燃?xì)廨啓C(jī)空氣清吹系統(tǒng)優(yōu)化改造

馬匯東

（北京華電北燃能源有限公司，北京 101117）

燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒系統(tǒng)與空氣清吹系統(tǒng)作為燃機(jī)燃燒相關(guān)的重要系統(tǒng)相輔相成，它們通過(guò)相互之間的配合保證燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行過(guò)程中能夠根據(jù)負(fù)荷、環(huán)保指標(biāo)等要求進(jìn)行各種燃燒模式的切換。但在實(shí)際調(diào)試運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在“單點(diǎn)保護(hù)”的低可靠性情況。本文對(duì)6F.01 燃?xì)廨啓C(jī)的清吹閥門控制回路進(jìn)行改造，消除了設(shè)備安全隱患，提升了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

1 系統(tǒng)概述

6F.01 燃?xì)廨啓C(jī)采用DLN2.5 燃燒系統(tǒng)。該燃燒系統(tǒng)為美國(guó)GE 公司基于DLN2.0 燃燒系統(tǒng)的升級(jí)。自2000 年開(kāi)發(fā)以來(lái)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于7H、9H 和52E燃?xì)廨啓C(jī)上。6F.01 燃?xì)廨啓C(jī)DLN2.5 燃燒室的布置見(jiàn)圖1～2。

圖1 燃燒室示意圖

6F.01 燃?xì)廨啓C(jī)的DLN2.5H 燃燒系統(tǒng)采用“4+1”噴嘴布局，包含4 個(gè)在外圈的噴嘴和1 個(gè)中心的噴嘴，共4 路天然氣管路接入噴嘴，分別為D5、PM1A、PM1B、PM3。其中，每個(gè)噴嘴均接入2 路天然氣管路，具體見(jiàn)表1。

圖2 燃燒室實(shí)物圖

表1 燃燒室管路對(duì)應(yīng)功能表

2 系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 清吹系統(tǒng)

清吹系統(tǒng)是DLN 燃燒系統(tǒng)中非常重要的組成部分。燃機(jī)在不同負(fù)荷下采用不同的燃燒模式，意味著有些噴嘴不是在所有情況下都有燃料供應(yīng)。在燃燒系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過(guò)清吹系統(tǒng)，將燃機(jī)壓氣機(jī)的排氣接入當(dāng)前模式下未通天然氣的管路和噴嘴進(jìn)行冷卻，防止天然氣的回流以及管路和噴嘴中殘留的氣體燃料的自燃[1]。

燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)主要由安裝冷卻功能且密封的空氣系統(tǒng)、燃料氣控制系統(tǒng)和壓氣機(jī)組成。其中：①6 只燃料吹掃閥（VA13-1，2，13，14，23 和24）；②6 只燃料吹掃閥的電磁閥（20PG-1，2，3，4，23 和24）；③6 只吹掃閥儀用壓縮空氣壓力調(diào)節(jié)閥（VPR54）；③12 只燃料吹掃閥的位置開(kāi)關(guān)（33PG）；④3 只燃料吹掃放空閥（VA13-8，12 和22）；⑤3 只燃料吹掃放空閥的電磁閥（20VG-2，3 和6）；⑥6 只燃料吹掃放空閥和12 只燃料吹掃閥的位置開(kāi)關(guān)（33PG）；⑦9 支清吹壓力變送器（96PG-1A，1B，1C，2A，2B，2C，3A，3B，3C）；⑧3 支溫度變送器。以上設(shè)備均布置在燃機(jī)的氣體模塊小室（DLN compartment）內(nèi)。

2.2 天然氣的運(yùn)行模式

（1）亞先導(dǎo)預(yù)混模式（SPPM）D5+PM1A：氣體燃料通向燃燒室的擴(kuò)散通道D5 和預(yù)混模式通道PM1A。在部分額定轉(zhuǎn)速到低負(fù)荷之間均采用這種模式，燃機(jī)啟動(dòng)到FSNL（全速空載）以后，直到加載到燃燒基準(zhǔn)參考溫度CRT（Combustion Reference Temperature），一個(gè)類似于火焰的燃燒基準(zhǔn)溫度，由壓氣機(jī)排氣壓力、排氣溫度等經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出的介于0～100 的常數(shù)[2]）大于93.175。

（2）預(yù)混模式（PM）PM1A+PM1B+PM3：天然氣均通過(guò)噴嘴進(jìn)入各燃燒室的PM1A、PM1B 及PM3通道。從CRT 超過(guò)93.175 至燃機(jī)基本負(fù)荷間均采用該模式。

當(dāng)流經(jīng)擴(kuò)散氣體燃料噴嘴的燃料停止流動(dòng)（預(yù)混燃料通道運(yùn)行）時(shí)，就啟動(dòng)對(duì)擴(kuò)散燃料氣噴嘴流道（D5）的吹掃。通過(guò)抽氣支管將壓氣機(jī)排氣導(dǎo)入擴(kuò)散氣體燃料管，吹掃擴(kuò)散氣體燃料噴嘴。該過(guò)程中，需要不斷有空氣從擴(kuò)散氣體燃料噴嘴端流出，以保證擴(kuò)散氣體燃料支管及其相連的管道里不再積聚有易燃?xì)怏w，并且冷卻燃料噴嘴。當(dāng)流經(jīng)PM1B、PM3 噴嘴的燃?xì)馔Ｖ沽鲃?dòng)，所有的燃?xì)舛剂飨驍U(kuò)散噴嘴時(shí)，PM1B、PM3 吹掃閥打開(kāi)進(jìn)行吹掃。當(dāng)燃料氣吹掃支管不工作時(shí)，支管上的放空閥打開(kāi)，排空積聚在管道內(nèi)的燃料氣，保證燃料氣壓力不會(huì)集聚在兩只串聯(lián)布置的吹掃放空閥之間，而且不會(huì)有燃?xì)饴┻^(guò)關(guān)閉放空閥，聚集在燃燒室或者排氣段內(nèi)。

兩種燃機(jī)運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)燃料清吹系統(tǒng)狀態(tài)見(jiàn)表2。

表2 燃機(jī)運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)燃料清吹系統(tǒng)狀態(tài)表

2.3 保護(hù)動(dòng)作邏輯

在燃?xì)廨啓C(jī)的MARK VIe 控制系統(tǒng)可以看到清吹系統(tǒng)的保護(hù)條件涉及3 種機(jī)組保護(hù)形式，分別是快速降負(fù)荷（RUNBACK）、停機(jī)（SHUTDOWN）、跳閘（TRIP）。

（1）快速降負(fù)荷。當(dāng)燃機(jī)清吹管路溫度PTHX>365℃，延時(shí)2 s，或在清吹溫度大于345℃且未小于326.67℃時(shí)，燃機(jī)開(kāi)始快速降負(fù)荷，直到清吹溫度恢復(fù)到高值以下。

（2）停機(jī)。燃機(jī)測(cè)量的大氣壓力加FPG1 管路上的清吹壓力與壓氣機(jī)排氣壓力之間的比值大于1.01或者小于0.962，且超過(guò)60 s 時(shí)，觸發(fā)燃機(jī)停機(jī)程序。

（3）燃機(jī)跳閘。①PTHX 清吹溫度三取二大于385℃，且延時(shí)2 s；②在清吹指令下達(dá)后，10 s 內(nèi)對(duì)應(yīng)的清吹管路中的三支壓力變送器超過(guò)兩支均檢測(cè)到壓力小于303 kPa（44 psi）；③燃燒模式切換但清吹指令未發(fā)出；④當(dāng)D5 清吹指令發(fā)出后（或）：Ⅰ在25 s 內(nèi)空氣側(cè)清吹閥VA13-1 關(guān)反饋未消失且90 s后VA13-1 開(kāi)反饋未收到；Ⅱ在25 s 內(nèi)燃?xì)鈧?cè)清吹閥VA13-2 關(guān)反饋未消失且90 s 后VA13-2 開(kāi)反饋未收到；Ⅲ在25 s 內(nèi)清吹閥VA13-1 或VA13-2 關(guān)反饋未消失且任意一只清吹壓力小于303 kPa（44 psi）；Ⅳ90 s 后VA13-1 或VA13-2 開(kāi)反饋未收到且任意一只清吹壓力小于303 kPa（44 psi）。

需要注意：PM1B、PM3 邏輯保護(hù)與D5 相同，分別對(duì)應(yīng)的空氣側(cè)閥門為VA13-3，VA13-23。燃?xì)鈧?cè)閥門為VA13-4，VA13-24。

清吹系統(tǒng)的保護(hù)條件分別有清吹溫度、清吹壓力以及清吹閥門3 種動(dòng)作情況。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，清吹溫度測(cè)點(diǎn)有3 支變送器（PG-TX1、PG-TX2、PGTX3）。通過(guò)3 支變送器的中間值進(jìn)行判斷，不容易出現(xiàn)由于變送器設(shè)備故障導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)。同樣，在每條清吹的管路上，均有3 只壓力變送器，共計(jì)9 支（96PG-1A，1B，1C，2A，2B，2C，3A，3B，3C），每3 支為1 組，不易發(fā)生由于變送器故障導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)。

在系統(tǒng)配置上，所有清吹管路上的清吹閥門均僅由一臺(tái)電磁閥對(duì)其進(jìn)行控制。若該電磁閥故障，電磁閥對(duì)應(yīng)的清吹閥門將無(wú)法正常使用，會(huì)觸發(fā)燃機(jī)保護(hù)動(dòng)作。

2.4 導(dǎo)致“跳機(jī)”事故實(shí)例

某6F.01 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合機(jī)組處于調(diào)試期間，正在進(jìn)行并網(wǎng)后的涉網(wǎng)試驗(yàn)，當(dāng)日04：30，燃?xì)廨啓C(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi)，燃機(jī)顯示保護(hù)“Trip -gas purge fault-Ture（L4PGFT-ALM）”。停機(jī)后，通過(guò)機(jī)組歷史曲線數(shù)據(jù)對(duì)跳機(jī)原因進(jìn)行檢查分析。在當(dāng)日凌晨04：30 前，燃機(jī)跳閘前，燃機(jī)負(fù)荷DWATT 為30.974 MW，負(fù)荷平穩(wěn)且燃機(jī)未收到任何升降負(fù)荷的指令。燃機(jī)處于預(yù)混PM 模式，燃料閥D5 關(guān)閉，燃料 閥PM1A、PM1B、PM3 開(kāi)度分別為34.499%，34.229%，48.714%。D5 閥門處于清吹進(jìn)程中，VA13-1、VA13-2 反饋開(kāi)到位。在沒(méi)有任何外部指令的情況下，04：30：17′ VA13-2 清吹閥門的開(kāi)反饋消失，MARK VIe 中記錄事件“VA13-2 open position limit switch-false”；1 s 后，在04：30：18′觸發(fā)報(bào)警動(dòng)作“D5 gas side purge valve limit switch fault-Ture（L33PG1D）”；在04：30：20′，7914 VA13-2 關(guān)反饋到達(dá)，事件記錄“VA13-2 close position limit switchture”；04：30：20′，8469 MARK VIe 報(bào)警“Trip -gas purge fault-Ture（L4PGFT-ALM）”同時(shí)發(fā)電機(jī)出口斷路器解列，燃機(jī)跳閘。

機(jī)組跳閘前相關(guān)曲線見(jiàn)圖3。根據(jù)機(jī)組曲線對(duì)事件進(jìn)行分析，由于在燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷平穩(wěn)，CRT 保持在99.15，不在燃機(jī)燃燒模式切換的范圍（92.700～93.125）內(nèi)，燃機(jī)未發(fā)出取消清吹的任何指令。由圖3 可知，MARK VIe 系統(tǒng)發(fā)出控制VA13-2閥門的指令d_20pg2x 一直為ture，該指令使VA13-2保持打開(kāi)。但實(shí)際上，在開(kāi)指令一直存在的情況下，該閥門實(shí)際動(dòng)作情況見(jiàn)表3。

圖3 跳機(jī)數(shù)據(jù)記錄圖

表3 燃機(jī)跳機(jī)前VA13-2 閥門動(dòng)作情況

由于2 個(gè)位置開(kāi)關(guān)均發(fā)生動(dòng)作，排除了由于位置開(kāi)關(guān)接觸不良引起的位置反饋信號(hào)誤動(dòng)的情況。

2.5 清吹系統(tǒng)優(yōu)化的研究

由于原控制閥采用兩位三通電磁閥控制氣動(dòng)滑閥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)清吹閥門的控制（圖4）。通過(guò)增加一路電磁閥進(jìn)行冗余配置，采用雙路電磁閥控制，保證單一電磁閥故障不影響閥門的實(shí)際動(dòng)作情況。原電磁閥稱為電磁閥X，新加電磁閥稱為電磁閥Y（圖5）。

圖4 改造前電磁閥系統(tǒng)圖

圖5 改造后電磁閥系統(tǒng)圖

由表4 可知，當(dāng)閥門動(dòng)作指令發(fā)出后，當(dāng)且僅當(dāng)2 臺(tái)電磁閥同時(shí)無(wú)法正常工作時(shí)間，閥門才會(huì)出現(xiàn)無(wú)法動(dòng)作的情況。如果僅有其中任意1 臺(tái)電磁閥出現(xiàn)故障，清吹閥門仍然可以正常工作。這很大程度上提高了閥門運(yùn)行的可靠性。清吹閥門改造前后動(dòng)作情況見(jiàn)表5。

表4 雙冗余電磁閥改造邏輯圖對(duì)比表

表5 燃機(jī)清吹閥門改造前后動(dòng)作情況

2.6 方案實(shí)施及調(diào)試

電磁閥改造的方案實(shí)施主要分為2 步進(jìn)行：第1 步為現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的安裝；第2 步為在燃機(jī)控制系統(tǒng)中新增加1 個(gè)繼電器輸出信號(hào)，并且關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的清吹閥門開(kāi)啟邏輯信號(hào)。在MARK VIe 控制系統(tǒng)中，增加一路繼電器輸出點(diǎn)。

（1）進(jìn)入燃機(jī)控制系統(tǒng)軟件“TOOLBOXST”，選擇進(jìn)入1#機(jī)組組態(tài)“G1”，見(jiàn)圖6。

圖6 TOOLBOXST 組態(tài)圖

（2）選擇菜單“software”，進(jìn)入1#燃機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)。選擇“Custom_Tongzhou”系統(tǒng)，該項(xiàng)目下均為針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)客戶使用的組態(tài)項(xiàng)目[13]，見(jiàn)圖7。

圖7 TOOLBOXST 選擇模塊圖

（3）在該模式下新建項(xiàng)目“NEW PURGE”，在該項(xiàng)目下新建功能組命名為“PURGE solenoid1”，在該功能組中添加“MOVE”功能塊。“MOVE”塊將輸入變量“SRC”的值轉(zhuǎn)換為輸出變量“DEST”，見(jiàn)圖8。每當(dāng)模塊運(yùn)行且ENABLE 引腳為真時(shí)，就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸。該模塊的模擬變體可用于執(zhí)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換以及內(nèi)存移動(dòng)操作。將輸入變量“SRC”與原組態(tài)中清吹閥VA13-1 的開(kāi)指令“L20PG1ON”關(guān)聯(lián)，將輸出變量“DEST”與新增電磁閥的開(kāi)指令關(guān)聯(lián)，將該指令命名為“d_20pg1y”。

圖8 TOOLBOXST 新建MOVE 塊

（4）進(jìn)入“TOOLBOXST”中“hardware”菜單，找到DO 輸出卡件，找到未被使用的繼電器輸出通道，見(jiàn)圖9～10。

圖9 選擇硬件卡件

圖10 新增通道位置

（5）通過(guò)查找發(fā)現(xiàn)卡件“PDIO-1F1A”中有空余的繼電器通道尚未使用，分別為“Relay05”、“Relay06”。通過(guò)選中05 繼電器通道的“Connected Variables”選擇連接該通道的變量，在此輸入之前定義的“d_20pg1y”，見(jiàn)圖11。

圖11 完成新增信號(hào)

通過(guò)選中該繼電器通道，發(fā)現(xiàn)該通道已經(jīng)能夠連接至之前新增加的“NEW PURGE”程序，并能夠成功地連接到“L20PG1ON”指令，見(jiàn)圖12。

圖12 完成關(guān)聯(lián)標(biāo)簽

此時(shí)，需要將該通道的接線與現(xiàn)場(chǎng)新增電磁閥相連，完成接線。

通過(guò)相同的步驟，分別完成VA13-1，2，13，14，23和24 清吹閥門改造工作；新增電磁閥20PG-1Y，2Y，3Y，4Y，23Y 和24Y。

現(xiàn)場(chǎng)安裝步驟：安裝過(guò)程需要按照?qǐng)D5 增加與原電磁閥相同型號(hào)的兩位三通電磁閥Y，將X 電磁的工作氣口圖1 號(hào)位置接入Y 電磁閥的進(jìn)氣口3號(hào)位置（圖5）。從原壓縮空氣增加供氣管路上引出一路，接入Y 電磁閥的排氣口中2 位置。將Y 電磁閥的工作氣口（1 號(hào)位置）接入清吹控制閥氣動(dòng)閥門（圖5）。

2.7 優(yōu)化方案驗(yàn)證

通過(guò)MARK VIe 程序?qū)Ω脑旖Y(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)（記錄表僅記錄D5 清吹閥門VA13-1，2 改造后的試驗(yàn)情況），優(yōu)化后電磁閥試驗(yàn)記錄見(jiàn)表6。

表6 優(yōu)化后電磁閥試驗(yàn)記錄表

試驗(yàn)證明，通過(guò)對(duì)清吹閥門的電磁閥進(jìn)行冗余改造，提高了清吹閥的可靠性，在清吹閥門使用過(guò)程中如果出現(xiàn)任意一只電磁閥故障，都不會(huì)影響閥門的正常開(kāi)啟；只有當(dāng)2 個(gè)電磁閥同時(shí)故障，才會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)清吹閥門的異常動(dòng)作。通過(guò)優(yōu)化，將原本的“單電保護(hù)”改造為“二取二”的保護(hù)狀態(tài)，很大程度上提升了燃?xì)廨啓C(jī)清吹系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)6F.01 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)、清吹系統(tǒng)的介紹以及在調(diào)試過(guò)程中的跳機(jī)事故分析，主動(dòng)查找燃機(jī)清吹系統(tǒng)安全隱患。通過(guò)研究燃機(jī)現(xiàn)場(chǎng)條件及相關(guān)燃機(jī)保護(hù)邏輯制定了改造方案。方案實(shí)施后，通過(guò)前后10 步對(duì)改造后的新增電磁閥通電及切斷電源的試驗(yàn)，驗(yàn)證了任意一只電磁閥故障，都不會(huì)影響對(duì)應(yīng)閥門的正常開(kāi)啟；只有當(dāng)2 個(gè)電磁閥同時(shí)故障時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)清吹閥門的異常動(dòng)作，確保了燃機(jī)清吹閥門的正常使用，有效提高了清吹系統(tǒng)的可靠性，避免6F.01 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組出現(xiàn)因清吹閥電磁閥故障導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)事故。