影响燃气轮机运行和启动的几个因素

2010-07-30邹志鸿

综合智慧能源 2010年3期

邹志鸿

(望亭发电厂,江苏苏州 215000)

0 引言

目前,燃气轮机机组在我国电力企业所占比重正在逐步提升,而引进机组的容量也在相应增大。燃气轮机机组与火电燃煤机组相比具有无可比拟的调峰优势,在基本负荷工况下,稳定运行的燃气轮机效率最高,但由于受天然气供给不足以及电网负荷的影响,机组启、停频繁,可利用小时较少。

望亭发电厂 2台 S109FA重型燃气轮机是引进美国 GE公司的产品,于 2005年年底投产,从燃气轮机发电的经济性出发,往往采用一台机组连续运行,另一台机组早启晚停的方式运行,以满足电网需求。2台机组在 2年多的时间内启动都达到了数百次,经过不断摸索,对燃气轮机在不同季节的运行特性和启停规律有了一定的了解。希望通过对影响启动成、败因素的总结,找到影响燃气轮机启动及运行的主要原因和解决方案,以不断完善机组运行,从而在更安全的前提下充分挖掘机组的经济潜力,延长机组使用寿命,更好地为电网服务。

1 影响燃气轮机运行和启动的几个因素

1.1 设备的检查和消缺

1.1.1 对燃烧器和压气机的检查

GE的燃烧器和压气机叶片的工作时间都有严格的规定,在一定的周期内要进行检查和更换,即使发电任务比较紧,也必须将机组停下来进行以上工作以保证设备的安全。压气机 R0级叶片长期工作在真空、高速、大流量的环境中,叶片容易受到空气中夹带的杂质和水分的侵蚀,长此以往,叶片的进气边会产生腐蚀并发展为裂纹。为此,GE公司将传统的标准型 R0级叶片替换为叶根处带有 P形切口的叶片,以提高叶片对这种恶劣环境的适应性。根据最近几年P-CUT叶片的使用情况来看,在 P形切口的位置产生高应力并发展成裂纹,这种情况已经在多个电厂被发现。GE公司也承认这项技术改进是失败的,因此,需要对 P-CUT的 R0级叶片进行更换,但由于标准型的 R0级叶片需求量大、生产运输周期长,因此,在叶片更换以前,需定期安排停机时间并联系 GE公司对叶片做超声波探伤检查。超声波探伤检查周期见表 1。

表1 压气机 P-CUT型 R0级叶片超声波探伤检查周期

对于调峰机组而言,由于低负荷及点火时间的增多,燃烧器工作条件恶化,折算寿命缩短,对应的更换周期也就缩短了,理想检修周期见表 2。由于以上原因,在停机以后,要相应地增加对燃烧器和热通道部分的孔探工作。

表2 S109FA燃气轮机检修周期

燃烧器在运行中出现排气温度异常或排气分散度异常情况时,应加强检查分析。若出现异常情况,在排除排气热电偶故障的因素后,就应检查燃烧器是否受损。望亭发电厂就曾出现过上述情况,因分析及时并安排机组停机消除缺陷,更换了少数火焰筒后,机组马上恢复了正常。

燃烧器和压气机叶片成了制约机组运行、启动的重要原因。对上述工作的检查需在轴系静止的状态下进行(即停运盘车),对于 S109FA机组来说,燃气轮机与汽轮机共轴,停用盘车时汽轮机和燃气轮机要同时满足盘车停用条件,但由于汽轮机冷却时间较长(需 5 d时间),导致叶片检查需要更多时间,因此,机组的可利用率下降。尤其是这些主体设备的检查、检修和更换要由厂家和 GE协调后才能安排进行,所以制订检查、更换计划很重要,否则,机组将不可避免地处于停用状态。

1.1.2 天然气供应及调节系统消缺

以天然气为燃料的机组,不可避免地存在天然气输送途中的泄漏和其他影响,而燃气轮机对天然气入口品质、参数的要求很高,因此,稳定的天然气供应及调节系统也成为燃气轮机运行、启动能否正常的关键。

在天然气管线上设置了调压装置,和大多数电厂一样,调压装置往往布置在室外,管线调压装置在冬季的防冻就显得尤为重要。冬季燃气轮机启动时,由于天然气压力波动引起的机组启动失败,其大都是由于防冻措施不到位、调压装置工作失常造成的。在分析原因之后,对调压装置加装了伴热设施,在极端恶劣天气条件下,管线调压装置对天然气参数的维持满足了燃机进口需求。

天然气不会发生大规模泄漏,但令人头痛的是燃料模块和燃气轮机舱内的泄漏。为了防止燃料在燃烧器内的积存,机组进入启动程序后,燃气轮机先执行泄漏试验,只有合格后才点火,避免产生爆燃。燃料模块内燃料的控制阀在多次启、停和燃烧调整之后,阀体的严密性不可避免地会有所下降,这样,在执行泄漏试验时,就无法正常通过机组中断启动程序,需更换阀门才能解决。这种泄漏发生在管道内,笔者将其称为内漏现象。

为保护燃气轮机主设备的安全,机组设有危险气体检测系统,一旦天然气往外泄漏并有积存,气体浓度升高就会发出报警信号,如果继续升高到跳闸值,控制程序会切断燃料停机。如果泄漏的天然气发生燃烧,CO2系统的温度感应装置会自动启动CO2喷射灭火功能。这种泄漏发生在管道之外,笔者将其称为外漏现象。外漏的部位通常在燃机仓和燃料模块居多,密封件、阀体填料和法兰垫片老化以及对密封件的预紧力不够都会造成外漏现象,但有时刚换过新密封件的部位也会出现泄漏,其原因主要是存在温差,因为天然气管道在停用和投运时温差很大,管道和阀体的膨胀也发生较大的变化,在目前的情况下,对温差引起的管道伸缩泄漏尚无良策,只能采用停机后对密封件重新紧固的方法以消除影响。为防止危险气体浓度高而中断启动程序,必要时增开 1台通风风机临时满足启动需要,但不能从根本上解决问题。

1.2 启动过程中的影响

1.2.1 振动

S109FA是单轴机组,轴系长,影响整个轴系振动的因素非常多,望亭发电厂 2台机组振动总体水平不错,但在启动和加负荷过程中,#3瓦振动较大并有突窜现象。通过研究 GE公司的 TIL技术通告并分析相关数据后得出结论:燃气轮机运行时,由于燃气轮机仓内的温度升高导致了燃气轮机前支撑腿的纵向延长,#1瓦中心线抬高,从而使与之相邻的#3瓦负载减轻,容易发生油膜涡动;半倍频振幅的增加导致了通频振动数据的整体抬高。临时采取了适当降低油温的措施,利用停机对火焰筒联焰管、天然气及抽气管道法兰泄漏进行了消缺,但成效甚微。在随后的工作中,对燃气轮机的前支撑腿增设了闭冷水冷却装置,解决了运行中#1瓦中心线抬高的问题,收到了很好的效果,振动已恢复正常。

1.2.2 燃烧方式切换

燃气轮机带上负荷并向上加负荷过程中,燃烧方式将由PPM(先导预混模式)向 PM(预混模式)方式切换,这一切换过程的机组负荷在 230MW左右。在燃烧方式切换过程中,清吹门 VA 13-1的正常动作很重要,若动作不正常将导致燃烧方式切换失败甚至跳机。随着机组启、停次数的增加,清吹门动作次数相应增加,该阀门气动执行机构的密封件会发生老化失效,阀门的弹簧预紧力也会发生变化。所以,在停机后应不定期对 VA13-1的气动执行机构和阀门紧力进行检查和校验,以测定开启和关闭时间是否符合要求。如果确定清吹门有问题而暂时无法处理,那么,能做的就是在加负荷时强制燃烧方式以避免切换失败带来的风险,这样会牺牲部分负荷,且对燃烧器运行极为不利。

1.2.3 启动中的控制和调节

燃气轮机启动速度很快,而蒸汽轮机需要有一定的暖机时间,汽轮机进汽时,进汽温度应与汽缸金属温度相匹配,同时注意控制汽缸热应力。随着燃气轮机排气温度的上升,汽轮机入口处的温度也在逐步上升,在一定的负荷工况内(由相应机组余热锅炉性能决定)减温水量会增加,要注意维持蒸汽过热度,汽温的过高或过低都会使机组保护动作,从而影响启动的进行。另外,余热锅炉高中压汽包水位受汽压影响比较大,所以,对旁路的动作情况一定要注意监视,以免水位保护动作。其他因素如加热器的失常等,也会影响燃气轮机启动。