M251S型燃气轮机出力不足故障分析及处理

张雪静（天津天铁冶金集团有限公司动力厂，河北涉县056404）

0 引言

2017年，天铁CCPP项目建设完成后，淘汰了部分老旧、效率低下的混烧锅炉，极大地提高了煤气利用效率，进一步挖掘天铁的生产潜力，创造了更大的经济效益，总体优化了全厂能源结构。燃气轮机工艺系统的特点，决定了燃气轮机主要部件始终运行在高转速、高温、高压的环境中。为了保证各部件能够安全稳定运行，要求燃机的控制系统能够及时切换到相应的控制模式并介入控制，保证处于最恶劣工况下的部件也能够在安全边界内运行。因此，一旦测量仪表出现误差，将导致控制模式选择出现偏差，致使燃机出力无法达到额定值，影响整体联合循环热效率，甚至造成燃气轮机部件损坏。

1 燃机控制模式的选择

燃机控制模式选择基于最小值选择（见图1）确定由那种方式对机组进行控制，并输出控制信号（CSO）。最小门选择控制信号输出，通过调节燃料流量控制阀，防止过度燃烧。同时控制型号输出也会限制到一个对于无负荷燃烧运行时必须的最小值，因为这样控制，燃烧室火焰不会由于负荷瞬间变化而发生熄火现象。在升速过程中，低限制功能是被抑制的，因为从较低转速升速过程中需要增加额定转速对应的最低燃料流量。

1.1 燃料限制控制（FLCSO）

燃料限制控制模式通过燃烧室外壳压力和在加速限制内的透平转速所构成的函数，来计算启动控制指令信号，并通过流量调节阀A、B来调节进入燃烧室的燃料流量，从而控制燃机升速速率。

1.2 转速控制模式（GVCSO）

转速控制用于并网时，并在并网后，当转速下降时，调节发电机输出控制。在额定转速和空载情况下，转速基准可以通过控制来自自动同步系统（ASS）或来自操作员站（OPS）的手动指令的信号进行改变。当在负荷条件下选择GOVERNOR时，转速控制将调节透平转速。

图1 燃机控信号最小值选择

1.3 负荷控制模式（LDCSO）

负荷信号控制输出是比例和积分控制计算的结果，其输入信号为实际燃机发电机输出的和负荷基准值之间的差值。此外，当选择速度控制模式时，负荷控制型号输出LDCSO跟踪燃料CSO的总和并加上一点偏差，以实现偏差控制下的负荷限定。

1.4 温度控制模式（BPCSO/EXCSO）

温度控制的目的是为了防止在透平入口的温度过高，损伤燃机透平热部件。热电偶测量叶片通道温度（BPT），叶片通道温度是紧贴透平末级叶片后的排气温度，M251S型安装有8支热电偶。并在排气段安装有4支热电偶测量排气温度（EXT）。排气温度基准是通过燃烧室外壳压力函数来确定的，通过排气温度基准加上一点偏差来确定叶片通道温度基准点；排气温度基准点与是实际排气温度平均值比较，叶片通道温度基准点与实际叶片通道温度平均值比较。当这些信号的偏差为正值是，比例积分控制器输出信号（BPCSO和EXCSO）通过跟踪燃料CSO的总和加上一点偏差量，来阻止过度积分或积分终止。当偏差为负值时，比例积分控制器输出信号将减少燃烧CSO，直到出现正偏差。

1.5 煤压机防喘振控制（DCSO）

当煤压机出口压力过度上升时，DCSO控制信号将接管燃机的控制，煤气旁通控制阀（C）和煤压机可变导叶动作，以避免煤压机发生喘振现象。

2 故障现象

2017年8月，燃气轮机出现负荷无法加载到额定负荷（27.7 MW）的情况（见表1）。经检查，当时大气温度平均27℃，煤气热值设定为自动控制模式，热值仪显示实测热值平均3 050 kJ/m3，燃机控制模式由负荷控制模式（LDCSO）转入排气温度控制模式（EXCSO）。由于天铁CCPP机组属于新投运机组，在对比7月份同期数据可以发现，燃气轮机过早进入了排气温度控模式，一旦排气温度控制信号接管燃机控制，则无论负荷是否达到设定值，燃机都将无法增加负荷。

燃机负荷及相关参数对比见表1。

从对比结果来看，7月份在大气温度达26.8℃、煤气热值均为自动控制（控制值为：3 040 kJ/Nm3），燃机仍然可以加载到额定负荷27.7 MW。由此可以推断，由于燃机过早进入温度控制，限制了CSO输出，造成负荷不能加载到额定值。

表1 燃机负荷及相关参数

3 故障分析

燃气轮机通过煤压机压缩高炉煤气，与经过空压机压缩的空气在燃烧器内混合燃烧并透平做功。同时，通过燃烧式热值仪表对高炉煤气的热值进行连续测量，以实现对进入燃烧室内的燃料热值进行控制，进而控制透平温度，以达到保护热部件的目的。因此，燃气轮机不能加载到额定负荷的故障，可能是由于煤压机、空压机、热值仪的异常造成。

3.1 煤压机异常分析

煤压机效率计算公式如下：

式中，T1为煤压机进口温度；T2煤压机出口温度；K为计算常数，取值为1.4；p1为煤压机进口压力；p2为煤压机出口压力；e为煤压机压比。温度为热力学温标、压力为绝对压力。

煤压机数据对比见表2。

表2 煤压机相关参数

经对比可发现，煤压机出力没有明显变化。燃机控制系统可实时对煤压机效率进行实时测算，并与对应的VV阀开度所计算的理论效率进行对比，如果偏差超过0.1%,控制系统即可发出效率低报警。2017年8月21日,燃机控制系统并没有触发煤压机效率低报警。同时，运行人员为了确保煤压机出力在最佳状态，于2017年8月23日对煤压机进行了两次果壳清洗，但燃机出力没有明显改善。因此，可以判断燃机不能正常加载至额定负荷的原因不是煤压机工作异常。

3.2 空压机异常分析

式中，T1为空压机进口温度（大气温度）；T2为空压机出口温度（TCA冷却器进口温度）；K为计算常数，取值为1.4；P1为空压机进口压力；P2为空压机出口压力；e为空压机压比。温度为热力学温标、压力为绝对压力。

燃机空压机数据对比见表3。

表3 空压机相关参数

由于空压机出力将影响到燃机燃空比，进而影响到燃烧温度及透平热效率。经过对空压机数据分析及效率计算可看出，空压机出力无明显下降，效率也维持在较高状态。同时，空气过滤器进口差压保持在-1 000 Pa允许值以内。为了排除空压机效率问题，运行人员于2017年8月22日，对空压机进行了3次在线水洗，然而清洗完成后，燃机负荷状况没有改善，综合计效率计算数值与控制数据，可以排除空压机异常原因。

3.3 热值仪异常分析

煤气用量数据对比见表4。

由于燃机热值控制室基于热值仪对于煤气热值的准确测量。如果测量值偏高，将触发燃机减热值控制，对煤气中掺混入氮气，造成煤气热值比燃机控热值偏低；如果测量值偏低，将触发燃机增热值控制，对煤气中掺混入焦炉煤气，造成煤气热值比燃机控制热值偏高。热值偏低的情况下，将造成煤气需求量偏大，当煤气用量超过煤压机出力范围时，将造成燃机负荷不能加载到额定负荷。通过数据对比可以发现，2017年8月21日燃气轮机煤气煤气用量偏低，燃机煤气流量并未达到煤压机出力极限，所以可以排除煤气热值低的因素；热值偏高的情况下，将造成煤气需求量减小，同时由于煤气热值高，其燃烧温度就会偏高，有可能造成透平温度高，触发燃机温度保护，过早进入温度控制模式。2017年8月24日，仪控人员对热值仪进行了两次在线效验，效验结果表明：热值仪测量值比零点标准气体热值高70 kJ/Nm3；比量程效验标准气体热值高50 kJ/Nm。发现热值仪异常后，经过对热值仪进行校准，投入运行后，控制模式转入负荷控制模式，燃汽轮机控制信号输出增加，燃气轮机负荷加载至额定值27.7 MW，故障排除。经测算故障排除后，燃机平均每小时提高负荷1 500 kW/h，每个月提升经济效益超过50万元。

表4 煤气流量及旁通阀开度

1 500 kW·h指每小时提高燃气轮机发电机功率；24 h指每天按照24小时计算；0.5元指电价按照0.5元的平均电价核算。

4 热值仪异常原因分析

事后经分析，认为造成热值仪异常的原因有以下几点：

2017年8月21日，开机前热值仪效验过程可能存在零点及量程效验不准确的情况，造成热值仪测量值存在偏差。

经检查发现，热值仪校验用标准气体已经超过保质期，可能造成标准气体成分发生变化，从而影响了热值仪效验准确性。

运行中还发现，一旦热值仪采样气体热值超过热值仪的量程，就会造成热值仪表量程的偏移，给后续测量造成误差。

5 结束语

M251S型燃气轮机一键启动及全自动控制的特点，决定了燃气轮机控制特别依赖于仪表精确度及控制执行机构的精准度，一旦测量值不准确或者执行机构输出精度不良，就会造成燃气轮机控制信号产生偏差，有可能造成机组故障保护跳机，甚至设备损坏。因此，燃气轮机的日常维护就显得尤为重要，只有通过日常细致的点检和精心的维护才能保证燃气轮机稳定运行，创造较好的经济效益。