北京京能高安屯燃?xì)鉄犭娪邢挢?zé)任公司 牛興偉 庫(kù)國(guó)亮 丁 哲

燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部配備軸流式壓氣機(jī)、燃燒室、透平等子系統(tǒng)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械能，最終帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)具有高效率和低排放，運(yùn)行環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

1 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

燃?xì)廨啓C(jī)是在空氣動(dòng)力學(xué)原理和能源學(xué)基礎(chǔ)上誕生的，最初按照等容加熱循環(huán)工作，效率僅有13%左右，后期設(shè)計(jì)、制造技術(shù)發(fā)生極大改觀，設(shè)備裝置效率、功率均有顯著提升。燃?xì)廨啓C(jī)開啟運(yùn)作環(huán)節(jié)，壓氣機(jī)抽取大量空氣壓縮并送入燃燒室，在燃?xì)鉁u輪作用下膨脹，并推動(dòng)渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)，設(shè)備內(nèi)部溫度極高，燃燒室溫度高達(dá)1240℃、排氣段溫度可以達(dá)到大約585℃。作為燃?xì)廨啓C(jī)的主要被控對(duì)象，如果監(jiān)視保護(hù)不及時(shí)有可能造成運(yùn)行缺陷及故障，并且進(jìn)一步導(dǎo)致燃燒器噴嘴、動(dòng)靜葉部件等設(shè)備損傷，最終導(dǎo)致故障停機(jī)及安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

基于此，一些燃?xì)廨啓C(jī)配備了監(jiān)視保護(hù)功能，可以在監(jiān)控內(nèi)部溫度上限的同時(shí)，把握排氣溫度分散度變化情況。分散度參數(shù)主要負(fù)責(zé)描述獨(dú)立燃燒室中的均勻狀況，燃燒分布越均勻，顯示的分散度數(shù)值就越小。就案例所采用的SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)來說，當(dāng)機(jī)組進(jìn)入滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，分散數(shù)值進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，一般應(yīng)在0～30℃，若內(nèi)部構(gòu)件出現(xiàn)故障，該數(shù)值有可能上漲。分散度的監(jiān)視是非常有必要的，分散度異常增大時(shí)，可能間接反映了如下幾種情況。

1.1 天然氣分配孔道異常

分散度增加說明燃燒室燃燒均勻度下降，究其原因可能出現(xiàn)在空氣、燃料供應(yīng)通道上，要及時(shí)檢查燃燒器以及進(jìn)氣通道是否有污染或者雜物等，其會(huì)隨著氣流進(jìn)入從而導(dǎo)致旋流器孔堵塞，或者是否存在運(yùn)行異常、相關(guān)設(shè)備磨損差異等問題。

1.2 燃燒器或過渡段裂紋

燃燒器、過渡段是燃?xì)鈧魉汀⑥D(zhuǎn)換的必經(jīng)通道，當(dāng)構(gòu)件中出現(xiàn)裂紋情況時(shí)，會(huì)造成冷卻空氣進(jìn)入燃燒空間、熱通道溫度下降，分散度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)給機(jī)組安全運(yùn)行帶來安全隱患。

1.3 壓氣機(jī)以及燃燒器的安裝情況

其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒效率的提升是至關(guān)重要的，安裝不良，會(huì)造成燃燒動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定、溫度場(chǎng)分布不均衡等問題[1]。因此，只有通過自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)防護(hù)，才能最大限度保證故障響應(yīng)時(shí)效性，降低燃?xì)廨啓C(jī)部件損壞概率，減少因熱通道部件更換造成的經(jīng)濟(jì)損失。

2 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度監(jiān)視與保護(hù)算法設(shè)計(jì)

2.1 SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度保護(hù)邏輯

受燃?xì)廨啓C(jī)制造工藝、工作環(huán)境的限制，通常無法使用直接測(cè)量手段，對(duì)燃燒室溫度進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)，因此需要借助專門的溫控系統(tǒng)觀測(cè)，SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)中，主要由SPPA-T3000執(zhí)行控制操作，從24個(gè)元件中選擇6個(gè)代表性測(cè)點(diǎn)，配備相應(yīng)的保護(hù)措施，當(dāng)任意3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到658℃以上時(shí)，就會(huì)觸動(dòng)保護(hù)機(jī)制。作為自動(dòng)控制系統(tǒng)核心，溫控子系統(tǒng)由OTC（排氣溫度）控制器、IGV（可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉）控制器組成，前者負(fù)責(zé)進(jìn)料量調(diào)節(jié)，僅在IGV全關(guān)、全開狀態(tài)下，才會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)，后者負(fù)責(zé)空氣量調(diào)節(jié)，二者互為配合，確保燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度始終處于允許范圍內(nèi)。

2.2 OTC控制器溫度監(jiān)視及控制運(yùn)行

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生故障危害較大、影響廣泛，有的故障初始表現(xiàn)并不明顯，但會(huì)在載荷持續(xù)影響下出現(xiàn)惡化趨勢(shì)，由量變轉(zhuǎn)化為質(zhì)變后，才會(huì)引發(fā)明顯的排氣溫度、分散度異常問題，因此對(duì)其開展運(yùn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，不可采用靜態(tài)化、刻板化思路，而是要加強(qiáng)跟蹤和分析，爭(zhēng)取在系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作發(fā)生前、設(shè)備停運(yùn)前，對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行篩查、排除，最大限度發(fā)揮監(jiān)視、保護(hù)功能效用。

基于此，SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)控制邏輯中，引入了溫控模式，當(dāng)排氣溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到OTC模式，對(duì)排氣溫度進(jìn)行控制調(diào)整，防止超溫問題的發(fā)生，控制流程圖如圖1所示。其中，設(shè)置的“切換條件1”主要指燃機(jī)并網(wǎng)協(xié)調(diào)投入，此時(shí)的IGV閥開度應(yīng)當(dāng)為最小。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)冷態(tài)啟動(dòng)且余熱鍋爐、汽輪機(jī)工作溫度均呈上升趨勢(shì)，那么系統(tǒng)切換并對(duì)溫升曲線、排氣溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 OTC控制器參數(shù)補(bǔ)償運(yùn)算

此外，燃?xì)廨啓C(jī)工況變更也會(huì)影響監(jiān)視、保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，如設(shè)備啟動(dòng)之初，燃料供應(yīng)系統(tǒng)會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間的快速變化調(diào)整，此時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)更容易導(dǎo)致頻繁報(bào)警、跳閘等問題，燃機(jī)轉(zhuǎn)速、大氣環(huán)境露點(diǎn)溫度等，同樣會(huì)影響透平膨脹比，因此在排氣溫度采集過程中，還需要引入OTC補(bǔ)償機(jī)制，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)中，共配備了24個(gè)雙支熱電偶元件，系統(tǒng)測(cè)得平均溫度后，對(duì)數(shù)值開展修正補(bǔ)償，補(bǔ)償過程如下：

其中，Z0,S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7均代表中間變量，Z代表燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，T代表排氣機(jī)入口溫度，T0則表示環(huán)境露點(diǎn)溫度，最終計(jì)算得出的TC即為補(bǔ)償值，將其與平均溫度值相加，即可得到修正后的溫度值。

2.4 IGV控制器溫度監(jiān)視及控制運(yùn)行

為確保燃?xì)廨啓C(jī)溫控系統(tǒng)適用性、高效性，SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)除了配備OTC控制器外，還增加了IGV控制器，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的空氣質(zhì)量流量來控制燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度。當(dāng)燃機(jī)運(yùn)行在部分負(fù)荷階段，IGV溫度控制器將控制空氣質(zhì)量流量隨著燃料量成比例變化，將燃機(jī)排氣溫度控制在有效設(shè)定值。同時(shí)，壓比控制器和冷風(fēng)限制控制一定情況下也會(huì)作用于IGV溫度控制器，環(huán)境影響因素，如大氣壓力，大氣溫度對(duì)其控制進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正，從而確保排氣溫度對(duì)當(dāng)前燃機(jī)的適用性及安全性。進(jìn)氣壓力的影響：（1+（PVI-1,01|3bar）×PPVO01）；進(jìn)氣溫度的影響：（1-（TV-15K）×TTVO01-（TV-15K）2×TTVO03）。

2.5 熱電偶元件故障監(jiān)視功能

在SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)中，以環(huán)形結(jié)構(gòu)布設(shè)了24個(gè)燃燒器，配備多個(gè)熱電偶監(jiān)測(cè)元件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)控，采集燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度。排氣溫度數(shù)據(jù)采集完畢后，直接按照既定算法進(jìn)行統(tǒng)籌運(yùn)算，得到的單個(gè)參數(shù)可以用于判斷溫度上限是否達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)異常后可以自動(dòng)發(fā)出報(bào)警、跳機(jī)等指令，正常數(shù)據(jù)傳遞給下一環(huán)節(jié)，用于進(jìn)一步分析計(jì)算。在排氣溫度計(jì)算回路中，熱電偶元件采集的數(shù)據(jù)篩選出質(zhì)量不佳數(shù)值后，對(duì)余下數(shù)值展開平均值運(yùn)算，所有計(jì)算結(jié)果同步、記錄在系統(tǒng)中，可以生成事件提醒、報(bào)警信號(hào)等，為后續(xù)的狀態(tài)監(jiān)視、閉環(huán)控制、保護(hù)控制以及后期分析評(píng)估提供可靠依據(jù)。

作為燃機(jī)重要運(yùn)行數(shù)據(jù)，熱電偶元件的狀態(tài)至關(guān)重要，會(huì)直接影響控制的精確性、可靠性，因此燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度計(jì)算過程中，需要配備元件檢測(cè)邏輯，通過控制器卡件獲取相關(guān)驗(yàn)證信息，通過邏輯運(yùn)算對(duì)變化幅度、變化率的波動(dòng)進(jìn)行分析判斷，不同故障情況對(duì)應(yīng)差異化模擬值。

控制保護(hù)項(xiàng)目主要包含以下三種，一是燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度高保護(hù)，量程為0～700℃，汽輪機(jī)的熱負(fù)荷和熱應(yīng)力與燃料總量緊密相關(guān)，為防止燃?xì)廨啓C(jī)過燒而給熱部件帶來風(fēng)險(xiǎn)，排氣溫度選取6個(gè)具有代表性的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)配置，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度離散值低的情況下，當(dāng)6個(gè)測(cè)量值中超過3個(gè)超過限制值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警或者燃?xì)廨啓C(jī)跳閘事件。

二是冷點(diǎn)保護(hù)，通過監(jiān)測(cè)透平出口溫度分布的對(duì)稱性來檢測(cè)燃燒器熄火現(xiàn)象。其數(shù)量決定了燃燒器熄火的數(shù)量。為此，將每支熱電偶B和C與24個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值作比較，連續(xù)比較過程中，若發(fā)現(xiàn)相鄰2個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)均低于定值，則發(fā)生警報(bào)。若相鄰3支測(cè)量值低于定值，則燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)。如果有連續(xù)4支電偶低于定值，燃機(jī)觸發(fā)跳閘保護(hù)。

三是熱點(diǎn)保護(hù)，熱點(diǎn)的識(shí)別是通過檢測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)出口溫度分布來實(shí)現(xiàn)的。燃機(jī)運(yùn)行過程中，每支熱電偶的B和C通道測(cè)量值與燃機(jī)出口溫度平均值比較，當(dāng)結(jié)果超過限值后，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警或者保護(hù)跳閘。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，并且各個(gè)運(yùn)行階段存在較大差異，因此燃機(jī)排氣溫度場(chǎng)的分布非常不規(guī)則，各限制值針對(duì)性加入動(dòng)態(tài)愛偏差。

3 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度監(jiān)視與保護(hù)功能運(yùn)行案例

為直觀說明燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度監(jiān)視保護(hù)功能運(yùn)用方法，提升數(shù)據(jù)分析和故障響應(yīng)能力，引入某電廠運(yùn)行案例輔助論述，該廠裝配三臺(tái)SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)，從2020年6月開始，三臺(tái)設(shè)備相繼出現(xiàn)排氣溫度異常問題，冷熱點(diǎn)均超出了設(shè)定限值參數(shù)，最高達(dá)到了54℃，控制系統(tǒng)頻繁報(bào)警，機(jī)組因?yàn)槔錈狳c(diǎn)引起燃燒不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷事件。咨詢廠商技術(shù)人員之后，將跳機(jī)值升至70℃，并對(duì)24個(gè)熱電偶元件參數(shù)進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷達(dá)到120MW時(shí)，這種偏差可以達(dá)到56℃，遠(yuǎn)超出偏差保護(hù)上限。

3.1 故障定位及分析

對(duì)該問題進(jìn)行深度排查分析，發(fā)現(xiàn)無論是啟停階段，還是正常負(fù)荷階段，目標(biāo)燃?xì)鈾C(jī)均存在冷熱點(diǎn)偏差分布問題，難以通過參數(shù)調(diào)整來排除，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后初步考慮燃燒器堵塞的可能，基于此對(duì)3號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)開展內(nèi)窺鏡檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)混燃燒器硬件損傷較為明顯，多處可見結(jié)垢、結(jié)焦，伴隨輕微銹蝕，在燃燒器壓縮空氣流量測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)值班燃燒器整體狀況較好，但預(yù)混燃燒器偏差過大，多個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了偏差超限問題，對(duì)流量測(cè)試值進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)平均值為1.878cm2，最小值為1.431cm2，相比較之下，新燃燒器流量測(cè)定值大約為2.3cm2，整體差異較大。在此基礎(chǔ)上對(duì)一、二號(hào)機(jī)展開同樣的檢查、測(cè)試工作，均發(fā)現(xiàn)了結(jié)垢情況，據(jù)此確認(rèn)燃燒器堵塞是冷熱點(diǎn)不均的重要誘因。

3.2 故障成因探究

對(duì)結(jié)垢成因進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備為連續(xù)運(yùn)行、部分則為調(diào)峰運(yùn)行方式，因此不能簡(jiǎn)單將之歸結(jié)為長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，且SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)中，裝配了精細(xì)濾網(wǎng)構(gòu)件，設(shè)備中的精過濾器、ESV閥狀態(tài)也并無異常，據(jù)此推斷，堵塞物質(zhì)并非外力帶入，而是內(nèi)部自發(fā)燃燒產(chǎn)生。對(duì)堵塞物進(jìn)行取樣化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中硫化鐵占比較高，已有的氣源報(bào)告中，顯示硫化氫含量在10ppm以下，且總硫在20ppm以下，基本符合設(shè)備燃料要求。對(duì)預(yù)混燃燒器噴口進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其噴口部分中，采用了鎳基高溫合金，其中鉻、鎳的含量明確，分別為17.09%和75.04%，對(duì)環(huán)形腔室內(nèi)部檢測(cè)后，定位為碳鋼，而結(jié)垢物檢測(cè)中多數(shù)成分為氧化皮，據(jù)此可以推斷，是腔室材質(zhì)與燃燒模式不適配，加劇了燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部腐蝕進(jìn)程，進(jìn)一步導(dǎo)致了堵塞問題的發(fā)生。至于氧化皮脫落的具體原因，可以歸結(jié)為以下三點(diǎn)。

一是組件材質(zhì)配備不當(dāng)?？赡茉诟邷貐^(qū)域以外的部分，配備了抗氧化性能較差的材料；二是機(jī)組養(yǎng)護(hù)不當(dāng)。調(diào)峰運(yùn)行環(huán)節(jié)部分機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，控制閥內(nèi)部殘留天然氣未排泄干凈，溫度下降后凝結(jié)生成水分子，并誘發(fā)銹蝕問題。三是天然氣成分影響。氣源中殘留有微量硫元素，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)，設(shè)備進(jìn)入高溫狀態(tài)，與硫元素配合加劇裝置腐蝕。

3.3 故障處理及成果驗(yàn)收

確定故障類型、成因之后，采用超聲波清洗方式，對(duì)三臺(tái)SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)展開系統(tǒng)化的故障處理和清潔，先啟動(dòng)加熱爐開關(guān)，預(yù)熱至430℃左右停止，待其自然冷卻到室溫后，用壓縮空氣簡(jiǎn)單吹掃，隨后開展檸檬酸池超聲波清洗，按照規(guī)定流程執(zhí)行清潔操作，完成后依次開展水洗、鈍化處理和干燥工序，最后再次進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，并手動(dòng)清理剩余的殘留附著物，流量測(cè)試合格方可驗(yàn)收。為防止后續(xù)運(yùn)行過程中，再次出現(xiàn)類似的堵塞問題，制定了系統(tǒng)的保養(yǎng)、改善措施，錯(cuò)峰運(yùn)行環(huán)節(jié)，要求對(duì)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)的設(shè)備進(jìn)行干燥養(yǎng)護(hù)，確保進(jìn)口空氣濕度始終處于較低水準(zhǔn)，設(shè)備停機(jī)后，采用氮?dú)庵脫Q技術(shù)，對(duì)預(yù)混管道、值班管道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，排出其中殘余的天然氣。對(duì)于ESV閥前天然氣管道，則要加強(qiáng)疏水管控，防止水分隨氣流涌入，同時(shí)強(qiáng)化對(duì)排煙溫度的監(jiān)視，出現(xiàn)冷熱點(diǎn)分布不均、差異擴(kuò)大等情況時(shí)，及時(shí)開展內(nèi)窺鏡探測(cè)及異物清理工作。

4 結(jié)論

綜上所述，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度監(jiān)視及保護(hù)功能適配度高、時(shí)效性強(qiáng)，能夠較好地適應(yīng)固定工況、變工況下的燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行和控制需求，為企業(yè)生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行提供助力。