V94.3A型燃气轮机点火失败原因分析及解决方案

宋馨

(国家电投集团郑州燃气发电有限公司，郑州 450001)

0 引言

燃气轮机(以下简称燃机)点火在机组整组启动过程中相当重要，如果出现点火失败，将大大拖延机组整组启动的时间和节奏，同时影响机组的经济性[1]，因此，研究燃机点火失败成因和解决方案具有重要意义。河南某燃气电厂采用2台德国西门子公司制造的GUD 1S V94.3A燃气-蒸汽联合循环机组，设计燃料为天然气。近年来，机组启动过程中多次出现点火失败情况，本文对此现象进行分析，并针对此类问题提出解决方案。

1 V94.3A燃机启动及点火失败情况介绍

1.1 启动过程

V94.3A燃机启动分为以下几个主要阶段。

(1)机组整组准备启动，获得燃机允许启动、发电机允许启动、锅炉允许启动、辅机允许启动等条件。

(2)燃机发启动令，启动变频器(SFC)投入，带动燃机压气机鼓风(12.5 Hz)，对余热锅炉进行8～10 min的清吹，防止因天然气集聚而引起爆燃。

(3)燃机清吹结束，机组惰走至点火转速(5～7 Hz)。

(4)SFC再次投入带动机组升速，至点火转速时点火变压器投入，12 s内火焰探测器监测到火焰信号反馈，期间燃机持续升速。如果12 s内未监测到火焰信号，则熄火保护触发，防止过多燃料气喷入。

(5)燃机点火升速至自持转速(38.5 Hz)以上，SFC退出，机组继续升速至额定转速。

(6)发电机同期并网，燃机启动过程结束。

1.2 点火失败情况

2018年7月1—30日，该公司2台机组累计启动52次，点火失败10次，点火失败率达19.2%。检查机组报警记录，除点火失败的典型报警外无其他异常报警，说明机组点火失败不是其他原因触发机组熄火保护，而是因为点火转速下燃烧器投入后火焰强度不足，火焰探测器监测不到火焰。

1.3 点火失败的影响

(1)燃机的特点是启停速度快，调峰作用明显。但是1次点火失败将拖延机组启动30 min，延误启机时机，调峰优势大打折扣，同时还会影响当日天然气批复气量完成率。

表1 机组点火失败运行数据统计Tab.1 Statistics of ignition failure of the unit

(2)燃机1次点火启动约消耗厂用电4 MW·h，点火失败将增加厂用电消耗量。

(3)燃机靠SFC拖动升速点火，1台SFC最多可连续3次启动升速，连续多次点火将造成设备寿命折损。

2 原因分析

通常情况下，检查燃机点火失败原因多从检查火焰探测器、点火电极、点火线圈、点火变压器，调整点火转速，分析天然气品质等方面入手，此次扩大分析范围，对燃机的燃烧、点火方式进行分析。

分析机组点火失败时的运行数据(见表1)，对比环境温度、燃气品质、点火转速等方面无共性，唯一比较相似的是点火失败多出现在环境湿度较大的情况下。因此，着重分析环境湿度的影响。

大气中含有水蒸气，天然气燃烧过程中也会产生水分，因此，机组运行期间，在燃烧器、天然气环形管道以及扩散供气调节阀之后的管道(特别是水平管段)，可能会生成凝结水，环境湿度越大，压缩状态下水蒸气凝结为水的可能性越大，凝结水量增大会对点火造成影响。

西门子V94.3A型燃机燃烧模式分为预混燃烧模式和扩散燃烧模式。预混燃烧模式是将天然气与一次空气预先混合后，再供入燃烧室中燃烧，其特点是燃烧火焰较短，燃烧稳定性较差，需要有稳燃火焰支持，在高负荷工况下燃烧效率高，产生的NOx较少，低负荷下燃烧效率差，火焰不稳定。扩散燃烧模式是将天然气与空气分别供入燃烧区，边混合边进行燃烧，其特点是火焰比预混燃烧的长，燃烧稳定范围宽，在低负荷工况下对燃烧效率影响不大，产生的NOx较多[1]。由于预混燃烧模式燃烧效率高、NOx排放量较少，所以燃机正常接带负荷过程中均采用预混燃烧模式。扩散燃烧模式仅用于燃机升速至额定转速时提供稳定的火焰，在机组带负荷运行中停用。机组正常运行期间，扩散燃烧天然气管道是死区，如果机组下次启动前管道中留有大量凝结水或饱和状态的水汽，机组初点火阶段火焰强度较低时，水和水蒸气会吸收火焰的能量，熄火也就在所难免了。

为提高机组采用扩散模式启动时的点火成功率，西门子公司设计了扩散燃烧天然气管道疏水系统(如图1所示)，管道中的凝结水可通过电动疏水阀流到疏水箱中，系统根据疏水箱液位自动疏水。该疏水程序在每次燃机启动前、熄火后、水洗后均会执行，运行中每2 h也会执行1次，以防止管道积水。

对多次点火失败的数据曲线进行分析，发现以下几个规律。

(1)机组点火失败多出现在环境湿度较大的情况下，特别是点火前一日空气湿度很大时，天然气管道中可能积水或留存湿空气。机组停运后及下次启动前，由于燃机转速较低，吹扫管道的压力很低，基本为无压疏水，对该部分积水的疏水效果不会太明显。

(2)#1机组点火失败几率明显高于#2机组。建立#1机组扩散管道天然气疏水过程曲线，发现机组运行中并不是每次都能顺畅进行疏水。多数情况下扩散管道疏水阀打开时疏水箱内的压力没有明显升高，说明没有气流带动积水进入疏水箱，未完成有效疏水。由图2可见，机组运行中的8次疏水仅有1次有实际压力上升。

图1 燃机扩散燃烧天然气管道疏水系统控制界面Fig.1 Gas turbine diffusion combustion natural gas pipeline drainage system control interface

图2 #1燃机运行过程中扩散燃烧天然气管道疏水曲线Fig.2 Drainage curve of diffusion combustion natural gas pipeline during the operation of No.1 gas turbine

对#1机组扩散管道疏水阀进行检查试验，发现机组运行过程中，该阀阀芯有效动作的几率不高。随后对该阀进行了临时处理以提高动作灵活性，并制定了更换计划。

(3)越接近停机时进行疏水操作，下次点火的成功率越高。因为机组运行中燃烧室乃至燃烧器中的压力接近压气机出口压力(约1.7 MPa)，此时的疏水是有压疏水，效率明显高于无压疏水。而疏水越接近停机，后续产生积水的量就越小，下次点火时的成功率也会相应提高。

3 解决方案

即使是每次扩散管道疏水均能成功进行，仍然会有点火失败的情况，说明疏水后管道内再次产生的水分仍会对下次点火造成影响。环境湿度和机组运行中产生积水是不可避免的，为避免点火失败，提出以下几个解决方案。

(1)在每次燃机停运前(30 MW负荷左右)手动执行1次天然气扩散管道疏水程序，并确认此次疏水过程有效(以疏水箱内压力和液位上升为依据)，保证此次疏水至燃机停运过程中没有过多水分生成。

(2)机组停运保养过程中，适时投入燃机防潮加热器并确认防潮加热器有效工作，保证燃机内留存的空气处于较干燥状态。

(3)通过修改机组顺控逻辑或手动操作，在燃机每次点火前的清吹过程中对天然气扩散管道进行疏水，最好同时开启扩散管道疏水阀和疏水箱放气阀，利用燃机清吹转速下产生的气压(12.5 Hz清吹转速下燃烧室内的气压为0.1 MPa)对天然气扩散管道进行长时间吹扫疏水。机组对扩散管道疏水阀和疏水箱放气阀有保护逻辑，在2个阀门同时开启的情况下会停运燃机，因此要想实现更好的疏水效果，需要对燃机运行状态和清吹状态的逻辑判据进行有效甄别，区别对待。燃机清吹阶段允许同时开启扩散管道疏水阀和疏水箱放气阀，可以更有效地对天然气扩散管道进行疏水。

以上几项措施可并用。

(4)在现有的设备上进行系统改造，从燃机天然气扩散燃烧调节阀下游管道处接入压缩空气(采用厂用压缩空气，压力为0.7 MPa)，采用电磁阀控制，在燃机启动前用压缩空气进行吹扫。该操作可手动进行，也可将控制逻辑做入燃机启动逻辑中。

4 结束语

该电厂于2018年9月更换了扩散燃烧天然气管道疏水阀，每次疏水程序均能有效执行，71次启动过程仅出现1次点火失败情况，说明提高疏水成功率对点火有一定影响，而天气转凉、大气湿度下降是另外一部分原因。后续还需要对设备进行技术改造，以进一步优化疏水系统。