某型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中火焰缺失故障分析與處理

張 浩, 沙浩南, 劉鳳杰, 王 巖, 曾祥茂

(1. 中國船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所, 哈爾濱 150078;2. 船舶與海洋工程特種裝備和動(dòng)力系統(tǒng)國家工程研究中心, 哈爾濱 150078;3. 華潤電力(泰州)有限公司,江蘇 泰州 225300)

燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)過程中,燃料量的設(shè)定需要與起動(dòng)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間相匹配。本文基于某電站在調(diào)試階段對燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中發(fā)生熄火故障的分析、起動(dòng)設(shè)備測試以及故障處理的敘述,為同類型故障的處理提供方向。

1 故障現(xiàn)象

某電站燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)試過程中,燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)升速階段時(shí),當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速升高到3 000 r/min時(shí),發(fā)出燃?xì)廨啓C(jī)火焰缺失報(bào)警并熄火停機(jī)。由于機(jī)組在起機(jī)前進(jìn)行了氮?dú)庵脫Q,為排除燃?xì)夤艿纼?nèi)殘余的氮?dú)鈱?dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火不充分的可能,現(xiàn)場進(jìn)行了幾次燃?xì)庵脫Q吹掃。但再次起機(jī)后仍出現(xiàn)同樣的火焰缺失熄火現(xiàn)象,故排除燃?xì)鉂舛葘?dǎo)致燃燒不充分的原因。此外在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)前進(jìn)行了壓氣機(jī)水清洗,為防止壓氣機(jī)內(nèi)部殘留清洗水,現(xiàn)場又進(jìn)行高速盤車30 min吹掃內(nèi)部清洗水,重新起動(dòng)后仍出現(xiàn)相同故障。因此需根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)一步分析火焰缺失故障原因。

2 燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)及燃燒模式概述

2.1 起動(dòng)系統(tǒng)組成

該型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)設(shè)備是在起動(dòng)過程中使機(jī)組到達(dá)自持轉(zhuǎn)速的一套驅(qū)動(dòng)設(shè)備。機(jī)組可以在收到起動(dòng)準(zhǔn)備就緒信號后執(zhí)行起動(dòng)指令,起動(dòng)系統(tǒng)包括以下設(shè)備(示意圖如圖1所示):(1) 帶加熱器的起動(dòng)電機(jī)(AC560 kW/短時(shí)間160%負(fù)載運(yùn)行);(2) 液力變扭器(連接起動(dòng)電機(jī)和減速齒輪箱的液力耦合設(shè)備);(3) 在燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到自持轉(zhuǎn)速時(shí)自動(dòng)脫離的SSS離合器;(4) 安裝在負(fù)載齒輪上的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子盤車裝置,帶有手動(dòng)盤車裝置以便電源故障時(shí)使用。

圖1 起動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.2 燃燒模式概述[1]

燃?xì)廨啓C(jī)低氮燃燒(low nitrogen combustion,LNC)配置如圖2所示。燃?xì)馔ㄟ^燃料前置過濾后進(jìn)入燃料閥室內(nèi),首先通過燃料速比閥(stop ratio valve ,SRV),該閥有兩個(gè)功能:一個(gè)是快速切斷到燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的燃料,另一個(gè)是精準(zhǔn)控制截止/速比閥出口處氣體燃料壓力。燃料控制閥 (gas control valve,GCV) 控制燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)的氣體燃料流量。該燃?xì)廨啓C(jī)有10個(gè)低氮燃燒器,每個(gè)燃燒器有5個(gè)燃料噴嘴被5個(gè)相對應(yīng)的GCV控制,分別為F1、F2-1、F2-2、F2-3、F2-4。圖3所示,點(diǎn)火及燃燒模式# 0～模式# 5分別對應(yīng)著噴嘴F1、F2-1、F2-2、F2-3、F2-4工作的狀態(tài)。點(diǎn)火時(shí)F1和F2-1、F2-2同時(shí)工作,點(diǎn)火成功后F2-2關(guān)閉進(jìn)入模式#0,將預(yù)混的燃料充分燃燒后燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高隨后進(jìn)入模式# 1,此時(shí)F2-1關(guān)閉,燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速即為空載全速階段[2]。隨著負(fù)荷不斷增加,在進(jìn)入一定負(fù)荷階段后,F2-1、F2-2、F2-3、F2-4依次打開工作。燃燒模式和LNC操作條件,以及LNC從啟動(dòng)到全負(fù)荷燃燒模式,如圖3所示。因此,在起動(dòng)過程中燃料閥F1、F2-1、F2-2參與燃料預(yù)混時(shí)長和燃燒量的設(shè)定關(guān)系著燃?xì)廨啓C(jī)起機(jī)過程中能否順利起動(dòng)。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)低氮燃燒(LNC)配置

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒模式

2.3 起動(dòng)原理概述

主供油泵等滑油系統(tǒng)設(shè)備正常開啟后,潤滑油系統(tǒng)壓力達(dá)到穩(wěn)定,燃?xì)廨啓C(jī)準(zhǔn)備由慢速盤車(53.5 r/min)進(jìn)入高速盤車模式,相應(yīng)輔機(jī)(液壓油泵、軸承冷卻風(fēng)機(jī)、箱體通風(fēng)風(fēng)機(jī)等)正常起動(dòng),此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)由起動(dòng)電機(jī)(起動(dòng)電機(jī)短時(shí)達(dá)到160%負(fù)荷)拖動(dòng)逐漸升速。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速至少達(dá)到全速20%時(shí)進(jìn)入高速盤車階段,燃?xì)廨啓C(jī)開始計(jì)時(shí)吹掃,吹掃程序完成后機(jī)組進(jìn)行點(diǎn)火程序。燃料需求量(fuel flow demand,FFD)將按照點(diǎn)火設(shè)定值執(zhí)行。而此時(shí)通過液力變扭器傳遞給燃?xì)廨啓C(jī)的扭矩帶動(dòng)的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)大于額定轉(zhuǎn)速的20%,同時(shí)在空氣進(jìn)氣量一定時(shí),為保證提供給燃燒器的空氣和燃料比適量(可燃上限與可燃下限的比率最小為2.2∶1),燃料控制閥GCV控制燃料量,而進(jìn)氣導(dǎo)葉(inlet guide vane,IGV)控制空氣量。因此在執(zhí)行升速時(shí)液力變扭器滑油卸荷閥打開,控制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定升速。燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中的典型曲線如圖4所示。

3 故障監(jiān)測及調(diào)整措施

3.1 起動(dòng)數(shù)據(jù)分析

分析本次燃?xì)廨啓C(jī)火焰缺失故障的起動(dòng)加速過程曲線,如圖5所示,燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)進(jìn)入高速盤車階段后,燃?xì)廨啓C(jī)加速信號發(fā)出,液力變扭器卸荷閥打開,進(jìn)入模式#0完成暖機(jī),控制系統(tǒng)發(fā)出加速指令,燃燒模式由模式#0切換到模式#1,而在得到加速指令15 s左右后,燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)火焰缺失而熄火停機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)從高速盤車準(zhǔn)備加速開始,到液力變扭器卸荷閥收到指令打開有一定的時(shí)間延遲。分析在加速階段初期,燃?xì)廨啓C(jī)加速是由起動(dòng)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒做功共同驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)加速,由于起動(dòng)電機(jī)通過變頻柜控制會(huì)有一定的延遲,在此延遲的時(shí)間內(nèi),燃?xì)廨啓C(jī)已發(fā)出升速指令,而起動(dòng)電機(jī)由于延遲而較晚達(dá)到160%輸出功率,因此在燃?xì)廨啓C(jī)需要升速過程中,FFD會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料系統(tǒng)投入更多燃料以完成燃?xì)廨啓C(jī)加速任務(wù)。由于進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣量一定,此時(shí)燃燒器內(nèi)的空氣和燃料比超出了可燃范圍,導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)熄火停機(jī)。

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)火焰缺失故障時(shí)加速過程曲線

3.2 起動(dòng)設(shè)備測試

為確定起動(dòng)設(shè)備在收到加速指令后執(zhí)行動(dòng)作的延遲時(shí)間,現(xiàn)場對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出加速指令后,燃?xì)廨啓C(jī)從1 850 r/min的盤車轉(zhuǎn)速開始升速,對起動(dòng)電機(jī)開始加速達(dá)到160%輸出功率和液力變扭器卸荷閥由關(guān)到開的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行測試。燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)出加速指令后,首先控制液力變扭器卸荷閥由關(guān)到開,卸荷閥的動(dòng)作反饋很迅速,而起動(dòng)電機(jī)需要通過控制系統(tǒng)等傳遞指令再到電機(jī)“真正”開始加速會(huì)有一定的延遲,因此測試每次燃?xì)廨啓C(jī)開始加速和下一次開始加速時(shí)的時(shí)間間隔來判斷起動(dòng)電機(jī)開始加速的延遲時(shí)間,通過測試得到表1所示的結(jié)果。起動(dòng)電機(jī)的額定電流是38 A,因此開始加速后的電流一般是56 A。

表1 起動(dòng)時(shí)間間隔測試結(jié)果

此外監(jiān)測液力變扭器卸荷閥開、關(guān)時(shí)的滑油壓力,如表 2所示,油壓的結(jié)果和出廠時(shí)測試數(shù)據(jù)一致,符合設(shè)計(jì)要求。

表2 液力變扭器卸荷閥測試結(jié)果

3.3 起動(dòng)參數(shù)調(diào)整

從對起動(dòng)電機(jī)開始加速達(dá)到160%輸出功率和液力變扭器卸荷閥由關(guān)到開的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行測試結(jié)果看,時(shí)間差大約在36 s到54 s之間,這也證實(shí)了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出升速指令后,起動(dòng)電機(jī)由于延遲較晚達(dá)到160%輸出功率,因此在燃?xì)廨啓C(jī)升速過程中,FFD增加的速率降低,通過燃料控制使燃?xì)廨啓C(jī)升速的斜率更小一些,升速更為順暢。因此在起動(dòng)過程中將燃料設(shè)定參數(shù)做以下調(diào)整,其中燃料量設(shè)定參數(shù)都是以FFD(即瞬時(shí)的燃料控制流量)為單位。由于燃料設(shè)定量稍高出現(xiàn)“富油”現(xiàn)象,需降低燃料設(shè)定量的數(shù)值以保證空燃比在合理范圍內(nèi)。因此根據(jù)調(diào)試的經(jīng)驗(yàn),一般將燃料設(shè)定常數(shù)調(diào)整變化量盡量保證在3%～5%,而起動(dòng)過程中有起動(dòng)電機(jī)幫助燃?xì)廨啓C(jī)升速,因此本次將燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中的燃料設(shè)定常數(shù)減少的多一些,與暖機(jī)過程中的常數(shù)保持一致;類似的將F2-1和F2-2燃料控制閥控制的燃料量設(shè)定值保持一致。具體的燃料設(shè)定常數(shù)調(diào)整如下:(1)燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中燃料量設(shè)定常數(shù)減少,由13.2 FFD調(diào)整為10.9 FFD;(2)燃?xì)廨啓C(jī)暖機(jī)過程中燃料量設(shè)定常數(shù)減少,由11.2 FFD調(diào)整為10.9 FFD;(3)燃?xì)廨啓C(jī)在點(diǎn)火、暖機(jī)過程中F2-1燃料控制閥控制的燃料量由6.7 FFD調(diào)整為6.5 FFD;(4)燃?xì)廨啓C(jī)在點(diǎn)火、暖機(jī)過程中F2-2燃料控制閥控制的燃料量由6.7 FFD調(diào)整為 6.5 FFD。

在點(diǎn)火過程中,F2-1和F2-2都參與點(diǎn)火時(shí)的燃料預(yù)混并輔助燃燒的工作,而在暖機(jī)過程中,F2-2先關(guān)閉,隨后F2-1關(guān)閉。為了使點(diǎn)火完成后到暖機(jī)加速過程中,燃燒更為穩(wěn)定,將F2-1和F2-2關(guān)閉的時(shí)間延后,也保證F2-1和F2-2都參與了燃料調(diào)節(jié)。

3.4 調(diào)整后測試

在重新調(diào)整燃料設(shè)定參數(shù)后,重新起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī),燃?xì)廨啓C(jī)加速到3 000 r/min后順利繼續(xù)升速,同時(shí)參數(shù)也未出現(xiàn)異常情況。通過將燃?xì)廨啓C(jī)在加速過程中的燃料設(shè)定量降低,使燃?xì)廨啓C(jī)加速過程的燃料量與起動(dòng)設(shè)備匹配的更好,同時(shí)在暖機(jī)過程中使F2-1、F2-2燃料控制閥控制的燃料量減少,使燃料量低于燃料過多的范疇,以保證空燃比在合理的范圍內(nèi)。燃?xì)廨啓C(jī)從加速到暖機(jī)過程再到升速的過程中,燃?xì)廨啓C(jī)每秒種以額定轉(zhuǎn)速的0.175%速率持續(xù)加速并穩(wěn)定達(dá)到全速空載狀態(tài)。燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程曲線如圖6所示。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程曲線(參數(shù)調(diào)整后)

3.5 改進(jìn)措施

由于該型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器F2-1、F2-2、F2-3、F2-4的噴嘴和燃料控制閥相比于F1更為精密和敏感,因此F2-1、F2-2、F2-3、F2-4參與調(diào)節(jié)燃料量的范圍更小,也因?yàn)镕2-1、F2-2、F2-3、F2-4的噴嘴和燃料控制閥比較敏感的特性容易導(dǎo)致故障的發(fā)生,當(dāng)燃料熱值發(fā)生巨大變化時(shí),可能會(huì)因?yàn)榭刂崎y調(diào)節(jié)不到位而發(fā)生故障,因此可以在燃料進(jìn)入燃料速比閥前增設(shè)天然氣熱值儀[1],實(shí)時(shí)監(jiān)測天然氣的熱值情況以便發(fā)現(xiàn)燃燒明顯的變化,燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)熱值的變化情況,自動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒系統(tǒng)中的燃料量和燃料控制閥的工作設(shè)定參數(shù),從而控制燃燒模式的穩(wěn)定性,避免發(fā)生跳機(jī)故障。

4 結(jié)論

本文基于某型燃?xì)廨啓C(jī),通過對燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中出現(xiàn)火焰缺失故障的分析、起動(dòng)設(shè)備測試,揭示了火焰缺失故障的原因,并通過調(diào)整燃料量設(shè)定值將故障處理完成,得出的主要結(jié)論如下。

(1) 通過對起動(dòng)設(shè)備響應(yīng)時(shí)間的測試,發(fā)現(xiàn)從起動(dòng)電機(jī)開始加速達(dá)到160%輸出功率和液力變扭器卸荷閥動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行測試結(jié)果比對,存在較明顯的時(shí)間差,這也正是由于升速過程中起動(dòng)電機(jī)出力延遲,而燃料控制系統(tǒng)中燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)功能會(huì)自動(dòng)增加燃料量以彌補(bǔ)升速所需的不足能量,超出了燃燒器正常工作的空氣和燃料比,導(dǎo)致了火焰缺失故障的發(fā)生。

(2) 根據(jù)起動(dòng)設(shè)備響應(yīng)時(shí)間的延遲測試結(jié)果,將燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)和暖機(jī)過程中燃料量設(shè)定常數(shù)減少,同時(shí)將F2-1和F2-2燃料控制閥控制的燃料量減少,使燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)和暖機(jī)過程中升速的曲線更為平緩,以調(diào)整在此過程中空氣和燃料配比在相對合理的范圍內(nèi),有利于燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定加速。

(3) 為防止天然氣熱值波動(dòng)劇烈,在燃料進(jìn)入燃料速比閥前增設(shè)天然氣熱值儀,實(shí)時(shí)監(jiān)測天然氣的熱值情況以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒明顯的波動(dòng)變化,同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)中燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)功能可以通過燃料量的自動(dòng)控制和燃料控制閥的工作設(shè)定,精準(zhǔn)控制燃料量和燃燒器的燃燒模式,避免天然氣熱值波動(dòng)劇烈而發(fā)生故障。