燃气轮机空气清吹系统优化改造

马汇东

（北京华电北燃能源有限公司，北京 101117）

燃气轮机的燃烧系统与空气清吹系统作为燃机燃烧相关的重要系统相辅相成，它们通过相互之间的配合保证燃气轮机在运行过程中能够根据负荷、环保指标等要求进行各种燃烧模式的切换。但在实际调试运行期间，发现该系统存在“单点保护”的低可靠性情况。本文对6F.01 燃气轮机的清吹阀门控制回路进行改造，消除了设备安全隐患，提升了机组运行的稳定性与可靠性。

1 系统概述

6F.01 燃气轮机采用DLN2.5 燃烧系统。该燃烧系统为美国GE 公司基于DLN2.0 燃烧系统的升级。自2000 年开发以来，该系统主要应用于7H、9H 和52E燃气轮机上。6F.01 燃气轮机DLN2.5 燃烧室的布置见图1～2。

图1 燃烧室示意图

6F.01 燃气轮机的DLN2.5H 燃烧系统采用“4+1”喷嘴布局，包含4 个在外圈的喷嘴和1 个中心的喷嘴，共4 路天然气管路接入喷嘴，分别为D5、PM1A、PM1B、PM3。其中，每个喷嘴均接入2 路天然气管路，具体见表1。

图2 燃烧室实物图

表1 燃烧室管路对应功能表

2 系统优化改造

2.1 清吹系统

清吹系统是DLN 燃烧系统中非常重要的组成部分。燃机在不同负荷下采用不同的燃烧模式，意味着有些喷嘴不是在所有情况下都有燃料供应。在燃烧系统运行期间，通过清吹系统，将燃机压气机的排气接入当前模式下未通天然气的管路和喷嘴进行冷却，防止天然气的回流以及管路和喷嘴中残留的气体燃料的自燃[1]。

燃气轮机清吹系统主要由安装冷却功能且密封的空气系统、燃料气控制系统和压气机组成。其中：①6 只燃料吹扫阀（VA13-1，2，13，14，23 和24）；②6 只燃料吹扫阀的电磁阀（20PG-1，2，3，4，23 和24）；③6 只吹扫阀仪用压缩空气压力调节阀（VPR54）；③12 只燃料吹扫阀的位置开关（33PG）；④3 只燃料吹扫放空阀（VA13-8，12 和22）；⑤3 只燃料吹扫放空阀的电磁阀（20VG-2，3 和6）；⑥6 只燃料吹扫放空阀和12 只燃料吹扫阀的位置开关（33PG）；⑦9 支清吹压力变送器（96PG-1A，1B，1C，2A，2B，2C，3A，3B，3C）；⑧3 支温度变送器。以上设备均布置在燃机的气体模块小室（DLN compartment）内。

2.2 天然气的运行模式

（1）亚先导预混模式（SPPM）D5+PM1A：气体燃料通向燃烧室的扩散通道D5 和预混模式通道PM1A。在部分额定转速到低负荷之间均采用这种模式，燃机启动到FSNL（全速空载）以后，直到加载到燃烧基准参考温度CRT（Combustion Reference Temperature），一个类似于火焰的燃烧基准温度，由压气机排气压力、排气温度等经验计算出的介于0～100 的常数[2]）大于93.175。

（2）预混模式（PM）PM1A+PM1B+PM3：天然气均通过喷嘴进入各燃烧室的PM1A、PM1B 及PM3通道。从CRT 超过93.175 至燃机基本负荷间均采用该模式。

当流经扩散气体燃料喷嘴的燃料停止流动（预混燃料通道运行）时，就启动对扩散燃料气喷嘴流道（D5）的吹扫。通过抽气支管将压气机排气导入扩散气体燃料管，吹扫扩散气体燃料喷嘴。该过程中，需要不断有空气从扩散气体燃料喷嘴端流出，以保证扩散气体燃料支管及其相连的管道里不再积聚有易燃气体，并且冷却燃料喷嘴。当流经PM1B、PM3 喷嘴的燃气停止流动，所有的燃气都流向扩散喷嘴时，PM1B、PM3 吹扫阀打开进行吹扫。当燃料气吹扫支管不工作时，支管上的放空阀打开，排空积聚在管道内的燃料气，保证燃料气压力不会集聚在两只串联布置的吹扫放空阀之间，而且不会有燃气漏过关闭放空阀，聚集在燃烧室或者排气段内。

两种燃机运行模式对应燃料清吹系统状态见表2。

表2 燃机运行模式对应燃料清吹系统状态表

2.3 保护动作逻辑

在燃气轮机的MARK VIe 控制系统可以看到清吹系统的保护条件涉及3 种机组保护形式，分别是快速降负荷（RUNBACK）、停机（SHUTDOWN）、跳闸（TRIP）。

（1）快速降负荷。当燃机清吹管路温度PTHX>365℃，延时2 s，或在清吹温度大于345℃且未小于326.67℃时，燃机开始快速降负荷，直到清吹温度恢复到高值以下。

（2）停机。燃机测量的大气压力加FPG1 管路上的清吹压力与压气机排气压力之间的比值大于1.01或者小于0.962，且超过60 s 时，触发燃机停机程序。

（3）燃机跳闸。①PTHX 清吹温度三取二大于385℃，且延时2 s；②在清吹指令下达后，10 s 内对应的清吹管路中的三支压力变送器超过两支均检测到压力小于303 kPa（44 psi）；③燃烧模式切换但清吹指令未发出；④当D5 清吹指令发出后（或）：Ⅰ在25 s 内空气侧清吹阀VA13-1 关反馈未消失且90 s后VA13-1 开反馈未收到；Ⅱ在25 s 内燃气侧清吹阀VA13-2 关反馈未消失且90 s 后VA13-2 开反馈未收到；Ⅲ在25 s 内清吹阀VA13-1 或VA13-2 关反馈未消失且任意一只清吹压力小于303 kPa（44 psi）；Ⅳ90 s 后VA13-1 或VA13-2 开反馈未收到且任意一只清吹压力小于303 kPa（44 psi）。

需要注意：PM1B、PM3 逻辑保护与D5 相同，分别对应的空气侧阀门为VA13-3，VA13-23。燃气侧阀门为VA13-4，VA13-24。

清吹系统的保护条件分别有清吹温度、清吹压力以及清吹阀门3 种动作情况。通过研究发现，清吹温度测点有3 支变送器（PG-TX1、PG-TX2、PGTX3）。通过3 支变送器的中间值进行判断，不容易出现由于变送器设备故障导致的保护误动。同样，在每条清吹的管路上，均有3 只压力变送器，共计9 支（96PG-1A，1B，1C，2A，2B，2C，3A，3B，3C），每3 支为1 组，不易发生由于变送器故障导致的保护误动。

在系统配置上，所有清吹管路上的清吹阀门均仅由一台电磁阀对其进行控制。若该电磁阀故障，电磁阀对应的清吹阀门将无法正常使用，会触发燃机保护动作。

2.4 导致“跳机”事故实例

某6F.01 燃气-蒸汽联合机组处于调试期间，正在进行并网后的涉网试验，当日04：30，燃气轮机跳闸，发电机出口断路器断开，燃机显示保护“Trip -gas purge fault-Ture（L4PGFT-ALM）”。停机后，通过机组历史曲线数据对跳机原因进行检查分析。在当日凌晨04：30 前，燃机跳闸前，燃机负荷DWATT 为30.974 MW，负荷平稳且燃机未收到任何升降负荷的指令。燃机处于预混PM 模式，燃料阀D5 关闭，燃料 阀PM1A、PM1B、PM3 开度分别为34.499%，34.229%，48.714%。D5 阀门处于清吹进程中，VA13-1、VA13-2 反馈开到位。在没有任何外部指令的情况下，04：30：17′ VA13-2 清吹阀门的开反馈消失，MARK VIe 中记录事件“VA13-2 open position limit switch-false”；1 s 后，在04：30：18′触发报警动作“D5 gas side purge valve limit switch fault-Ture（L33PG1D）”；在04：30：20′，7914 VA13-2 关反馈到达，事件记录“VA13-2 close position limit switchture”；04：30：20′，8469 MARK VIe 报警“Trip -gas purge fault-Ture（L4PGFT-ALM）”同时发电机出口断路器解列，燃机跳闸。

机组跳闸前相关曲线见图3。根据机组曲线对事件进行分析，由于在燃机运行过程中负荷平稳，CRT 保持在99.15，不在燃机燃烧模式切换的范围（92.700～93.125）内，燃机未发出取消清吹的任何指令。由图3 可知，MARK VIe 系统发出控制VA13-2阀门的指令d_20pg2x 一直为ture，该指令使VA13-2保持打开。但实际上，在开指令一直存在的情况下，该阀门实际动作情况见表3。

图3 跳机数据记录图

表3 燃机跳机前VA13-2 阀门动作情况

由于2 个位置开关均发生动作，排除了由于位置开关接触不良引起的位置反馈信号误动的情况。

2.5 清吹系统优化的研究

由于原控制阀采用两位三通电磁阀控制气动滑阀，从而实现对清吹阀门的控制（图4）。通过增加一路电磁阀进行冗余配置，采用双路电磁阀控制，保证单一电磁阀故障不影响阀门的实际动作情况。原电磁阀称为电磁阀X，新加电磁阀称为电磁阀Y（图5）。

图4 改造前电磁阀系统图

图5 改造后电磁阀系统图

由表4 可知，当阀门动作指令发出后，当且仅当2 台电磁阀同时无法正常工作时间，阀门才会出现无法动作的情况。如果仅有其中任意1 台电磁阀出现故障，清吹阀门仍然可以正常工作。这很大程度上提高了阀门运行的可靠性。清吹阀门改造前后动作情况见表5。

表4 双冗余电磁阀改造逻辑图对比表

表5 燃机清吹阀门改造前后动作情况

2.6 方案实施及调试

电磁阀改造的方案实施主要分为2 步进行：第1 步为现场电磁阀的安装；第2 步为在燃机控制系统中新增加1 个继电器输出信号，并且关联对应的清吹阀门开启逻辑信号。在MARK VIe 控制系统中，增加一路继电器输出点。

（1）进入燃机控制系统软件“TOOLBOXST”，选择进入1#机组组态“G1”，见图6。

图6 TOOLBOXST 组态图

（2）选择菜单“software”，进入1#燃机控制系统组态。选择“Custom_Tongzhou”系统，该项目下均为针对不同现场客户使用的组态项目[13]，见图7。

图7 TOOLBOXST 选择模块图

（3）在该模式下新建项目“NEW PURGE”，在该项目下新建功能组命名为“PURGE solenoid1”，在该功能组中添加“MOVE”功能块。“MOVE”块将输入变量“SRC”的值转换为输出变量“DEST”，见图8。每当模块运行且ENABLE 引脚为真时，就会发生数据传输。该模块的模拟变体可用于执行数据类型转换以及内存移动操作。将输入变量“SRC”与原组态中清吹阀VA13-1 的开指令“L20PG1ON”关联，将输出变量“DEST”与新增电磁阀的开指令关联，将该指令命名为“d_20pg1y”。

图8 TOOLBOXST 新建MOVE 块

（4）进入“TOOLBOXST”中“hardware”菜单，找到DO 输出卡件，找到未被使用的继电器输出通道，见图9～10。

图9 选择硬件卡件

图10 新增通道位置

（5）通过查找发现卡件“PDIO-1F1A”中有空余的继电器通道尚未使用，分别为“Relay05”、“Relay06”。通过选中05 继电器通道的“Connected Variables”选择连接该通道的变量，在此输入之前定义的“d_20pg1y”，见图11。

图11 完成新增信号

通过选中该继电器通道，发现该通道已经能够连接至之前新增加的“NEW PURGE”程序，并能够成功地连接到“L20PG1ON”指令，见图12。

图12 完成关联标签

此时，需要将该通道的接线与现场新增电磁阀相连，完成接线。

通过相同的步骤，分别完成VA13-1，2，13，14，23和24 清吹阀门改造工作；新增电磁阀20PG-1Y，2Y，3Y，4Y，23Y 和24Y。

现场安装步骤：安装过程需要按照图5 增加与原电磁阀相同型号的两位三通电磁阀Y，将X 电磁的工作气口图1 号位置接入Y 电磁阀的进气口3号位置（图5）。从原压缩空气增加供气管路上引出一路，接入Y 电磁阀的排气口中2 位置。将Y 电磁阀的工作气口（1 号位置）接入清吹控制阀气动阀门（图5）。

2.7 优化方案验证

通过MARK VIe 程序对改造结果进行试验（记录表仅记录D5 清吹阀门VA13-1，2 改造后的试验情况），优化后电磁阀试验记录见表6。

表6 优化后电磁阀试验记录表

试验证明，通过对清吹阀门的电磁阀进行冗余改造，提高了清吹阀的可靠性，在清吹阀门使用过程中如果出现任意一只电磁阀故障，都不会影响阀门的正常开启；只有当2 个电磁阀同时故障，才会导致对应清吹阀门的异常动作。通过优化，将原本的“单电保护”改造为“二取二”的保护状态，很大程度上提升了燃气轮机清吹系统的可靠性。

3 结论

通过对6F.01 燃气轮机燃烧系统、清吹系统的介绍以及在调试过程中的跳机事故分析，主动查找燃机清吹系统安全隐患。通过研究燃机现场条件及相关燃机保护逻辑制定了改造方案。方案实施后，通过前后10 步对改造后的新增电磁阀通电及切断电源的试验，验证了任意一只电磁阀故障，都不会影响对应阀门的正常开启；只有当2 个电磁阀同时故障时，才会导致对应清吹阀门的异常动作，确保了燃机清吹阀门的正常使用，有效提高了清吹系统的可靠性，避免6F.01 燃气轮机机组出现因清吹阀电磁阀故障导致的机组停机事故。