燃气轮机负荷震荡原因分析及措施

芦利生

【摘 要】通过查询相关程序得到了燃气轮机负荷控制切到速度控制条件所需的两个条件，分析了负荷震荡的原因，给出了天然气值班气阀开度过小的解决措施，措施实施后解决了负荷、NOx排放、值班气阀开度、热值四者之间最佳配比问题。确保了燃气轮机安全、环保、可靠运行。

【关键词】燃气轮机；负荷震荡；值班气阀；预混燃烧

0 前言

某厂装设有两套德国西门子E级V94.2型燃气轮机，单套容量220MW，其中燃气轮机容量140MW，汽轮机容量80MW。燃气轮机操作系统是西门子SPPA—T3000系统。该厂燃气轮机以天然气为燃料，一部分是国外进口的卡塔尔LNG气源，甲烷含量约90%，热值约37MJ/m3；另一部分是海南东方1-1和乐东气源，甲烷含量约70%，热值约28MJ/m3。2014年已经完成两套机组的低氮改造项目，改造后正常运行时燃烧方式改为预混燃烧，启、停机和低负荷时仍是扩散燃烧。由于气源热值变化幅度大，所以对燃烧系统要求比较高。

1 事例情况

2017年7月12日和13日分别对两套燃气轮机组的发电机进行了PSS参数整定试验，7月11日按中调要求要求退出了PSS功能模块，8月19日按整定后的参数重新投入PSS功能模块。在此期間，7月18日至27日10天时间内GT11机组负荷在50MW左右时出现了四次负荷震荡情况，最严重的一次震荡期间负荷最大值89MW，最小值3MW（如图1），并且控制方式由负荷控制切到速度控制。该厂燃气轮机组正常运行时，由负荷控制切到速度控制条件只需满足两个条件：一是瞬间负荷波动大于15MW；二是机组实际负荷小于15MW。

2 原因查找过程

2.1 受外部电网因素影响

GT11机组出现四次负荷震荡情况，正好在PSS功能模块退出期间，只要电网有微小的扰动，由于缺少电力系统稳定装置，很可能造成负荷波动大。为此，查询了负荷震荡前发电机的状态参数频率、定子电流、定子电压、励磁电流，检查发现这些参数并无异常。若是由于电网因素影响，应该GT11和GT12两台机组都会出现负荷震荡才对，但实际只有GT11机组才有这种现象；若是电网因素影响，负荷震荡会出现任何负荷点上，而不是四次都在50MW左右出现。所有可以断定不是受外部电网因素的影响，应该GT11机组本身的问题。

若是燃气轮机本身问题，就应该从燃气轮机的压气机、透平、燃烧室三大部件进行分析。

2.2 压气机问题

压气机是燃气轮机产生压缩空气的重要部件，而压缩空气是在燃气轮机的热力过程中占主要工质流量，的若压气机出现故障，会直接影响工质流量，进而造成燃烧和透平做功的变化，使负荷产生波动。所以有必要对负荷震荡前压气机的状态参数IGV导叶开度、进气压差、压气机出口压力和温度进行对比分析，通过详细分析发现负荷震荡前压气机各状态参数均无异常，可以断定负荷震荡不是压气机问题。

2.3 透平问题

透平是燃气轮机做功部件，且处于高温高压的环境中，需要有冷却空气对透平叶片进行冷却，所以工质流动比较复杂，如果透平出现问题，就会直接影响机组负荷，造成负荷波动。透平的工作情况主要通过六个透平出口温度测点来判断，通过查参数曲线发现，负荷震荡前各温度测点均正常，负荷震荡的过程中又随着负荷的走势而变化，负荷震荡后各温度测点也均正常，说明负荷波是真实的，是由于工质变化造成的，而不是透平本身的问题，很有可能是进入透平前的工质变化造成的。

2.4 燃烧室问题

燃烧室是天然气与压气机出口的压缩空气发生燃烧反应部件，天然气与压缩空气流量都可能影响燃烧，压气机各参数已经分析了没有问题，说明不是压缩空气的问题，重点需要关注天然气问题，所以就涉及到天然气控制阀、值班气阀开度和天然气热值，此外也要留意燃烧室压差，用来判断是否燃烧室几何形状发生了变化。通过查询数据曲线（如表1）发现以下问题：

1）只有在纯海气的工况中才会出现此故障。但不是所有纯海气工况都会出现此故障，其中7月18日和21日也是纯海气，但与其不同的是值班气阀开度在43%以上。

2）纯LNG和混气工况均正常。

3）值班气流量越低，负荷震荡程度越严重。7月23日值班气流量只有0.27kg/s，负荷震荡过程中最低到3MW。

4）其中7月26日停机过程中出现两次负荷震荡情况。第一次负荷震荡后值班气阀先开大，负荷稳定后又关小到37%，造成第二次负荷震荡，之后值班气阀全开，直到切至扩散燃烧后才稳定下来。

3 解决问题过程

3.1 理论分析

GT11在50MW负荷时，正是值班气阀打开的过程，这是由于低负荷时预混燃烧不稳定，需要通入一定量的值班气来加强燃烧的稳定性，若值班气流量过少，就会影响到稳定燃烧，进而造成燃气轮机负荷震荡，严重时最低负荷震荡至15MW以下后就会切到速度控制，极端情况下甚至会发生熄火和爆燃现象，造成燃烧室及喷嘴部件损坏。

3.2 解决措施

1）调整值班气阀开度控制逻辑，保证在纯海气工况下有足够量的值班气。

2）未调整控制逻辑之前，GT11在纯海气工况下运行时负荷不能低于60MW。

3）未调整控制逻辑之前，燃气轮机停机减负荷过程中，可以在58MW时手动切至扩散燃烧，防止发生负荷震荡情况。

3.3 实施措施及效果

7月29日至8月3日对GT11值班气阀开度进行了反复对比调整，使负荷、NOx排放、值班气阀开度、热值四者之间调整到最佳配比状态。表2是调整后GT11机组50MW下最佳配比参数。

7月29日至9月18日期间GT11均未发生负荷震荡情况，GT11负荷震荡问题得到圆满解决。

4 结语

通过对燃气轮机负荷震荡情况进行了层层分析和排除，最终找了是由于天然气值班气阀开度过小，预混燃烧不稳定性造成的。若同类型机组负荷在50MW左右时，出现较大震荡和波动，很有可能是由于燃烧室燃烧时值班气阀开度过小的原因。

【参考文献】

[1]焦树健.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，2007：109-112.endprint