9H燃机燃烧系统排气分散度高原因分析及对策

2023-08-28潘超宇索志城张骏利

电力安全技术 2023年7期

潘超宇，索志城，张骏利

(天津军粮城发电有限公司，天津 300300)

0 引言

某机组控制系统采用GE公司的Mark VIe集成控制系统，其网络系统的兼容性好，便于系统中各设备之间信号联系及逻辑查询升级。从实际运行情况来看，采用DLN2.6e燃烧器的9H燃气轮机具有良好的燃烧稳定性和机组经济性。

在燃气轮机运行过程中，很难直接监测高温部件。为了及时发现故障，只有通过间接测量的方法，才能判断高温元件是否正常工作[1]。透平排气温度作为燃气轮机的重要监测参数，为燃气轮机的性能、燃烧系统的运行以及热通道部件的状态提供了丰富的信息[2]。检测到不正常的排气温度偏差时，保护燃气轮机的方式通常是运行辅机故障减负荷(runback)指令。机组实际运行过程中也出现了由于排气分散度高引起的runback案例。

1 燃气轮机排气温度的测定

在对燃烧系统的监控过程中，最直观的数据则来自于排气分散度[3]。如果在运行过程中热电偶之间的读数差别太大，燃烧系统故障的可能性就更大。加强燃机排气运行监测，反映燃烧室燃烧情况，便于对过渡段和透平性能进行评价。

燃气轮机的温度控制建立在对燃气轮机排气温度的准确测量的基础上。9H型燃气轮机的排气温度是通过安装在轮机后缸的39支K分度热电偶获取的，排气热偶位于燃机排气扩散段排气集流室下游，其插入深度要能够满足测量排气气流温度要求。39支热电偶分布在排气集流室周围，每支热电偶都安装在辐射套管中，套管末端在热气流通道中末敞开以使探头端部位于排气气流中。39个传感器平均值为燃机排气温度值。

2 燃气轮机排气温度分散度保护控制

燃机排气温度分散度保护主要是指，运行过程中通过对排气温度进行监测，当出现排烟温度分散度大或者排烟温度场不均匀时，提醒运行人员及时采取措施。若分散度超过允许值时，则会引起跳机，防止事故进一步扩大。排气温度的分散度包括排气温度的最大分散度(TSpread1)、排气温度的第二分散度(TSpread2)和排气温度的第三分散度(TSpread3)，单位为华氏温度℉（Tf=32+1.8t，t为摄氏温度，Tf为华氏温度）。在操作过程中，控制器始终监控上述三个差值。

2.1 排烟温度分散度逻辑计算

Mark VIe系统是利用燃气轮机排气在实际工况下的三个分散度值(TSpread1、TSpread2、TSpread3)，与理论计算出的三个最大允许值来判断燃烧器内的燃烧状态，从而确定当前工况。

39个排气温度由高到低进行排列，顺序编号为0～38，即0号温度为最高温度，38号为最低温度。

则有：

T1：编号为1的温度值(℉)，也称为次高温度。

T38：编号为38的温度值(℉)，也称为最低温度。

T37：编号为37的温度值(℉)，也称为次低温度。

T36：编号为36的温度值(℉)，也称为次次低温度。

以上计算得出当前机组运行的实时分散度，为保障稳定运行，还需得到最大允许排气分散度(TTXSPR)。

式中:TTXSP为最大允许分散度值，℉;TTXM为排气平均温度，℉;TCTDA为压气机最高排气温度，℉;TTKSPL5为压气机排气温度补偿值，为60℉。

通过最大允许排气分散度(TTXSPR)，可以得到分散度保护高一值(TH)、高二值(THH)、高三值(THHH)[4]。运行初期GE公司对于H级机组相关逻辑进行技术保密，故需要参考现已开放的E级机组的逻辑。

由此可以得到燃机运行实时排气分散度会出现如下几种状态。

状态1：TSpread1≥TTXSPR。

状态2：TTXSPR＞TSpread1≥0.8TTXSPR。

状态3：0.8TTXSPR＞TSpread1≥0.5TTXSPR。

状态4：TSpread2≥TTXSPR。

状态5：TTXSPR＞TSpread2≥0.8TTXSPR。

状态6：0.8TTXSPR＞TSpread2≥0.5TTXSPR。

状态7：TSpread3≥TTXSPR。

状态8：TTXSPR＞TSpread3≥0.8TTXSPR。

状态9：0.8TTXSPR＞TSpread3≥0.5TTXSPR。

在实际运行中仅会出现以上几种状态，并不会9种状态全部出现。对于出现温度坏点的情况，在计算当中，会首先将坏点温度进行屏蔽，不参与分散度计算。在去除坏点温度之后，继续将剩下的好点温度由高到低排序，此时编号总数便不再是0～38，而是去除掉坏点后尚存的好点数量，此时分散度为次高值减最低值的计算，这里不再赘述。

2.2 排烟温度分散度保护动作逻辑

随着燃机启动、点火、加速预热至全负荷，允许的排烟分散度会随之发生变化，其排烟温度分散度会呈现在一个动态区间内。但是这种变化维持的时间不会太久。通常在燃机运行状态稳定后，其允许的排气温度分散度也会渐渐平稳。

排烟温度分散度必然随燃机运行过程而产生，但是排烟温度分散度一定保持在特定范围内。若排烟温度分散度大于最高值时，燃机Mark VIe系统会立刻发出警报或遮断信号[5]。

在分散度保护动作的逻辑中，39个排气温度的坏点位置与分散度的温度位置会直接影响到保护动作。所以Mark VIe系统会实时记录坏点位置及分散度位置，分散度位置即为计算中涉及的最低温度位置、次低温度位置、次次温度位置。

当燃机转速大于2 850 r/min时，延时30 s之后，若满足以下任意条件，即触发燃机分散度主保护动作。具体条件如下：

1) 排气分散度满足状态1与状态5，并且T38的温度测点位置与T37的温度测点位置相邻。

2) 排气分散度满足状态1与状态8，并且T38的温度测点位置与T36的温度测点位置相邻。

3) 排气分散度满足状态4与状态8，并且T37的温度测点位置与T36的温度测点位置相邻。

4) 排气分散度满足状态7。

5) 排气分散度满足状态2与状态6，并且T38的温度测点位置与T37的温度测点位置相邻，并且高值单侧相邻两支温度测点均故障。

6) 排气分散度满足状态2与状态9，并且T38的温度测点位置与T36的温度测点位置相邻，且高值单侧相邻两支温度测点均故障。

7) 排气分散度满足状态5与状态9，并且T37的温度测点位置与T36的温度测点位置相邻，且高值单侧相邻两支温度测点均故障。

8) 排气分散度满足状态6与状态1，并且T38的温度测点位置与T37的温度测点位置相邻，且T38相邻一支温度测点故障。

9) 排气分散度满足状态9与状态1，并且T38的温度测点位置与T36的温度测点位置相邻，且T38相邻一支温度测点故障。

10) 排气分散度满足状态9与状态4，并且T37的温度测点位置与T36的温度测点位置相邻，且T37相邻一支温度测点故障。

11) 排气分散度满足状态1，并且T38相邻两支温度测点故障。

12) 排气分散度满足状态4，并且T37相邻两支温度测点故障。

13) 排气分散度满足状态3，并且T38旁有两支温度测点相邻故障。

14) 排气分散度满足状态6，并且T37旁有两支温度测点相邻故障。

3 排气分散度高跳闸案例经过

2021-09-30 T09:10，12号机组开机升负荷过程中负荷在40 MW，排气分散度高runback。当事故发生后，机务专业人员对透平和燃烧筒均进行了孔探检验，从而确认无烧毁和堵塞问题。

在运行过程中，若长期在恶劣工况下工作，燃机排气热电偶将发生断裂问题；同样，若I/O卡件、接地线箱等长期运行，也会产生端子排松动问题[6]，热工专业对排气热电偶检查均正常。

4 排气分散度高原因分析

燃烧异常的因素有硬件故障和非硬件故障。硬件故障包括燃烧筒破裂、形变、喷嘴阻塞等；非硬件故障包括燃烧参数设计不当、空气湿度温度变化、燃料成分变化等引起的熄火等。当燃烧异常、燃烧室开裂时，或过渡段损坏引起透平进口温度场不均匀时，都会引起透平的进口流场和排气温度流场的异常混乱[7]。机组在进行燃烧模式更换过程中，转换点附近容易发生燃烧波动，容易造成燃烧模式切换失败。燃料控制阀流量持续变动，导致天然气流量总是变化，进而加剧排气温度更加分散，引起机组遮断[8]。

前面提到燃烧异常的案例中，通过孔窥检查确认硬件设备正常，可判断为非硬件故障引起。

随后对9H燃机夏季燃烧调整数据进行分析，研究发现9H机组在夏季燃烧调整时，66～100 MW负荷期间需要进行燃烧模式切换，切换点排气分散度增大[9]。

燃机各负荷状态下，分散度和排气温度的平均值如图1、图2所示。将分散度较高时的各排气温度测点进行绘图分析，如图3～5所示。

图1 燃烧调整时各负荷分散度

图2 燃烧调整时各负荷排气温度

图3 燃机负荷74.85 MW时排气温度(°F)

图4 燃机负荷79.86 MW时排气温度(°F)

图5 燃机负荷90.16 MW时排气温度(°F)

燃烧调整时各负荷最大允许排气分散度如图6所示。

当时燃烧调整完以后，79.86 MW时最大允许排气分散度最低，74.85 MW和90.16 MW时最大允许排气分散度较高，随着机组长时间运行及季节性的变化，从而容易在79.86 MW负荷附近因排气分散度超标引起跳机问题。

5 措施及对策

进入冬季以后再次做燃烧调整，这次加大对燃烧模式切换节点的优化处理，结合压力脉动监测，通过结合神经网络算法重新设置燃烧时各燃料阀的基础气量，从而将燃烧切换过程中的排气分散度进一步降低，增加安全裕量。同时需要提前与电网调度进行沟通，增加66～100 MW负荷的调试时间。对于长期运行的排气热电偶加强监测和检查，定期更换新热电偶。

通过研究排气分散度对燃烧系统异常进行分析是一种传统的间接方法，存在一定的延迟。结合在16只燃烧室中安装的在线燃烧脉动监测探头(CDM)监测到的数据，当探测到的脉动压力偏高时，降低燃机负荷，并及时进行燃烧调整，有助于快速检测异常燃烧情况，有效控制燃烧脉动状态，从而避免燃烧故障的产生[10]。