AE64.3A型燃氣輪機點火失敗原因分析及處理

劉洋　張煜

摘 要：針對AE64.3A型燃氣輪機在調(diào)試期間和商運初期多次點火失敗的情況，通過對其點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及點火過程的分析，總結(jié)了該類型燃氣輪機點火失敗的原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防和改進措施，使該機組目前點火成功率達到100%。

關(guān)鍵詞：AE64.3A型燃氣輪機；點火失??；故障分析；優(yōu)化

中圖分類號：TK477? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0073-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.019

0? ? 引言

潮州某聯(lián)合循環(huán)電廠選用AE64.3A型燃氣輪機，是上海電氣國產(chǎn)化小F級燃氣輪機的首次應(yīng)用，其配套汽輪機、鍋爐、發(fā)電機等也均為首臺（套）新型設(shè)備。該套機組投用后，有效緩解了潮州市及周邊地區(qū)供電緊張的壓力，滿足了潮州電網(wǎng)應(yīng)急調(diào)峰需求，在進一步優(yōu)化潮州市能源結(jié)構(gòu)、助力其綠色高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。

作為燃氣輪機機組，需具備緊急備調(diào)、電網(wǎng)調(diào)峰、快速啟停的功能，為滿足上述功能，要求燃氣輪機一次點火的成功率達100%。然而，AE64.3A型燃氣輪機在啟動時多次出現(xiàn)點火失敗的情況，導(dǎo)致機組啟動延誤，達不到電網(wǎng)應(yīng)急調(diào)峰的需求；且點火失敗將導(dǎo)致電廠發(fā)電氣耗和廠用電率上升，經(jīng)濟性下降，并存在被電網(wǎng)考核的風險。

本文通過對AE64.3A型燃氣輪機啟動點火過程的介紹和點火失敗原因的分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化改進措施，以期提高該類型機組點火成功率，并為同類型機組提供借鑒參考。

1? ? 點火系統(tǒng)介紹

1.1? ? 點火系統(tǒng)組成

AE64.3A型燃氣輪機采用環(huán)形燃燒室，配置24個周向均勻分布的混合雙燃料燃燒器，燃燒室布置情況如圖1所示。

如圖2所示，對于燃氣模式，燃燒器有兩個不同的噴嘴系統(tǒng)：預(yù)混和值班燃燒器噴嘴。其中值班燃燒器噴嘴用于點火，在每個值班環(huán)腔配備有兩個點火電極（圖3），220 V廠用電經(jīng)點火變壓器升壓至5 000 V，通過點火電極前端放電產(chǎn)生持續(xù)的電弧以點燃燃氣混合物。

如圖4所示，國內(nèi)AE64.3A型燃氣輪機主要以天然氣為燃料，天然氣經(jīng)緊急關(guān)斷閥（FG STOP VALVE），通過預(yù)混閥（PREMIX VALVE）和值班閥（PILOT VALVE）的流量控制調(diào)節(jié)，分別送入每個燃燒器的預(yù)混噴嘴和值班噴嘴參與燃燒。

1.2? ? 點火過程

燃氣輪機接收啟動指令后，通過SFC（靜態(tài)勵磁啟動裝置）升速進入高盤清吹模式，清吹8 min后降速至220 r/min，啟動點火程序?？刂葡到y(tǒng)將點火需求流量（0.015 kg/s）通過閥門流量特性曲線計算轉(zhuǎn)化為開度指令，再通過伺服閥和執(zhí)行機構(gòu)對值班閥進行調(diào)節(jié)打開至點火開度。隨即ESV閥打開，點火變壓器帶電12 s，在電極末端放電打火。ESV閥打開3 s后值班燃料以0.01 kg/s的速度增加質(zhì)量流量，7 s后增至總點火流量0.085 kg/s。在ESV閥打開12 s內(nèi)，若至少1個火焰探測器（共2個）檢測到火焰，則認為點火成功，否則判定失敗[1]。點火過程中的各項參數(shù)均由調(diào)試期間多次冷態(tài)和熱態(tài)點火啟動試驗獲得，通過測試能成功點火的值班燃料流量和點火轉(zhuǎn)速等參數(shù)范圍，得到最佳參數(shù)組作為點火參數(shù)設(shè)定值，以有效提高機組點火成功率[2]。

參與修正值班氣流量的因素還有壓氣機入口溫度、壓氣機出口溫度、天然氣熱值（目前為預(yù)設(shè)值）、IGV開度和透平排氣溫度修正值（TETC）。AE64.3A型燃氣輪機在壓氣機出口溫度低于15 ℃時，通過壓氣機出口溫度與值班氣流量函數(shù)進行計算修正作為值班氣的點火質(zhì)量流量設(shè)定值，再通過值班燃料控制器輸出轉(zhuǎn)化為值班閥的開度信號。當壓氣機出口溫度測量不準或熱電偶故障時，可在控制系統(tǒng)組態(tài)中切換為TETC與值班氣點火流量修正函數(shù)。

2? ? 點火失敗原因分析及處理措施

通過總結(jié)調(diào)試期間及商運后AE64.3A型燃氣輪機點火失敗案例，結(jié)合調(diào)試、運行經(jīng)驗，并從AE64.3A型燃氣輪機點火系統(tǒng)組成和點火過程出發(fā)對點火失敗原因進行分析，點火失敗一般可能存在以下故障：

1）點火系統(tǒng)故障：點火變壓器故障、點火電極故障；

2）火焰監(jiān)測系統(tǒng)故障：石英透鏡故障、火焰監(jiān)測控制器故障；

3）天然氣參數(shù)不滿足要求：熱值波動、純度不足；

4）燃料供應(yīng)系統(tǒng)故障：管線積水、濾網(wǎng)臟污、值班環(huán)管堵塞、燃料閥門卡澀。

當發(fā)生點火失敗時，需對上述故障進行逐一排查，盡快恢復(fù)點火條件。

2.1? ? 點火系統(tǒng)故障

2.1.1? ? 點火變壓器故障

點火變壓器故障一般指變壓器產(chǎn)生的電壓達不到點火要求、點火電纜短路或接觸不良、變壓器故障不工作。AE64.3A型燃氣輪機配有24個燃燒器和24個點火變壓器，但僅在1、4、7、10、13、16、19、22號值班燃燒器噴嘴末端開有點火孔（圖5、圖6）。點火時，值班燃料從點火孔處流出與空氣混合，在點火電極放電產(chǎn)生的電火花下發(fā)生燃燒反應(yīng)，因此實際點火過程中僅開有點火孔的燃燒器參與點火。當點火變壓器故障時，為排除變壓器的干擾，可將不參與點火的點火變壓器的電纜解除。經(jīng)實際測試，剩余8個點火變壓器完全滿足點火要求，且解除的點火變壓器可作為備件，當有點火變壓器故障時直接更換。

2.1.2? ? 點火電極故障

點火電極故障一般指點火電極本體損壞或點火電極的放電間隙不當。AE64.3A型燃氣輪機所配點火電極外殼為陶瓷材質(zhì)，現(xiàn)場安裝時極易破損、折斷。在燃燒器組裝過程中需加強對電極的保護，或者在燃燒器安裝完成后，再進行點火電極安裝。在安裝結(jié)束后，需對點火電極外部進行檢查，并進入燃燒室內(nèi)部進行冷態(tài)放電打火試驗，如果能觀測到明顯的電火花，則點火電極安裝合格，否則應(yīng)通過彎曲電極來調(diào)整兩個點火電極之間的間隙，直至能產(chǎn)生持續(xù)的電火花。

2.2? ? 火焰監(jiān)測系統(tǒng)故障

AE64.3A型燃氣輪機設(shè)有兩個在燃燒室周向不同位置的火焰探測器監(jiān)測火焰，通過感光玻璃片采集光信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器、信號傳輸電纜及火焰放大器傳至控制系統(tǒng)。當兩套火焰監(jiān)測裝置均未檢測到火焰時，觸發(fā)燃氣輪機熄火保護?；鹧嫘盘栐趥鬏?shù)娜我画h(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致無法監(jiān)測燃燒狀態(tài)，從而造成系統(tǒng)誤判、點火失敗。

火焰探測器中用于感光的石英鏡片在運行時間增長后易出現(xiàn)臟污甚至產(chǎn)生裂紋[3]，石墨墊片材質(zhì)偏軟易碎，破損后的石墨渣會影響石英鏡片的透光率。因此，需定期對火檢玻璃進行檢查和清理并進行光感試驗，保證火焰探測器的正常工作。

火焰探測器的信號轉(zhuǎn)換器與信號傳輸電纜通過6針航空插頭連接，若電纜固定不牢，插頭處易松動且針頭可能彎曲折斷導(dǎo)致信號傳輸不良。且若燃氣輪機本體保溫效果較差，高溫環(huán)境會加速信號電纜的老化，老化后的電纜易短路并導(dǎo)致火焰放大器內(nèi)部保險熔斷或卡件故障。因此，在安裝階段應(yīng)對電纜做好固定、屏蔽和隔熱措施。

火焰探頭采集的火焰脈沖信號達到一定強度時會觸發(fā)火焰繼電器動作，同時火焰信號的強度可在火焰放大器控制面板（圖7）的條形圖（Flame Signal）上看到。當出現(xiàn)內(nèi)部故障或火焰信號強度低時，火焰繼電器斷開并導(dǎo)致熄火調(diào)機。為使火焰監(jiān)測設(shè)備正確工作，必須按技術(shù)要求調(diào)節(jié)火焰放大器的感光靈敏度（Sensitivity）。

2.3? ? 天然氣參數(shù)不滿足要求

燃氣輪機點火參數(shù)的確定意味著空燃比的確定，空氣進氣量或燃料量發(fā)生變化，都可能影響點火成功率。

2.3.1? ? 空氣量變化

在點火轉(zhuǎn)速確認的情況下，空氣進氣量主要受環(huán)境溫度、濕度、IGV角度的影響。在夏季和冬季工況下，受環(huán)境影響，夏季空氣的質(zhì)量流量小于冬季，因此需要在每年夏季和冬季分別進行一次燃燒調(diào)整，以排除環(huán)境變化帶來的干擾。

AE64.3A型燃氣輪機在30%負荷前，IGV始終維持在最小開度。為排除IGV角度對空氣量的影響，新機啟動前、機組檢修后均需對IGV的角度進行復(fù)測并進行冷態(tài)調(diào)節(jié)，確保其角度正確。

2.3.2? ? 天然氣組分變化

因天然氣供應(yīng)緊張，為保證氣源的穩(wěn)定性，燃氣輪機電廠一般設(shè)計有多路氣源，不同的氣源成分有差異，即使是同一氣源，在氣站上游也無法保證天然氣熱值的穩(wěn)定性，經(jīng)常出現(xiàn)管道氣和LNG摻混使用的情況。在點火參數(shù)不變的情況下，氣源的切換會導(dǎo)致天然氣沃泊指數(shù)（Wobbe Index）變化。當沃泊指數(shù)變化較大時，預(yù)設(shè)點火參數(shù)下的當量比偏離較大，易導(dǎo)致點火失敗[4]。為防止熱值變化對點火成功率的影響，某電廠在天然氣入口母管設(shè)有天然氣色譜儀[1]，實時監(jiān)測天然氣成分、熱值，當參數(shù)發(fā)生變化時，及時做出調(diào)整。同時，可以將色譜儀采集數(shù)據(jù)引入燃氣輪機燃料控制系統(tǒng)，建立函數(shù)關(guān)系。AE64.3A型燃氣輪機控制系統(tǒng)中預(yù)留有天然氣成分參數(shù)接口，后期可經(jīng)調(diào)試實現(xiàn)燃燒參數(shù)的在線調(diào)整。

為保證進入燃燒器的天然氣烷烴濃度100%，在燃氣輪機檢修或氮氣置換后，運行人員應(yīng)在前置模塊排污口通過手持天然氣檢漏儀檢測天然氣濃度，當濃度不足時，重新進行天然氣置換，防止出現(xiàn)天然氣管道置換不徹底的情況。

2.4? ? 燃料供應(yīng)系統(tǒng)故障

燃氣輪機電廠所需天然氣經(jīng)上游分輸站進入電廠調(diào)壓站過濾、調(diào)壓后，再經(jīng)前置模塊二次加熱、過濾，由燃氣模塊閥門調(diào)節(jié)后經(jīng)天然氣環(huán)管分配至各燃燒室參與燃燒。整條供應(yīng)管路管線長、關(guān)節(jié)多，為保證點火成功率，需要燃氣供應(yīng)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行。

2.4.1? ? 天然氣管線積水

根據(jù)各地區(qū)的實際建設(shè)情況，上游天然氣分輸站與電廠的距離有所差異，若距離遠會導(dǎo)致天然氣輸送管道長。且電廠調(diào)壓站、前置模塊、燃氣模塊均為模塊化設(shè)計，這也導(dǎo)致空間狹小、管路支路和彎頭較多。當環(huán)境溫度低、濕度大時，特別是在高海拔地區(qū)，天然氣會在管道內(nèi)生成凝結(jié)水，凝結(jié)水量增大會對點火造成影響[5]。因此，建議定期對調(diào)壓站、前置模塊內(nèi)過濾器進行疏水，必要時啟動電加熱或通過水浴加熱器提高天然氣溫度。

2.4.2? ? 管線堵塞

天然氣進入燃氣輪機前需經(jīng)多級過濾，粗、精過濾器均裝有壓差指示器和壓差變送器，可通過壓差示值判斷過濾器是否堵塞。但燃氣模塊入口為一Y型過濾器，無任何監(jiān)測儀表，隨著運行時間增長，無法判斷其臟污情況。為防止其堵塞對燃燒產(chǎn)生影響，建議定期對濾芯進行檢查，臟污時進行清潔、更換。

在燃氣輪機新機組調(diào)試時，還會通過冷、熱反吹對新安裝燃燒器、燃料環(huán)管進行吹掃，確保管線清潔、暢通。

2.4.3? ? 燃氣閥門卡澀、行程漂移

AE64.3A型燃氣輪機采用單獨液壓油箱供油至燃氣閥門油動機，若油質(zhì)不合格，會造成各液壓閥的濾網(wǎng)堵塞、伺服閥卡澀等情況，從而引起天然氣流量失調(diào)導(dǎo)致點火失敗。因此，閥門的精確調(diào)節(jié)需要滿足規(guī)范要求的液壓油，AE64.3A型燃氣輪機選用殼牌L-HM 46抗磨液壓油，在閥門調(diào)試前需進行濾油工作，直至油質(zhì)合格[6]。

同樣，值班閥行程漂移、異物堵塞、閥籠（控制閥中用于流量調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，如圖8所示）錯位也會使得天然氣流量控制失準而導(dǎo)致點火失敗。AE64.3A型燃氣輪機燃氣閥門選用Pruss閥體和Rexroth液壓執(zhí)行機構(gòu)。在進行調(diào)試前，需先確認值班控制閥閥籠是否安裝正確，某電廠調(diào)試時就出現(xiàn)值班閥閥籠選用了非調(diào)節(jié)型和閥籠安裝錯位的問題而導(dǎo)致點火一直失敗。然后通過對值班控制閥進行冷態(tài)校驗標定零位與滿位。在熱態(tài)調(diào)試時，通過比對值班控制閥后的流量計測得的數(shù)值，對預(yù)設(shè)的閥門流量特性曲線進行修正。當出現(xiàn)點火失敗故障后，可與之前點火成功時值班控制閥后的流量計數(shù)據(jù)進行比對來判斷值班閥行程是否漂移。

3? ? 結(jié)束語

燃氣輪機的點火性能是燃氣輪機啟動過程中一項關(guān)鍵技術(shù)指標，可靠穩(wěn)定地點火是確保燃氣輪機能夠正常運行的重要環(huán)節(jié)。本文從AE64.3A型燃氣輪機點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和點火過程出發(fā)對影響其點火成功率的因素進行分析，總結(jié)調(diào)試經(jīng)驗并提出相關(guān)設(shè)備管理措施和故障排查建議，可供同類型機組在解決類似故障時借鑒參考。

涉及燃氣輪機點火成功率的因素較多，日常工作中應(yīng)加強設(shè)備管理和定期維護，在發(fā)生點火故障時應(yīng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，對常見因素進行詳細排查，快速找出故障點，盡快恢復(fù)點火條件，保障機組按時并網(wǎng)。

[參考文獻]

[1] 王鑫.V94.3A型燃氣輪機燃燒控制分析[J].發(fā)電設(shè)備，2010，24（6）：453-456.

[2] 李忠義，崔耀欣，虎煜.燃氣輪機燃燒調(diào)整和自動燃燒調(diào)整技術(shù)探討[J].熱力透平，2015，44（3）：183-187.

[3] 李家松，謝亞軍.V94.3A型燃氣輪機火檢裝置燒毀原因分析及改進[J].發(fā)電設(shè)備，2014，28（5）：373-375.

[4] 何翔宇.氣態(tài)燃料燃燒室點火及燃燒特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2021.

[5] 宋馨.V94.3A型燃氣輪機點火失敗原因分析及解決方案[J].華電技術(shù)，2019，41（8）：24-26.

[6] 彭勇.關(guān)于A燃氣輪機電廠建設(shè)期油質(zhì)監(jiān)督管理的探討[J].能源與節(jié)能，2022（6）：148-151.

收稿日期：2023-03-14

作者簡介：劉洋（1994—），男，安徽人，助理工程師，研究方向：燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠生產(chǎn)運行。

張煜（1976—），男，廣東人，工程師，研究方向：燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠生產(chǎn)運行。