AE94.3A型聯(lián)合循環(huán)機組運行優(yōu)化分析

東莞深能源樟洋電力有限公司 馬文德 陳旭義 吳金創(chuàng)

1 燃燒穩(wěn)定性優(yōu)化

1.1 燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象

雖然貧燃預混燃燒能夠有效地減少燃燒溫度，增強環(huán)保性能，但也可能導致熱聲不穩(wěn)定，從而引發(fā)燃燒不穩(wěn)定的問題。當燃燒室內的熱量釋放產生的壓力形成回聲，也就是嗡鳴現(xiàn)象。如果嗡鳴引發(fā)的自激震蕩頻率與燃燒室的固有頻率產生耦合，就會出現(xiàn)燃燒共振，進而產生加速度振動，從而對設備造成損害[1]。

當天然氣的組成以及壓力和溫度變動，或者當周圍環(huán)境（包括溫度、壓力和濕度）發(fā)生改變時，可能會引起燃燒過程的不穩(wěn)定。這些變化會導致燃燒溫度上升，以及燃燒過程中使用的天然氣質量流量增加。同時，為了維持適當?shù)娜紵?，燃燒室和透平所需的冷卻空氣量也會增加。此外，天然氣與空氣的混合比例的變化也是影響燃燒穩(wěn)定性的一個因素。特別是在燃氣輪機高負荷運行或者燃料成分發(fā)生變化或者天然氣氣源切換的情況下，燃燒不穩(wěn)定的問題尤其明顯。例如，2022年4月26日，該電廠在2022年4月26日五號機組運行到410MW 時，天然氣的低位熱值從36.41MJ/m3變化到34.16MJ/m3。燃氣輪機的加速度從0.7g 提升到2.0g，機組會自動關閉AGC 并進行一次調頻，從而觸發(fā)加速度保護機制以減輕負荷。燃氣輪機加速度保護條件見表1。

表1 燃氣輪機加速度保護條件

1.2 燃燒優(yōu)化措施

1.2.1 值班流量控制

AE94.3A 型的燃氣發(fā)動機設計了一個環(huán)狀的燃燒室，這樣的設計能夠讓內部的熱量場得到平衡，從而增強了燃燒的效果。然而，由于各個燃燒器的火焰會產生相互影響，可能導致燃燒的不穩(wěn)定性，所以必須依賴于在運行中的燃料管理閥以保證燃燒的平穩(wěn)。對于值班燃料的閥門位置，通過觀察其流量特性曲線，決定設置值，并根據(jù)天然氣的密度來調整。在目前的值班燃料管理系統(tǒng)中，采用最初的固定密度值來進行天然氣的操作。如果在操作過程中，天然氣的密度發(fā)生變化，值班氣的真實品質將就與預期的數(shù)據(jù)誤差較大，可能導致燃燒的不穩(wěn)定。目前，AE94.3A 設備大多配備了天然氣成分測量器，但是實時濃度沒有被納入燃料管理。如果把天然氣成分測量器的值班氣體真實濃度納入到值班氣體控制閥的閥門位置的計算，那么就能夠有效防止因為天然氣成分的改動，而產生的燃燒失調的情況。

1.2.2 智能燃燒調整系統(tǒng)

上海電氣利用Delphin 系統(tǒng)來監(jiān)控燃燒的平衡狀態(tài)，通過傅里葉變換，脈動嗡鳴信號以及燃燒室的振動加速度數(shù)據(jù)被展現(xiàn)出來，并且被呈現(xiàn)在頻譜圖上。依據(jù)小海豚的燃燒頻譜圖，對燃燒參數(shù)進行了調整。這種調整方法基于環(huán)境狀況，包括設定開度、燃氣輪機出口溫度以及值班氣調門的開度。這種方法屬于開環(huán)控制策略。但是，當實際的邊界條件（如溫度、壓力和氣體組成等）與燃燒調節(jié)參數(shù)的預設值有顯著偏差時，這些參數(shù)可能不再適用于新的燃燒環(huán)境。因此，為了確保燃燒過程的最優(yōu)化，通常需要通過試驗來調整和優(yōu)化燃燒參數(shù)。

智能燃燒控制系統(tǒng)的工作原理是，利用快速傅里葉變換來處理表示燃燒室壓力波動的嗡鳴聲，以及表示燃燒室缸體振動的加速度聲，從而達到對燃燒的直觀觀察。該系統(tǒng)還會根據(jù)需要，自動調整透平出口的溫度校準值（TETC）以及值班氣體燃料（Pilot Gas）的流量，以便在線動態(tài)地控制燃燒控制參數(shù)。這種方式被認為是一種閉環(huán)控制的策略[2]。增加智能燃燒調整系統(tǒng)，一旦嗡鳴和加速度超限，將重新設定開度、燃氣輪機出口溫度或者值班氣調開度，使加速度值有效控制在1.0g 以下，保證燃燒的穩(wěn)定工況。

2 鍋爐過熱蒸汽超溫

在AE94.3A 的冷啟動過程中，高溫過熱蒸汽的超溫問題是一個挑戰(zhàn)。為了保護余熱鍋爐免受損害，控制系統(tǒng)在高溫過熱蒸汽的溫度超出最大限度（例如超過569℃）時，會自動調節(jié)燃氣輪機的排氣溫度。具體來說，每當過熱蒸汽溫度升高1℃，燃氣輪機的排氣溫度設定將降低5℃。此外，為了有效控制過熱蒸汽的溫度，筆者從兩個方面進行分析：一是通過優(yōu)化透平排氣的溫度控制，二是通過調整過熱蒸汽的降溫水溫度控制。

過熱器增加多級減溫器。AE94.3A 是NGAE94.3A-R 機組的主要設備，是一種三壓、再熱、臥式、不需要補充燃料、具有自我去除氧氣和自我循環(huán)功能的杭州余熱鍋爐。在高壓蒸汽設計中，只使用了一級減溫器，位于高壓過熱器2和高壓過熱器3的中間連接管上。冷態(tài)機組啟動時，高壓過熱蒸汽很容易超溫，這主要是因為減溫器的設置不足。在高壓過熱器3的出口處，安裝第二級減溫器是非常必要的。第一級減溫水用于控制第二級過熱器的出口溫度，而第二級減溫水則用于控制第三級過熱器的出口溫度，這對于防止過熱蒸汽超溫有著最直接的效果。

汽輪機轉子溫度等參數(shù)是減溫器出口溫度設定值的計算依據(jù)。一級減溫器出口汽溫的良好控制，對于避免過熱蒸汽產生超溫效應，起到了不可忽視的作用。通過調整兩級的冷卻噴射量，能夠控制高溫的過熱蒸汽溫度。二級冷卻器的出口溫度和其波動性能夠被用來對一級冷卻器的溫度預設進行校準。也就是說，如果二級冷卻器的出口溫度波動性急劇增加，并且出口溫度超過了預設的閾值，那么一級冷卻器的預設溫度將會自然下降。

3 機組振動優(yōu)化

AE94.3A 燃氣輪機在運行過程中，普遍存在燃氣輪機過臨界轉速振動大，以及SSS 離合器嚙合后的兩側軸承振動大的現(xiàn)象，機組振動大可能造成軸承零部件損壞，軸端汽封和擋油環(huán)磨損，機組附近附屬輔助設備振動大增加跳機風險等[3]，本文從調整機組軸系的平衡配重、調整軸承標高和減少軸承頂隙、調整SSS 離合器嚙合狀態(tài)等方面介紹優(yōu)化機組振動的方法。

調整軸承標高和減少軸承頂隙。在檢修周期內，對SSS 離合器進行拆解檢查，ACK 其內部各部件是否有異常。同時，對軸承進行拆解修復，適當縮小軸承頂部的間隙。例如，將6號軸承的中分面銑削0.20mm，以便將軸瓦頂部的間隙控制在0.58mm。對下瓦塊的軸向兩側進行大約15～20mm 的修刮，以減小瓦塊面積并增加比壓，從而提升軸承的自位能力。對下瓦塊的進油側進行適當?shù)墓窝?，以?yōu)化軸瓦的進油量。有助于油膜的形成。

對8號軸承進行適當?shù)纳墸缣嵘浒惭b高度0.156mm，能夠顯著提升高、中壓轉子的下張口值，從而增強6號軸承的負載效能。由于7號軸承箱位于兩個汽缸之間，在運行過程中會產生較大的熱膨脹，這將導致7號軸承的升級。然而，過多的升級可能會導致6號軸承的負載顯著降低。為了減輕這種情況，可以通過在7號軸承箱與汽缸之間添加保溫護板、調整潤滑油壓力、增設冷卻風扇等方法來實現(xiàn)，以此來降低7號軸承標高的波動。

4 沖轉參數(shù)及汽輪機啟動方式優(yōu)化

AE94.3A 型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組冷機啟動時間長，冷態(tài)啟動到滿負荷正常需要7～8h，期間中速暖機4h 左右，設計之初考慮啟動過程NOx 排放達標問題，設計機組負荷必須達到120MW，高壓主汽壓力8.0MPa，溫度380℃，汽輪機才可沖轉，且保持在870r/min 暖機，此時的蒸汽量小，暖機效果差，這種單一的汽輪機啟動方式造成了閥門截流嚴重，閥芯沖刷侵蝕，高壓主蒸汽降低溫水用量的弊端。

通過增加一些邏輯判斷的功能塊，去除原汽輪機暖機的單一模式，對聯(lián)合循環(huán)機組的汽輪機進行冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的判斷，自動選擇相應的啟動參數(shù)，從而實現(xiàn)機組不同狀態(tài)下啟動模式的優(yōu)化。

4.1 暖機負荷、溫度優(yōu)化

在汽輪機啟動的過程中，為了更精確地控制負荷和溫度，筆者在原有控制系統(tǒng)的基礎上增加了新的功能模塊。這些功能模塊包括汽輪機啟動負荷和溫度設定的計算，以及用于判斷汽輪機是處于冷態(tài)、溫態(tài)還是熱態(tài)的功能。這樣的設計使得負荷和溫度的設定可以分為三個階段，分別對應汽輪機的冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)。具體參數(shù)設置分別為冷態(tài)時65MW/420 ℃、溫態(tài)時100MW/500 ℃和熱態(tài)時130MW/540℃。在汽輪機的冷態(tài)啟動階段，負荷和溫度控制是動態(tài)變化的。此外，這種控制系統(tǒng)能夠在汽輪機的冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)之間平穩(wěn)、無擾動地自動切換，實現(xiàn)整個啟動過程的自動控制。

4.2 暖機啟動壓力優(yōu)化

為了提高汽輪機啟動的效率和安全性，控制系統(tǒng)增加了新的功能，包括用于計算汽輪機啟動壓力的設定模塊和判斷汽輪機當前狀態(tài)（冷態(tài)、溫態(tài)或熱態(tài)）的模塊。通過這些改進，汽輪機啟動壓力的設定實現(xiàn)了三段式的分級，分別對應于冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)。在這三種狀態(tài)下，汽輪機啟動的壓力設定值分別約為5、6.5和8MPa（高壓）。在汽輪機冷態(tài)啟動階段，壓力設定是動態(tài)調整的。此外，這一控制系統(tǒng)還能夠在汽輪機的冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)之間平穩(wěn)地、無擾動地自動切換，確保在整個啟動過程中各階段的壓力參數(shù)得到適當?shù)目刂啤?/p>

5 點火失敗檢查

一般來說，會從點火系統(tǒng)的故障（包括火焰探測器、點火電極、點火線圈、點火變壓器）、點火轉速的調整、天然氣質量的分析以及燃空比的調整等幾個方面來探究燃氣輪機點火故障的原因。燃氣輪機的點火故障主要由以下幾個方面導致：電伴熱系統(tǒng)的運行出現(xiàn)問題、在離線清潔之后，點火電極變得過于干燥、IGV 和CV1的開關位置出現(xiàn)偏差、值班閥門的位置調整出現(xiàn)偏差、ESV 閥門的打開速度過慢，以及天然氣循環(huán)管道的阻塞等。

針對點火故障，建議定期對點火系統(tǒng)進行維護。這包括定時拆卸火花塞以進行點火效果的測試，并詳細檢查火花塞頭部是否出現(xiàn)了變形、松動、燒損或陶瓷部分脫落等問題。同時，應檢驗火焰探測器的完好性，一旦發(fā)現(xiàn)任何異?；驌p壞，應立刻進行更換，以確保系統(tǒng)的正常運行。對于點火系統(tǒng)石英玻璃的裝置，必須嚴格按照指導手冊進行操作。可以在特氟龍板和壓板之間安裝小直徑的微型攝像頭，以便實時監(jiān)控石英玻璃的狀況，同時在機組停機期間，定期檢查石英玻璃的狀態(tài)并清理積灰，加強對火檢設備的檢查和維護等工作。

6 液壓盤車失敗

作為上海電氣首個實施設備國產化的電廠，燃氣輪機液壓盤車在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)盤車均無法啟動的情況。尤其在經(jīng)過長時間維修后的冷啟動過程中，燃氣輪機的盤車自動啟動往往出現(xiàn)多次失敗，這通常需要手動介入以啟動盤車裝置。

盤車投入往往因為兩個轉速探頭均故障，以及嚙合信號未到達導致盤車保護動作失敗，靜態(tài)盤車時控制盤車轉速的進油電磁閥進油量升速過快，導致小齒輪轉速探頭因為升速過快而出現(xiàn)壞質量，進油電磁閥控制油量已經(jīng)調到最小也無法滿足轉速探頭小流量的要求，盤車廠家先后對盤車裝置進行了設計優(yōu)化，在進油控制閥旁增加了一路小流量的進油控制閥用于靜態(tài)盤車時的嚙合控制，改造完成后未再出現(xiàn)轉速探頭壞質量問題。動態(tài)盤車時常因為嚙合信號未到位導致盤車失敗，盤車解體后發(fā)現(xiàn)內部滑移齒輪等磨損嚴重，盤車廠家將內部軸承更換為進口軸承后未再出現(xiàn)嚙合信號不到位問題。

本文探討了AE94.3A 型機組在操作過程中遭遇的難題，并從各個角度給出了應對策略和改善方法，期待能夠進一步增強AE94.3A 燃氣輪機的經(jīng)濟效益和操作穩(wěn)定性。