西门子F级燃机热悬挂的分析与处理

陈开胜

（江苏镇江燃气热电有限公司，镇江 212028）

西门子F级燃机热悬挂的分析与处理

陈开胜

（江苏镇江燃气热电有限公司，镇江 212028）

热悬挂是燃气轮机在启动过程中比较常见的一种故障。产生该故障的主要原因是燃气轮机在启动升速过程中，排烟温度上升过快，导致与机组升速率不协调而造成压气机严重失速，即使再增加燃料量，也不能使机组正常升速。本文分析西门子SGT5-4000F（4+）型燃气轮机在启动过程中出现热悬挂的原因，并根据原因逐步进行排除，最终解决热悬挂问题。

燃气轮机 热悬挂 SGT5-4000F（4+） SFC IGV 排烟温度

1　机组概况

江苏某燃气热电公司安装了2套F级燃气—蒸汽联合循环机组，采用一拖一分轴布置。其中，燃气轮机采用的是西门子SGT5-4000F（4+）型燃机，燃机控制系统采用西门子成套提供的T3000系统。两套联合循环机组于2015年8月全部进入商业运行。由于带有供热，机组基本上处于连续运行，只在周末有调停机会。

本文介绍了两台机组经历一次非停后再次启动均出现热悬挂的现象。为了解决这一问题，联合各方力量分析、查找原因，多次修改逻辑参数，并启动验证，最终使机组启动成功。

2　热悬挂现象的产生

2015年11月某天，由于上游天然气管网压力波动下降，导致正在运行的两台联合循环机组全部跳闸，跳闸前的参数如表1所示。

表1　机组跳闸前参数

两套联合循环机组跳闸后，天然气管网压力恢复正常，应省调要求重新准备启动。在启动过程中，两台燃机均出现热悬挂现象：即燃机点火后，排烟温度异常升高，转速上升缓慢，最终排烟温度达到允许的最高值，并进入OTC模式（温控模式），此时值班火焰控制阀不再开启，转速不再上升，同时机组振动加大，最终导致启动失败。燃机出现热悬挂现象时，各参数及其曲线情况见图1。

图1　热悬挂时各参数曲线

3　产生热悬挂的原因分析及对其的处理

燃机产生热悬挂的最明显现象，就是燃机在启动过程中排烟温度异常升高，还没到达全速就提前进入OTC模式。分析该现象产生的原因，基本上有以下几种。

3.1启动装置（SFC系统）异常

燃气轮机的启动必须要在外部启动机的帮助下完成。启动装置驱动燃气轮机的转子从盘车转速升到点火转速，此时燃机透平所做的功还不能满足自信带动整个轴系转动，因此需要启动装置继续拖动转子升速，以促使燃机达到并超过自持转速。当燃机达到脱扣转速时，启动装置退出运行，此后转子在燃机透平多出的做功量的作用下升速到额定转速。

西门子SGT5-4000F（4+）型燃气轮机采用的是变频启动装置（SFC系统），额定功率是4000kW，可以将燃气轮机直接带到15S-1以上。在启动过程中，燃机转速达到3S-1时进行点火；转速达到35S-1时，SFC自动脱扣，退出运行；燃机由透平做功继续带动直至转速达到50S-1（额定转速）。

当启动装置出现异常时，燃机在达到脱扣转速前升速缓慢或停滞。此时，燃机控制系统会增加燃料量来满足升速率的要求。因此，燃烧温度和排烟温度会持续上涨，最后出现热悬挂现象。某西门子F级燃机电厂出现过一次，启动过程中SFC未到脱扣转速就提前退出运行，造成热悬挂。

本厂经过曲线查找发现，出现热悬挂的几次启动过程中，SFC都是满出力运行，直到启动失败后才退出。同时，进行交叉启动实验，即#1燃机用#2SFC系统启动，同样出现热悬挂现象。

为了检测SFC满出力运行的能力有无减少，执行利用SFC直接将燃机转子拖动到15S-1的实验。经过比较，从盘车转速上升到15S-1所用的时间和5月份调试时同样情况所用的时间基本上一致，都在1分50秒左右，前后相差不到5秒。

所以，启动装置异常这个原因基本排除。

3.2启动过程中燃烧温度偏高

启动过程中燃烧温度偏高，导致排烟温度升高，也是产生热悬挂的重要原因之一，应对措施如下。

3.2.1检查天然气成分是否发生大的变化

出现热悬挂时的天然气与最近一次正常启动时的天然气成分情况，见表2。

表2　天然气成分比较

经过比较发现，出现热悬挂时和上一次正常启动时的天然气成分及低位热值基本上差距不大。经过上海电气厂家确认，此变化不足以影响到机组的启动。

3.2.2检查值班燃料阀在同样开度下流过的天然气量是否变大

开启值班燃料阀，检查值班燃料阀的实际开度正常，排除此原因。

3.2.3适当减小启动过程中燃料阀的开度

燃机主控系统中，燃机启动时燃料控制系统的变化速率如图2所示。

图2　燃机

原逻辑转速在28.5S-1以内，燃料阀的控制速率为0.027，在28.5S-1～40S-1范围内，燃料阀的控制速率为0.078，大于40S-1后，燃料阀的控制速率为0.045。

本厂出现热悬挂的转速基本上在28S-1以内，西门子厂家给出此转速下的控制速率推荐值为0.02。随后，热控人员将此速率由0.027分两次改为0.023和0.02，并再次分别启动两次。但是，机组进入温控的时间只推迟了约1S-1左右，因此热悬挂问题依然没有解决。

3.3启动过程中压气机的空气量偏小

启动过程中压气机的空气量偏小，一方面使压比降低，从而降低燃烧室的压力，使透平的做功能力减小；另一方面，降低了冷却空气量，使排烟温度增大。经过曲线比较发现，两台燃机的压气机出口压力，在发生热悬挂时与以前正常启动时在各阶段的同转速下都偏小。下面将排除压气机空气流量偏小的原因。

3.3.1压气机进气滤网堵

压气机进气滤网在机组跳闸前的压差为0.316kPa。其中，粗滤压差0.081kPa，精滤压差0.14kPa，均在正常范围内。就地检查进气滤网，空间内无杂物，粗滤和精滤均无异常，排除此原因。

3.3.2压气机防喘放气阀未全开，燃机冷风阀未全开

就地检查四个防喘放气阀和冷风阀均在全开位，热控人员强制活动阀门均开关正常，反馈正常，排除此原因。

3.3.3压气机入口IGV角度检查

在燃机的启动过程中，IGV的角度一直保持在最小基准值。如果在这个阶段开度有偏差，将会影响燃机的进气量。为此，将燃机盘车停运，进入压气机进气小室，在IGV全关和全开时，测量IGV的实际角度，全关时4.5°，全开时57.5°，和调试期间的数据一样，排除此原因。

3.3.4压气机叶片清洁度检查

检查发现，压气机进口可转导叶有一层油污，这和电厂所在位置的空气环境有关。#1燃机上一次（11月18日）启动时有进行离线水洗，至跳机时共连续运行220小时。西门子说明书上规定，燃机连续运行350小时建议离线水洗一次。经过燃机厂家人员确认，此油污有影响，但还不足以引起燃机热悬挂。

3.3.5启动升速过程中的IGV角度偏小

压气机进口可调导叶（IGV）的作用是：

（1）在机组的启动、停机过程中，改变进气角度，防止压气机喘振。

（2）在机组的启动过程中，关小IGV，降低压气机耗功，有利于机组启动。

（3）在燃气轮机联合循环机组的运行中，通过调节进口可转导叶的开度，调节燃机轮机的排气温度，实现IGV温度控制，以满足联合循环变工况时余热锅炉的温度要求，从而提高联合循环机组变工况的经济性。

（4）在单轴联合循环机组的启动、停机过程中，通过调节进口可转导叶的开度，调节燃机轮机的排气温度，实现燃机排气温度与蒸汽轮机汽缸温度的匹配。

进口可转导叶调节排烟温度工作原理：当入口导叶打开时，通过燃烧机的空气量增加；当其关闭时，空气量减少。在燃料流量固定时，则导叶开启时，透平出口（排气）温度就下降，反之亦然。如果燃料和空气的流量同时增加或减少，就可以维持恒定的透平出口温度。因为在此情况下，燃料—空气比率可以保持为几乎恒定。

西门子SGT5-4000F（4+）型燃机，其IGV角度用百分数代表开度，启动曲线见图3所示，各阶段IGV角度则见表3。为了降低排烟温度，在得到燃机厂家允许的情况下，将启动到47.5S-1阶段IGV基准角度由原来的-8.57%调大到-5.57%。

表3　各阶段IGV角度

再次启动，从点火到50S-1排烟温度一直保持在400℃以下，热悬挂问题得以解决。

4　结语

通过对此次热悬挂故障的分析，笔者认为燃机厂家在调试IGV时所设定的基准角度偏小，导致压气机的运行工况离压气机的喘振边界裕度过小。由于当时是新机组，叶片很新，机组调试过程并没有发现问题。但是，机组运行一段时间后，压气机的叶片开始变脏，特别是前几级，因此减少了压气机的进气量，使压气机更接近于喘振边界，降低压气机的效率，从而导致热悬挂的产生。因此，我们要不断积累经验，准确判断故障原因，并指明方向，才能为机组的安全运行提供保障。

[1]清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司.燃气轮机与燃气—蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]江苏国信协联燃气热电有限公司.SCC5-4000F（4+）燃气—蒸汽联合循环发电机组[S].集控运行规程，2015.

[3]上海电气集团股份有限公司燃机部.SGT5-4000F燃气轮机运行维护手册[S].2015.

Siemens F-class Gas Turbine Thermal Analysis and Processing Suspension

CHEN Kaisheng
(Jiangsu Zhenjiang Gas Cogeneration Co., Ltd., Zhenjiang 212028)

The gas turbine hot suspension is more important during the startup process a failure, mainly due to the gas turbine start raising speed process, the exhaust gas temperature rise is too fast, with the unit liter rate disharmony caused severe compressor stall, even if an additional amount of fuel, nor can the unit normal increases the speed. This paper analyzes the reasons for Siemens SGT5-4000F (4+) Gas Turbine appear during the startup process heat hanging, and gradually excluded according to reason, and finally to heat the suspension issue is resolved.

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