9FA燃气轮机清吹系统分析

吴学崇,贡文明,周晟阳

(1.华电电力科学研究院有限公司,杭州 310030;2.江苏华电戚墅堰发电有限公司,江苏 常州 213011)

9FA燃气轮机采用干式低氮氧化物的DLN2.0+燃烧系统,燃料控制阀由D5、PM1和PM4组合而成[1]。机组从启动运行至满负荷的过程中,根据机组实时的燃烧基准温度,选择投用部分或全部燃料阀,形成多种配气模式,进而完成燃烧模式的切换,以达到降低NOx排放的目的[2]。当机组正常运行时,对于没有燃料流经的燃气支路,清吹系统会从压气机排气中抽取一部分用作清吹空气,维持一定的清吹压力对燃气环管进行持续吹扫,这样不仅可以将支路中残存的燃料吹扫干净,也可以防止凝结水凝结导致回火、脱火、振荡燃烧、负荷波动等问题[3]。

燃气轮机清吹系统能够正常工作是燃气轮机安全稳定运行的重要保障,但清吹系统的故障率较高,极易发生燃烧模式闭锁、自动停机等事故,对燃气轮机运行乃至整个电厂的稳定性造成影响。国内关于清吹系统故障的案例比比皆是,相关从业人员也发表过相关技术论文,给出了改造建议和方案[4-7],但也仅停留在安装工艺等设备层面,并没有从控制原理出发深入分析故障原因,改造成本高且仍存在故障隐患。本文针对某电厂9FA燃气轮机清吹系统控制进行逻辑解析,并详细阐述因清吹系统故障导致燃烧模式闭锁、自动停机、主保护跳闸等触发原因,对燃气轮机控制系统国产化具有较为重要的实际参考价值和指导意义。

1 清吹系统组成

燃气轮机清吹系统布置在燃气控制系统和压气机之间,系统如图1所示,由以下组件共同构成:4只燃料清吹阀(VA13-1、VA13-2、VA13-5和VA13-6),4只燃料清吹电磁阀(20PG-1、20PG-2、20PG-5和20PG-6),2只燃气放空阀(VA13-8和VA13-13),2只燃气放空电磁阀(20VG-2和20VG-4),10只燃料清吹阀和放空阀的位置限位开关(33PG),4只清吹阀执行机构快速排气阀(VA36-1、VA36-2、VA36-9和VA36-10),6只压力开关(63PG-1A、63PG-1B、63PG-1C、63PG-3A、63PG-3B和63PG-3C),1只VA13-1清吹阀的仪用空气压力调节阀(VPR54-22),6支K型热电偶,1只清吹阀的远程位置调节器。

图1 清吹系统图

在机组启动及正常燃烧模式过程中,清吹系统会从压气机排气中抽取一部分空气对没有燃气流经的环管进行吹扫。当D5燃料阀关闭后,D5清吹阀组启动对D5环管进行吹扫;当PM4燃料阀关闭后,PM4清吹阀组启动对PM4环管进行吹扫,以保证燃气环管内部不会积聚易燃气体。

2 清吹系统投退及联锁

9FA燃气轮机在机组正常启动至满负荷的过程中,会依次经过扩散燃烧(初始)、亚先导预混燃烧(SPPM)、先导预混燃烧(PPM)、预混燃烧(PM)四个燃烧模式。在模式切换过程中需对应开启的燃料阀如表1所示。

表1 不同燃烧模式下需对应开启的燃料阀

机组启动(加负荷),清吹系统的动作过程为:

(1) 机组启动时,转速达到清吹转速设定值(TNH≥14%),清吹阀VA13-5、VA13-6打开,对PM4环管进行吹扫。

(2) 燃烧模式由SPPM上切至PPM模式时,清吹阀VA13-5、VA13-6关闭。

(3) 燃烧模式由PPM上切至PM模式时,清吹阀VA13-1、VA13-2打开,对D5环管进行吹扫。

停机(减负荷),清吹系统的动作过程为:

(1) 燃烧模式由PM模式下切至PPM模式时,清吹阀VA13-1、VA13-2关闭。

(2) 燃烧模式由PPM下切至SPPM模式时,清吹阀VA13-5、VA13-6打开,对PM4环管进行吹扫。

(3) 机组停机时,转速低于冷托转速设定值(TNH≤1.2%),清吹阀VA13-5、VA13-6关闭。

2.1 燃烧器清吹及联锁保护

当燃烧模式处在扩散燃烧(初始)模式时,20PG-5、20PG-6电磁阀带电,清吹阀VA13-5、VA13-6打开,对PM4环管进行持续吹扫。限位开关33PG-9/33PG-10和33PG-11/33PG-12用于反馈清吹阀VA13-5的关/开和清吹阀VA13-6的开/关状态。

放空阀VA13-13布置在两个清吹阀之间,当两个清吹阀都关闭时,电磁阀20VG-4带电打开来释放两个清吹阀间的压力。一旦任一清吹阀未关到位将导致放空阀不能正常开启,阀间压力达到设定值会触发有关燃气吹扫故障的联锁保护。

2.2 燃烧器清吹及联锁保护

当燃烧模式处在预混燃烧(PM)模式时,20PG-1、20PG-2电磁阀带电,清吹阀VA13-1打开,清吹阀VA13-2则是通过电-气定位器65EP-G1P输出4～20 mA模拟量信号来输出阀位开度指令,并对D5环管进行持续吹扫。限位开关33PG-1/33PG-2用于反馈清吹阀VA13-1的关/开状态,限位开关33PG-3/33PG-4/33PG-15用于反馈清吹阀VA13-2的全关/17%开度/55%开度状态。

放空阀VA13-8布置在两个清吹阀之间,当两个清吹阀都关闭时,放空电磁阀20VG-2带电打开来释放两个清吹阀间的压力。一旦任一清吹阀未关到位将导致放空阀不能正常开启,阀间压力达到设定值同样会触发有关燃气轮机吹扫故障的联锁保护。

3 清吹系统故障定义

判别清吹系统运行工况的控制机理是通过清吹阀组的开关反馈和清吹阀间的压力开关综合定义的。

以D5清吹阀组为例,定义PG1为D5清吹系统的运行状态,并对PG1赋值:PG1=0。具体策略如表2所示。

表2 D5清吹阀组运行状态判定方法

因为机组在运行时表2中①～⑤代表的事件非“真”即“假”,当对应事件为“真”时PG1累加代表该事件的定值,故潜在共有25=32种不同的排列组合情况,并根据故障程度分别对这32种潜在的运行工况定义为不同的故障类型参与逻辑判断。其中9FA机组的VA13-2清吹阀为气动调阀,设计时并没有显示VA13-2开反馈已到位的限位开关,而是需要通过逻辑综合判定,逻辑判定的实现方式将会在本文的3.3章节单独说明。

PM4清吹阀组清吹状态的计算公式与D5类似,定义PG3为计算累加结果并输出,具体策略如表3所示。

表3 PM4清吹阀组运行状态判定方法

当PM4清吹指令发出时,压气机出口的排气压力>413 Pa,等效于PM4清吹阀间压力高,任一条件为真都会使PG3=PG3+4累加。

3.1 清吹阀组关故障类型库

根据已建立的累加公式可总结归纳出如图2所示的清吹阀组关故障类型库。其中横坐标(0～31)代表清吹期间不同运行状态的组合,纵坐标代表清吹阀组(D5和PM4)在关闭过程中运行正常与否的定义。

图2 清吹阀组关故障类型库

图中纵坐标为0代表清吹阀组关过程无故障,1、2、3、4分别代表清吹阀组在关闭过程中发生了#1类、#2类、#3类、#4类故障。

以纵坐标为0时为例,对应横坐标为9,即D5清吹阀组中VA13-1、VA13-2的关反馈到位(PM4清吹阀组中VA13-5、VA13-6的关反馈到位),清吹阀间清吹压力不高。

3.2 清吹阀组开故障类型库

同理根据累加公式可总结出如图3所示的清吹系统开故障类型库。其中横坐标(0～31)代表清吹期间不同运行状态的组合,纵坐标代表清吹阀组(D5和PM4)在打开过程中运行正常与否的定义。

图3 清吹阀组开故障类型库

图中纵坐标为0代表清吹阀组开过程无故障,1、2分别代表清吹阀组在打开过程中发生了#1类、#2类故障。

以纵坐标为0时为例,对应横坐标为22,即D5清吹阀组中VA13-1、VA13-2的开反馈到位(PM4清吹阀组中VA13-5、VA13-6的开反馈到位),清吹阀间清吹压力高。

3.3 综合判定清吹阀VA13-2开到位的逻辑分析

为了准确反馈清吹阀VA13-2能否满足清吹的动作要求,共设计了三个限位开关结合不同运行工况综合判定的。其中l33pg2c=1表示VA13-2清吹阀已关到位,l33pg2o=1表示VA13-2清吹阀17%已开到位,l33pg2_3表示VA13-2清吹阀55%已开到位,判断逻辑流程图如图4所示。VA13-2清吹电磁阀动作时间在0～90 s时,且满足一定的工况条件,都可综合判断VA13-2清吹阀已开到位,不影响清吹系统正常工作,概括如下:

图4 清吹阀VA13-2开到位判别逻辑

(1) VA13-2清吹电磁阀动作时间小于40 s,VA13-2清吹阀关反馈消失。

(2) VA13-2清吹电磁阀动作时间在40～60 s之间,VA13-2清吹阀55%开反馈到位。

(3) VA13-2清吹电磁阀动作时间在60～90 s之间,D5清吹指令为真(L20PG1ON=1),且以下条件任一为“真”:①VA13-2清吹阀17%开反馈到位;② 燃气吹扫温度>240 ℉。

4 清吹系统控制策略

4.1 燃烧模式闭锁

4.1.1 PPM模式闭锁

机组在正常升/降负荷进行模式切换的过程中,PM4清吹阀组清吹故障导致PPM闭锁的逻辑流程图如图5所示。

图5 PPM模式闭锁

(1) 升负荷:当机组运行在SPPM模式下,PM4停止清吹且延时达到8 s,PM4清吹阀存在“关”故障(包括#1类、#2类、#3类、#4类),触发PPM模式闭锁,负荷限制。

(2) 降负荷:PM4开始清吹且延时达到50 s,PM4清吹阀存在“开”故障(包括#1类、#2类),触发PPM模式闭锁,负荷限制。

最后当故障消除后可由主控复位按钮(L83MR1=1)来解除闭锁继续升降负荷进行模式切换。

4.1.2 PM模式闭锁

当机组运行在PPM模式向PM模式切换的过程中,D5燃料阀关闭,D5清吹阀组对D5环管进行清吹,当出现以下故障工况时会触发PM模式闭锁导致模切失败,逻辑流程图如图6所示。

图6 PM燃烧模式闭锁

(1) 清吹压力低:当D5清吹指令发出,VA13-2清吹电磁阀动作时间在45～60 s之间,D5清吹压比仍小于94%。

(2) 燃气吹扫温度低:当机组已运行在PM模式下,D5清吹指令发出,VA13-2电磁阀动作时间大于60 s,D5清吹阀组的燃气吹扫温度<240 ℉,延时15 min触发。

(3) VA13-2清吹阀位置异常,当机组已运行在PM模式下,D5清吹指令发出,VA13-2清吹电磁阀动作时间大于90 s,且以下任一为“真”,触发PM模式闭锁,负荷限制:①VA13-2清吹阀17%开反馈到位;②VA13-2清吹阀关反馈到位。

(4) VA13-2清吹阀状态故障:清吹指令开始且延时50 s,D5清吹阀存在“开”#2类故障。

(5) 运行人员已事先选择PPM基本负荷模式。故障消除后可由主控复位按钮(L83MR1=1)来解除闭锁继续升降负荷进行燃烧模式切换。

其中D5清吹压比的计算公式为:

(1)

式中:C为压气机出口压力绝对值,Pa,由式(2)计算得到;fp为燃料气体歧管差压,Pa;K为常数0.94%。

C=af+ck+cd

(2)

式中:af为大气压力,Pa;ck为默认大气压力基准,Pa;cd为压气机排气压力,Pa。

4.2 自动停机

当机组运行在扩散燃烧模式下,以下条件任一满足,触发清吹系统故障导致机组自动停机,联锁逻辑流程图如图7示。

图7 清吹系统自动停机联锁逻辑

(1) D5清吹指令消失且延时8 s,D5清吹阀存在“关”#1类故障,触发清吹系统故障(L93GPF=1)为真,机组自动停机。

(2) PM4清吹指令发出且延时50 s,PM4清吹阀存在“开”#1、#2类故障,触发清吹系统故障(L93GPF=1)为真,机组自动停机。

清吹系统故障自动停机后会自动闭锁,待故障消除后可由主控复位按钮(L83MR1=1)来解除闭锁。

4.3 保护跳机

4.3.1 点火前清吹系统故障保护

点火前清吹系统故障的保护联锁逻辑如表4所示,当机组转速达到清吹转速(TNH≥14%),点火器未点火状态下,PM4清吹指令发出,清吹计时开始后50 s,PM4清吹阀组“开”状态仍存在故障(LG3PFO_0=0),则点火前清吹系统故障(L4GPF_PI=1)为“真”,触发保护动作跳机。

表4 点火前清吹系统保护联锁

4.3.2 主保护

清吹系统故障的主保护联锁逻辑如图8所示。

图8 清吹系统主保护联锁逻辑

(1) 对D5清吹阀组而言,当机组运行在任一燃烧模式下(扩散燃烧模式、SPPM模式、PPM模式、PM模式),D5停止清吹且延时达到8 s,D5清吹阀存在“关”#2、#3、#4类故障,触发清吹系统故障(L4GPFT=1)为真,主保护动作跳机。

(2) 对PM4清吹阀组而言,当机组运行在PPM模式或PM燃烧模式下,PM4停止清吹且延时达到8 s,PM4清吹阀存在“关”#2、#3、#4类故障,触发清吹系统故障(L4GPFT=1)为真,主保护动作跳机。

5 结论

燃气轮机清吹系统的稳定运行是燃气轮机在带负荷过程中燃烧模式能够正常切换的前提,也是燃气轮机安全高效运行的保障。本文介绍了9FA燃气轮机清吹系统的组成及吹扫过程,对清吹系统的控制策略进行深入解析,定义清吹系统不同的故障类型,分别对燃烧模式闭锁、自动停机、保护跳闸等控制逻辑进行了详细的阐述分析,对燃气轮机控制系统的全面国产化具有较为重要的实际参考价值和指导意义。