例如，設(shè)置CT斷線閉鎖并發(fā)信、自動(dòng)退出相應(yīng)保護(hù)都是保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)故障而避免機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)的措施。若在燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)中考慮冗余設(shè)計(jì)和虛假信號(hào)邏輯閉鎖，是可以避免機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)。

由于發(fā)電機(jī)出口CT二次側(cè)開(kāi)路這樣的簡(jiǎn)單故障造成對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)熱部件的損傷，雖然暫時(shí)不能根本解決，但是筆者認(rèn)為可以采取相應(yīng)預(yù)防措施：

(1) 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組要加強(qiáng)電測(cè)設(shè)備(CT、PT)的安裝、檢修維護(hù)質(zhì)量的管理，要重視電氣缺陷對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的影響。CT二次側(cè)開(kāi)路故障造成燃?xì)廨啓C(jī)控制動(dòng)作一系列“失真”反應(yīng)，雖然存在邏輯設(shè)計(jì)上的缺陷，但可以在這方面做些細(xì)致的工作。比如：定期檢查、維護(hù)、保證電測(cè)系統(tǒng)完好；改造增加PT短路、CT開(kāi)路、CT斷線信號(hào)等，減小測(cè)量電功率與實(shí)際值的偏差，使燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在燃燒安全裕度內(nèi)進(jìn)行正常停機(jī)操作；也可以在設(shè)計(jì)階段或通過(guò)改造，采用“三取中”方式，提高電測(cè)系統(tǒng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)控制的可靠性，降低惡劣工況下迫停的概率。

(2) 修改IGV控制策略，將壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度、壓氣機(jī)排氣壓力以及燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度等參數(shù)，作為IGV開(kāi)度控制函數(shù)的因數(shù)，從而更加精準(zhǔn)地控制IGV開(kāi)度，避免因燃料基準(zhǔn)CSO變化趨勢(shì)與IGV動(dòng)作方向不一致，引起燃空比嚴(yán)重不匹配，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)燃燒脈動(dòng)超限、機(jī)組跳閘事故的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

作者通過(guò)對(duì)某電廠燃?xì)廨啓C(jī)燃燒脈動(dòng)波動(dòng)超限跳閘過(guò)程中各種異?，F(xiàn)象的仔細(xì)判斷和數(shù)據(jù)的認(rèn)真分析，找出了發(fā)電機(jī)機(jī)端電流互感器二次側(cè)開(kāi)路是本次燃燒脈動(dòng)超限跳閘的主要原因，并根據(jù)運(yùn)行操作和設(shè)備維護(hù)管理方面存在的問(wèn)題提出了行之有效的改進(jìn)建議，指出通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)功率測(cè)量方式進(jìn)行優(yōu)化，是可以大幅提高發(fā)電機(jī)功率測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性的，能有效避免因發(fā)電機(jī)功率測(cè)量故障導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)跳閘事故的發(fā)生。