M701F4燃气轮机负荷波动大且无法进入EXCSO温控原因分析及处理

广东惠州天然气发电有限公司 张小军

某燃气轮机电厂二期热电联产项目采用M701F4型燃气-蒸汽联合循环分轴机组，机组不供热时多为两班制调峰运行，供热时则为连续运行，采用天然气为燃料，燃料进入燃烧器前需经过一系列管道阀门进行调压调温。上游接收站来天然气经初步调压单元调压后，再经过天然气温控阀和燃气加热器FGH进行温度调节后进入机组调压段，供燃机燃烧。

燃机能否正常运行、负荷稳定、燃烧稳定受多重因素相互影响，比如热通道部件、控制系统、大气温度、大气压力、燃气压力和温度、各燃料阀动作情况等；若燃机因某种原因不能稳定运行，负荷频繁波动，导致相关燃料阀门联动，增加故障率甚至跳机，同时会引起燃机排烟温度的反复升降，进而导致锅炉主蒸汽温度的变化，对汽轮机的稳定运行存在一定隐患。

1 事件经过及影响

2020年9 月，#6机对外供热运行，监盘发现机组AGC负荷417MW、汽机负荷稳定123.5MW，燃机负荷出现规律间歇性波动、约3分钟一次。负荷突升时，天然气流量计有短时增加4000Nm3/h（约当时流量的4%），天然气系统各调阀反馈、压力、温度均无明显变化；负荷降低时，主燃料A/B阀有关闭动作，天然气压力有小幅上升。查看曲线，燃机在BPCSO模式下，负荷多次从285MW升至290MW，燃机排烟温度升至612℃，进入BPCSO与LDCSO切换区间，负荷从290MW降至285MW，退出控制切换区间，控制模式仍在BPCSO下，且发现燃机最近一次进入EXCSO温控是在5月。联系检修人员检查后，初步结论是主燃料阀A/B动作不顺畅导致负荷波动，需停机后检查。

燃机负荷波动的影响。燃机负荷频繁波动，燃机相关燃料阀门联动，故障率增加甚至跳机，同时会引起燃机排烟温度的反复升降，进而导致锅炉主蒸汽温度的变化，对汽轮机的稳定运行也存在一定隐患。由于#6机组在供热运行，无法降低负荷或者停机进行检查，风险较大。从相关变化曲线图中可看出，AGC指令稳定不变，燃机负荷、燃料阀开度、排气温度均成锯齿状波动。

燃机控制模式无法进入EXCSO模式的影响。查看控制逻辑，燃机控制模式须定期进入EXCSO温控1800秒以上，否则将会老化修正系数无法自动更新，会导致计算的理论最大负荷与实际最大负荷偏差过大，CLCSO偏离正常值，由CLCSO决定的值班燃料、旁路阀、顶环燃料用量也偏离对应设定值，最终可导致机组RB或跳机，此类事件在国内F4机组发生过多次。

2 原因分析

2.1 负荷波动原因

负荷波动时，就地观察燃料调节阀动作与远方一致，无明显的卡顿现象，现场管道无泄漏，燃料正常放散阀、事故放散阀均无内漏，化验控制油油质也是合格，初步排除燃料阀门卡涩，怀疑是控制逻辑设置缺陷导致阀门误动作，引起燃料量突增。

通过对比#6机燃机负荷波动前后各运行参数，细分各时间点，发现在负荷上升前燃料加热器前压力首先下降、燃料加热器后压力（调阀前压力）随后上升，进而才是负荷上升，该现象与燃料阀门误动作引起的燃料量突增恰恰相反（压力测点位置见图1），进而故障原因分析焦点集中在燃料加热器和燃料温控阀之间。继续排查发现燃料加热器后温度有10℃的波动，与燃机负荷波动频率、时间点均一致，同时燃料加热器后压力波动了约0.023MPa、怀疑故障，但经现场检查确认FGH水侧和气侧均未发生泄漏，故障怀疑点转移至燃料温控阀上。

图1 天然气加热单元示意图

经分析，机组负荷、天然气压力、流量规律性波动的详细解释：机组启动过程前段，因FGH出口实际天然气温度低于设定值，温控阀保持在100%开度。当MFCLCSO超过55%，FGH出口天然气温度控制值升至设定值200℃并保持后，随着FGH出口天然气实际温度逐步上升超过200℃，#6机温控阀开度指令由100%积分下降，温控阀由100%开度随指令缓慢关闭。远方DCS上监视温控阀开度指令与反馈无异常，就地检查温控阀动作情况发现，当开度反馈在100%关小至99.3%过程中，温控阀实际开度行程变化巨大，最大可能是故障起源；如是温控阀实际动作异常造成燃气压力波动、进而导致负荷波动，那么只要证明FGH后天然气温度有10℃的波动，且压力约0.023MPa的波动也是由温控阀动作异常导致，则故障原因可确定。

进一步分析确认，温控阀开度反馈远低于实际开度变化量，当开度反馈在100%关小至99.3%过程中，导致机组天然气流在FGH主路和旁路之间快速大幅切换。因FGH旁路阻力远小于主路换热器管束的阻力，造成机组天然气流量突增，FGH后压力迅速上涨而燃料阀未及时调整，多余的燃料进入燃烧，引起燃机负荷上涨。又因温控阀将过多天然气切至FGH旁路，造成FGH出口实际天然气温度快速低于200℃的设定值，温控阀开度指令再次升至100%，流经FGH旁路的天然气再次切换回主路，流阻上升，导致天然气流量下降，燃机负荷下降。当出口天然气温度逐步升高超过200℃后，再次循环往复进入规律性波动。

综上，#6燃机负荷波动根本原因是燃料温控阀动作异常，经现场检查确认，温控阀由100%关小至99.3%过程中，实际开度变化巨大。

2.2 #6燃机无法进入EXCSO控制模式原因

#6燃机进入BPCSO温控时因为燃料流量的波动导致负荷突增，BPT温度也会跟着突增，那么控制逻辑中BPT均值与BPT REF（参考值）的差值会减小而使BPCSO上升速率大幅降低。由于负荷波动周期较短，该时间段内控制模式来不及切换至EXCSO温控，又进入了下一次BPCSO温控，进而导致燃机控制模式未进入EXCSO温控。

3 应对措施

由于#6机组在供热运行，暂无停机处理的机会，从根源出发，控制温控阀阀位大幅动作有四种临时处理方案：将FGH水侧回余热锅炉侧调阀设定值提高，手动控制温控阀开度不超过99%（经试验，水侧需要流量提升较多，影响中压给水系统，且在变负荷阶段阀门还是可能通过99.3%）；将FGH水侧回余热锅炉侧调阀设定值降低，手动控制温控阀始终在100%全开位（经试验，在负荷波动时仍有几次波动，机组升负荷从进入BPCSO至EXCSO的时间偏长）；降低燃气温控阀目标值，使得温控阀开度不超过99%；提高燃气温控阀目标值，使得温控阀开度始终保持100%全开位。

通过讨论与研究，最终采取的是第二种方案，由FGH回余热锅炉侧调阀控制FGH后天然气温度，将温控阀保持在100%全开位并做以下更改：#6机燃气温控阀温度设定值由200℃更改至220℃，保证温控阀维持全开；#6机燃气温度高报警值由240℃更改为220℃，RB值为250℃，暂为近期监盘提高报警裕度；#6机FGH回锅炉侧调节阀投回自动，并把开度控制逻辑中PIQ参数内K值0.2、T值50改为K值0.1、T值25，降低阀门动作速度，减小因流量波动导致的燃气温度波动。

更改逻辑后#6机FGH水侧回锅炉温度稳定在

234℃附近，流量33t/h左右，机组负荷375～405 MW范围内，燃气温度稳定在210℃，负荷短时内快速下降较多时燃气温度会有一定上升，均没有达到220℃报警值，燃机BPT、EXT均在正常值。处理后，AGC指令稳定情况，燃机负荷、燃料阀开度、排气温度均趋于平缓。

结论：此次#6燃机负荷波动且无法进入排气温度控制与往常的燃料阀异常、燃烧器异常的常规原因不同，属于上游、附属设备异常引起的联锁反应，因燃气温控阀实际动作行程不能实时监视，当开度指令与反馈偏差非常小时，阀门实际动作发生异常时很难及时发现、隐蔽性极强，如无法及时分析出原因，将会给运行与检修带来极大的困扰。故在进行相关运行事件分析时，切勿仅凭以往的事故经验而忽视了对数据的分析与对比，同时对于电厂设备而言系统关联度大，务必把相关联的所有设备都加入到怀疑与分析中去，防止出现错误判断、错过安全处理时机，造成事件扩大。