基于V94.3A型燃气轮机加速度不稳定状况研究与分析

刘　杨

(华能河南中原燃气发电有限公司，河南驻马店463000)



基于V94.3A型燃气轮机加速度不稳定状况研究与分析

刘杨

(华能河南中原燃气发电有限公司，河南驻马店463000)

摘要：燃气轮机运行过程中，有时发现燃烧室燃烧加速度不稳定现象。针对V94.3A型燃气轮机，采用试验和总结方法，得出压气机IGV开度、燃烧室燃料和测点故障等因素是燃烧加速度不稳定状况产生原因。依据实际经验和理论研究，探索加速度增大以及误动作等典型故障处理方法。为同类型燃气-蒸汽联合循环机组运行、检修和研究提供借鉴。

关键词：燃气轮机；加速度；原因；故障分析

0引言

西门子V94.3A型燃气轮机由压气机、燃烧室和透平组成。其采用高燃烧效率的环形燃烧室，燃烧室周围均匀分布24个混合型燃烧器，可以有效保证燃烧室内均匀温度场。燃气轮机运行时，燃料和空气量以一定的比例在燃烧室内配合燃烧；加速度使用装设在燃烧室上的压电传感器探测，燃烧加速度稳定是机组安全稳定运行的基础。燃气轮机燃烧监测[1]直接影响机组运行，燃烧加速度间接反应燃烧室火焰稳定状况，其是机组运行时主要监测数据。燃烧室燃烧[2]火焰稳定，燃气轮机在各种工况合理燃烧是保证机组效率的基础。

1燃气轮机加速度

V94.3A型燃气轮机有扩散、预混和值班共3种燃料供应模式，燃烧加速度间接反映燃烧室火焰稳定性。机组启动点火至燃气轮机转速达到30 Hz过程中，为确保燃烧室内燃烧火焰稳定，燃料燃烧为扩散[3]模式；机组转速自30 Hz升至49.5 Hz过程中，实现由扩散燃烧向预混燃烧模式切换，采用扩散燃烧与预混燃烧同时进行，有效地保证燃烧稳定和提高燃烧效率；机组转速自49.5 Hz至并网过程，预混调门开启到设计值，值班调门开启，采用预混和值班两种燃料供应模式燃烧，提高燃烧稳定性。

燃气轮机加速度，通过对燃烧方式调整，保证燃烧稳定性。目前世界新型燃气轮机仅采用预混和值班两种模式，改进燃烧器结构等，进一步提高火焰燃烧稳定性。燃气轮机加速度由压电式加速度传感器[4]利用压电陶瓷或石英晶体压电效应，在加速度计受振，质量块加在压电元件上的力随之变化获取信号。燃烧加速度是衡量燃烧稳定性的一个重要标志，其与蜂鸣检测共同反映燃烧不稳定产生的脉动现象。

2加速度不稳定状况产生原因

燃气轮机燃烧室燃烧不稳定状况主要由燃料与空气配比不协调引起，国内燃气-蒸汽联合循环机组在运行时，绝大多数V94.3A型燃气轮机都存在燃烧加速度不稳定状况。燃烧加速度与压气机IGV(进口可调导叶)开度、环境条件、燃烧室燃料、压气机叶片脏污和测点故障等有关。

2.1　压气机IGV开度

V94.3A型燃气轮机压气机IGV开度范围-10%～108%，燃烧加速度不稳定状况主要发生在IGV开度50%～108%运行状态之间。在IGV全开时，燃烧室进入空气量相对恒定，与此同时燃气轮机自动进行燃烧优化，将燃料量与压缩空气量配比调整到最佳运行状况，控制燃烧效率[5]和稳定性。在IGV开度50%～108%运行状态升降负荷过程中，由于负荷波动，可能引起燃料量与压缩空气量配比不断变化调整。若配比调整迟缓，则引起燃烧室燃烧不稳定，造成加速度增加。压气机IGV角度范围42°，在其开度小于50%时IGV角度很小，进入空气量对燃烧的燃料量配比影响不大，燃烧加速度相对稳定。压气机IGV开度与燃烧加速度关系曲线如图1所示。

图1　IGV开度与燃烧加速度关系曲线

2.2　环境条件

燃气轮机运行过程中，外界环境变化会改变压气机进气流量，会对燃烧加速度稳定性造成影响。若环境温度增加，空气体积增加，在压气机内可压缩能力下降，造成单位时间通过压气机的空气量减少，压气机效率降低，燃烧加速度稳定性变差，如图2所示；若环境湿度大，造成空气密度增加，在压气机进气滤网部分造成压差增加，空气流量降低，燃烧加速度稳定性较差，如图3所示；若大气压力降低，压气机入口压力降低，造成压气机出口压力下降，压气机效率降低，进入燃烧室空气量减少，燃烧状况不稳定，如图4所示。特别在大风沙尘、雨雾天气，燃烧室燃烧稳定性较差。

图2　环境温度与加速度关系曲线

图3　环境湿度与加速度关系曲线

图4　环境压力与加速度关系曲线

2.3　燃烧室燃料

V94.3A型燃气轮机配套天然气调压站安装了一套天然气色谱分析仪，主要对上游天然气成分进行化学分析。机组运行过程中，燃料成分变化引起其与空气的配比改变，在燃烧室内造成燃烧加速度不稳定。

燃气轮机由部分负荷向OTC状态负荷转变时，经常发生燃烧不稳定现象。在此过程IGV全开，压缩空气流量基本保持恒定。燃气轮机出口温度变化，主要依靠改变天然气预混和值班流量阀门开度，进行燃烧状况优化调整。阀门开度调整过程中，燃料量改变造成燃烧加速度增加，如果负荷设定不合理，造成燃气轮机长时间在IGV全开状态与OTC负荷状态之间频繁切换，导致加速度持续增加。燃烧加速度是一个累积脉冲量，当燃烧加速度累计值达到报警值并且持续一段时间时，燃气轮机加速度保护会动作。值班燃烧阀门运行时波动或其开度偏离优化设定值，燃烧室燃料量改变，燃烧配比不合理，导致燃烧加速度不稳定。

2.4　压气机叶片脏污

燃气轮机长期运行，其压气机叶片造成不同程度脏污。对机组来说，压气机水洗是保证其效率[6]的最重要方式。压气机水洗分为离线水洗和在线水洗两种方式；离线水洗采用水洗液进行水洗，需机组停运不少于8 h并且环境温度大于8 ℃时方可进行。机组长期连续运行，其出力明显下降时需在线水洗；压气机在线水洗时，机组负荷降至80%～95%额定负荷，并且采用清水进行冲洗。如果压气机叶片较脏，在线水洗只能清除其上浮灰，不能彻底清除叶片上结垢物。燃气轮机压气机叶片脏污，造成压气机通流面积减少，进入燃烧室空气量减少，引起燃烧室燃烧加速度不稳定现象。

2.5　测点故障

燃气轮机运行，燃烧稳定性依靠加速度和蜂鸣反应燃烧状况。透平入口温度较高，燃气轮机排气温度间接反应燃烧室排气温度。加速度用压电传感器探测，排气温度用热电偶测量。机组运行过程中，燃气轮机测点安装、控制器或测量通道等故障，导致加速度反馈值存在误差，燃烧调整[7]不稳定造成加速度失常。按照机组设备检修计划，定期对燃气轮机测点进行状态检修，保证设备安全稳定运行。

3加速度典型故障分析

3.1　燃烧加速度增大引起跳机事故

某电站机组发生一起燃烧加速度增大引起的跳机事故，机组带负荷386 MW，燃气轮机压气机IGV全开，未进入OTC负荷状态。在此阶段，负荷控制与OTC控制频繁切换，燃料阀频繁调整造成燃烧室加速度增加。运行人员缺少经验，未及时进行手动调整，造成燃烧加速度大于MAX4动作(根据加速度的持续增大，燃烧加速度共有4种报警，加速度ACC大于MAX4=1.5 g，MAX1=2.5 g，MAX2=3.0 g，MAX1=8.0 g，其中MAX1/2/4报警会造成机组不同程度甩负荷，MAX3报警会直接造成机组跳闸，采用2取1跳机保护)，燃机自动甩负荷至378 MW，联合循环负荷调整逻辑自动退出，甩负荷后加速度仍偏大，运行人员没有引起重视，重新投入联合循环负荷调整逻辑，自动升负荷，升负荷过程中，加速度ACC大于MAX3保护动作，机组跳闸。

此次事故发生，主要是运行人员对燃烧加速度机理熟悉程度不够。在机组已经发生加速度动作，造成机组部分甩负荷时，可采取两种方法：其一是不干预，观察加速度曲线及后续发展趋势，待趋于稳定后(至少应超过30 min)方可重新升负荷；其二是检查压气机部分及天然气供应阀门开度运行曲线，与以往同负荷正常情况比对，判断反馈信号是真实值或是误差值，依据实际情况进行轻微干预。日常工作中，运行人员要多收集学习各工况下相关参数，处理事故时对正常状况参数有清晰概念，出现异常时能及时正确判断，避开加速度不稳定区域，减少加速度保护动作[8]甩负荷跳级概率。

3.2　燃烧室排气温度测点安装故障

某电站机组自投运以来，燃烧加速度不稳定状况一直没有完全解决。燃气轮机经燃烧优化调整后，部分负荷区间加速度仍然较大。根据此情况，在机组小修期间，采取在现场进行燃烧室流量测试。通过科学测试，燃烧室24个喷嘴燃料流量均在允许范围内，但试验过程中发现，燃气轮机透平出口24个排气温度测点电缆不具备温度补偿功能，燃气轮机排气温度在控制盘上显示值较实际值大约低30 ℃。燃气轮机正常运行期间，燃烧室在OTC负荷实际温度偏高情况下工作，不仅会引起燃气轮机透平首级叶片或耐火陶瓷瓦烧坏，而且会造成燃料与空气的配比[9]发生变换，造成燃烧加速度稳定性较差，影响机组安全。

依据测试情况，采取对燃气轮机24个排气温度测点电缆进行更换措施，采用具备补偿功能电缆。机组启动后，将OTC负荷温度下调至同类型机组的同温度下，燃烧加速度稳定性得到控制，升降负荷过程中加速度稳定状况表现良好，机组的安全稳定运行状况恢复正常。

3.3　加速度误动作造成保护跳闸事故

某厂机组负荷385 MW，其中燃气轮机负荷268 MW，运行人员发现DCS突发“NG CONTROLLER SYSTEM NG TRIP”、“ACC MON ﹥MAX3”报警信号，燃气轮机天然气进气ESV阀关闭，燃气轮机和汽轮机跳闸，机组发电机解列。事故发生后，立即对燃气轮机天然气系统及控制回路进行详细检查。根据WINTS历史曲线显示，加速度通道1测点瞬时值增大至8.9 g，加速度通道2测点0.9 g。对加速度通道1接线回路进行检查，接线无松动，屏蔽良好。经过测试，信号转换前置器、信号接收卡均工作正常。

此后，采取对加速度测量探头进行检查措施。加速度探头安装于燃烧室外壁，需打开燃气轮机本体入孔门进入燃烧室[10]内部检查更换，但西门子LTP协议规定不允许擅自打开燃气轮机本体入孔。经分析采取将加速度两个测量通道在探头信号输出端进行互换措施，机组启动后发现加速度通道2信号存在波动情况，加速度通道1测量值正常。燃气轮机燃烧稳定性主要监测手段是加速度和蜂鸣，机组跳闸前蜂鸣值平稳，且加速度2测量值也没有增大，机组其他运行参数均正常，据此判断加速度测量探头1存在问题。燃气轮机加速度保护设置二取其一保护，加速度通道2测量准确，采取强制探头测量值1措施，若出现燃烧不稳定情况，保护仍可正确动作，达到保护设备目的。

4结论

燃气轮机燃烧加速度不稳定与压气机IGV开度、环境条件、燃烧室燃料、压气机叶片脏污以及测点故障等因素密切相关。依据实际状况，可通过对比历史数据、强制可控测点、检查测量通道和机组负荷调整等手段处理燃气轮机加速度故障。机组运行时，加强监视加速度变化曲线，避免因燃烧不稳定引起机组非停或燃烧器损坏。

燃气轮机加速度间接反映燃烧室火焰燃烧状况，可通过改善燃烧器结构、提高燃料品质、优化燃烧控制系统以及研发加速度传感器等方法稳定燃烧火焰。可提高技术人员对燃气轮机加速度的理解程度，确保燃气轮机安全、经济和稳定运行。

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Research and Analysis of the Acceleration Instability of Gas Turbine Based on V94.3A

Liu Yang(Huaneng Henan Zhongyuan Gas Power Generation Co., Ltd., Zhumadian 463000,China)

Abstract：In the process of gas turbine operation, sometimes the phenomenon of unstable acceleration in chamber combustion could be found. Taking V94.3A gas turbines for instance and by testing as well as scientific approach, it is concluded that the opening of the compressor IGV, fuel of the combustion chamber and measuring point fault factor and so on are the reasons of unstable combustion acceleration. According to practical experience and theoretical research, the method for treating the typical failure such as increasing acceleration and malfunction is explored in this paper. The method provides a reference to the operation, maintenance and research of the same type of gas-steam combined cycle unit.

Keywords：gas turbine; acceleration; reason; failure analysis

作者简介：刘杨(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为燃气-蒸汽联合循环发电技术与经济分析,E-mail: 1214064378@qq.com。

收稿日期：2015-10-12。

中图分类号:TM731

文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.010