M251S型燃?xì)廨啓C(jī)出力不足故障分析及處理

張雪靜（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司動(dòng)力廠，河北涉縣056404）

0 引言

2017年，天鐵CCPP項(xiàng)目建設(shè)完成后，淘汰了部分老舊、效率低下的混燒鍋爐，極大地提高了煤氣利用效率，進(jìn)一步挖掘天鐵的生產(chǎn)潛力，創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益，總體優(yōu)化了全廠能源結(jié)構(gòu)。燃?xì)廨啓C(jī)工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，決定了燃?xì)廨啓C(jī)主要部件始終運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速、高溫、高壓的環(huán)境中。為了保證各部件能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求燃機(jī)的控制系統(tǒng)能夠及時(shí)切換到相應(yīng)的控制模式并介入控制，保證處于最惡劣工況下的部件也能夠在安全邊界內(nèi)運(yùn)行。因此，一旦測(cè)量?jī)x表出現(xiàn)誤差，將導(dǎo)致控制模式選擇出現(xiàn)偏差，致使燃機(jī)出力無法達(dá)到額定值，影響整體聯(lián)合循環(huán)熱效率，甚至造成燃?xì)廨啓C(jī)部件損壞。

1 燃機(jī)控制模式的選擇

燃機(jī)控制模式選擇基于最小值選擇（見圖1）確定由那種方式對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制，并輸出控制信號(hào)（CSO）。最小門選擇控制信號(hào)輸出，通過調(diào)節(jié)燃料流量控制閥，防止過度燃燒。同時(shí)控制型號(hào)輸出也會(huì)限制到一個(gè)對(duì)于無負(fù)荷燃燒運(yùn)行時(shí)必須的最小值，因?yàn)檫@樣控制，燃燒室火焰不會(huì)由于負(fù)荷瞬間變化而發(fā)生熄火現(xiàn)象。在升速過程中，低限制功能是被抑制的，因?yàn)閺妮^低轉(zhuǎn)速升速過程中需要增加額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最低燃料流量。

1.1 燃料限制控制（FLCSO）

燃料限制控制模式通過燃燒室外殼壓力和在加速限制內(nèi)的透平轉(zhuǎn)速所構(gòu)成的函數(shù)，來計(jì)算啟動(dòng)控制指令信號(hào)，并通過流量調(diào)節(jié)閥A、B來調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的燃料流量，從而控制燃機(jī)升速速率。

1.2 轉(zhuǎn)速控制模式（GVCSO）

轉(zhuǎn)速控制用于并網(wǎng)時(shí)，并在并網(wǎng)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出控制。在額定轉(zhuǎn)速和空載情況下，轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)可以通過控制來自自動(dòng)同步系統(tǒng)（ASS）或來自操作員站（OPS）的手動(dòng)指令的信號(hào)進(jìn)行改變。當(dāng)在負(fù)荷條件下選擇GOVERNOR時(shí)，轉(zhuǎn)速控制將調(diào)節(jié)透平轉(zhuǎn)速。

圖1 燃機(jī)控信號(hào)最小值選擇

1.3 負(fù)荷控制模式（LDCSO）

負(fù)荷信號(hào)控制輸出是比例和積分控制計(jì)算的結(jié)果，其輸入信號(hào)為實(shí)際燃機(jī)發(fā)電機(jī)輸出的和負(fù)荷基準(zhǔn)值之間的差值。此外，當(dāng)選擇速度控制模式時(shí)，負(fù)荷控制型號(hào)輸出LDCSO跟蹤燃料CSO的總和并加上一點(diǎn)偏差，以實(shí)現(xiàn)偏差控制下的負(fù)荷限定。

1.4 溫度控制模式（BPCSO/EXCSO）

溫度控制的目的是為了防止在透平入口的溫度過高，損傷燃機(jī)透平熱部件。熱電偶測(cè)量葉片通道溫度（BPT），葉片通道溫度是緊貼透平末級(jí)葉片后的排氣溫度，M251S型安裝有8支熱電偶。并在排氣段安裝有4支熱電偶測(cè)量排氣溫度（EXT）。排氣溫度基準(zhǔn)是通過燃燒室外殼壓力函數(shù)來確定的，通過排氣溫度基準(zhǔn)加上一點(diǎn)偏差來確定葉片通道溫度基準(zhǔn)點(diǎn)；排氣溫度基準(zhǔn)點(diǎn)與是實(shí)際排氣溫度平均值比較，葉片通道溫度基準(zhǔn)點(diǎn)與實(shí)際葉片通道溫度平均值比較。當(dāng)這些信號(hào)的偏差為正值是，比例積分控制器輸出信號(hào)（BPCSO和EXCSO）通過跟蹤燃料CSO的總和加上一點(diǎn)偏差量，來阻止過度積分或積分終止。當(dāng)偏差為負(fù)值時(shí)，比例積分控制器輸出信號(hào)將減少燃燒CSO，直到出現(xiàn)正偏差。

1.5 煤壓機(jī)防喘振控制（DCSO）

當(dāng)煤壓機(jī)出口壓力過度上升時(shí)，DCSO控制信號(hào)將接管燃機(jī)的控制，煤氣旁通控制閥（C）和煤壓機(jī)可變導(dǎo)葉動(dòng)作，以避免煤壓機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象。

2 故障現(xiàn)象

2017年8月，燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)負(fù)荷無法加載到額定負(fù)荷（27.7 MW）的情況（見表1）。經(jīng)檢查，當(dāng)時(shí)大氣溫度平均27℃，煤氣熱值設(shè)定為自動(dòng)控制模式，熱值儀顯示實(shí)測(cè)熱值平均3 050 kJ/m3，燃機(jī)控制模式由負(fù)荷控制模式（LDCSO）轉(zhuǎn)入排氣溫度控制模式（EXCSO）。由于天鐵CCPP機(jī)組屬于新投運(yùn)機(jī)組，在對(duì)比7月份同期數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)過早進(jìn)入了排氣溫度控模式，一旦排氣溫度控制信號(hào)接管燃機(jī)控制，則無論負(fù)荷是否達(dá)到設(shè)定值，燃機(jī)都將無法增加負(fù)荷。

燃機(jī)負(fù)荷及相關(guān)參數(shù)對(duì)比見表1。

從對(duì)比結(jié)果來看，7月份在大氣溫度達(dá)26.8℃、煤氣熱值均為自動(dòng)控制（控制值為：3 040 kJ/Nm3），燃機(jī)仍然可以加載到額定負(fù)荷27.7 MW。由此可以推斷，由于燃機(jī)過早進(jìn)入溫度控制，限制了CSO輸出，造成負(fù)荷不能加載到額定值。

表1 燃機(jī)負(fù)荷及相關(guān)參數(shù)

3 故障分析

燃?xì)廨啓C(jī)通過煤壓機(jī)壓縮高爐煤氣，與經(jīng)過空壓機(jī)壓縮的空氣在燃燒器內(nèi)混合燃燒并透平做功。同時(shí)，通過燃燒式熱值儀表對(duì)高爐煤氣的熱值進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入燃燒室內(nèi)的燃料熱值進(jìn)行控制，進(jìn)而控制透平溫度，以達(dá)到保護(hù)熱部件的目的。因此，燃?xì)廨啓C(jī)不能加載到額定負(fù)荷的故障，可能是由于煤壓機(jī)、空壓機(jī)、熱值儀的異常造成。

3.1 煤壓機(jī)異常分析

煤壓機(jī)效率計(jì)算公式如下：

式中，T1為煤壓機(jī)進(jìn)口溫度；T2煤壓機(jī)出口溫度；K為計(jì)算常數(shù)，取值為1.4；p1為煤壓機(jī)進(jìn)口壓力；p2為煤壓機(jī)出口壓力；e為煤壓機(jī)壓比。溫度為熱力學(xué)溫標(biāo)、壓力為絕對(duì)壓力。

煤壓機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 煤壓機(jī)相關(guān)參數(shù)

經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，煤壓機(jī)出力沒有明顯變化。燃機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)煤壓機(jī)效率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)算，并與對(duì)應(yīng)的VV閥開度所計(jì)算的理論效率進(jìn)行對(duì)比，如果偏差超過0.1%,控制系統(tǒng)即可發(fā)出效率低報(bào)警。2017年8月21日,燃機(jī)控制系統(tǒng)并沒有觸發(fā)煤壓機(jī)效率低報(bào)警。同時(shí)，運(yùn)行人員為了確保煤壓機(jī)出力在最佳狀態(tài)，于2017年8月23日對(duì)煤壓機(jī)進(jìn)行了兩次果殼清洗，但燃機(jī)出力沒有明顯改善。因此，可以判斷燃機(jī)不能正常加載至額定負(fù)荷的原因不是煤壓機(jī)工作異常。

3.2 空壓機(jī)異常分析

式中，T1為空壓機(jī)進(jìn)口溫度（大氣溫度）；T2為空壓機(jī)出口溫度（TCA冷卻器進(jìn)口溫度）；K為計(jì)算常數(shù)，取值為1.4；P1為空壓機(jī)進(jìn)口壓力；P2為空壓機(jī)出口壓力；e為空壓機(jī)壓比。溫度為熱力學(xué)溫標(biāo)、壓力為絕對(duì)壓力。

燃機(jī)空壓機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3 空壓機(jī)相關(guān)參數(shù)

由于空壓機(jī)出力將影響到燃機(jī)燃空比，進(jìn)而影響到燃燒溫度及透平熱效率。經(jīng)過對(duì)空壓機(jī)數(shù)據(jù)分析及效率計(jì)算可看出，空壓機(jī)出力無明顯下降，效率也維持在較高狀態(tài)。同時(shí)，空氣過濾器進(jìn)口差壓保持在-1 000 Pa允許值以內(nèi)。為了排除空壓機(jī)效率問題，運(yùn)行人員于2017年8月22日，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了3次在線水洗，然而清洗完成后，燃機(jī)負(fù)荷狀況沒有改善，綜合計(jì)效率計(jì)算數(shù)值與控制數(shù)據(jù)，可以排除空壓機(jī)異常原因。

3.3 熱值儀異常分析

煤氣用量數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

由于燃機(jī)熱值控制室基于熱值儀對(duì)于煤氣熱值的準(zhǔn)確測(cè)量。如果測(cè)量值偏高，將觸發(fā)燃機(jī)減熱值控制，對(duì)煤氣中摻混入氮?dú)猓斐擅簹鉄嶂当热紮C(jī)控?zé)嶂灯?；如果測(cè)量值偏低，將觸發(fā)燃機(jī)增熱值控制，對(duì)煤氣中摻混入焦?fàn)t煤氣，造成煤氣熱值比燃機(jī)控制熱值偏高。熱值偏低的情況下，將造成煤氣需求量偏大，當(dāng)煤氣用量超過煤壓機(jī)出力范圍時(shí)，將造成燃機(jī)負(fù)荷不能加載到額定負(fù)荷。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，2017年8月21日燃?xì)廨啓C(jī)煤氣煤氣用量偏低，燃機(jī)煤氣流量并未達(dá)到煤壓機(jī)出力極限，所以可以排除煤氣熱值低的因素；熱值偏高的情況下，將造成煤氣需求量減小，同時(shí)由于煤氣熱值高，其燃燒溫度就會(huì)偏高，有可能造成透平溫度高，觸發(fā)燃機(jī)溫度保護(hù)，過早進(jìn)入溫度控制模式。2017年8月24日，儀控人員對(duì)熱值儀進(jìn)行了兩次在線效驗(yàn)，效驗(yàn)結(jié)果表明：熱值儀測(cè)量值比零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)氣體熱值高70 kJ/Nm3；比量程效驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)氣體熱值高50 kJ/Nm。發(fā)現(xiàn)熱值儀異常后，經(jīng)過對(duì)熱值儀進(jìn)行校準(zhǔn)，投入運(yùn)行后，控制模式轉(zhuǎn)入負(fù)荷控制模式，燃汽輪機(jī)控制信號(hào)輸出增加，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷加載至額定值27.7 MW，故障排除。經(jīng)測(cè)算故障排除后，燃機(jī)平均每小時(shí)提高負(fù)荷1 500 kW/h，每個(gè)月提升經(jīng)濟(jì)效益超過50萬元。

表4 煤氣流量及旁通閥開度

1 500 kW·h指每小時(shí)提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)功率；24 h指每天按照24小時(shí)計(jì)算；0.5元指電價(jià)按照0.5元的平均電價(jià)核算。

4 熱值儀異常原因分析

事后經(jīng)分析，認(rèn)為造成熱值儀異常的原因有以下幾點(diǎn)：

2017年8月21日，開機(jī)前熱值儀效驗(yàn)過程可能存在零點(diǎn)及量程效驗(yàn)不準(zhǔn)確的情況，造成熱值儀測(cè)量值存在偏差。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，熱值儀校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)氣體已經(jīng)超過保質(zhì)期，可能造成標(biāo)準(zhǔn)氣體成分發(fā)生變化，從而影響了熱值儀效驗(yàn)準(zhǔn)確性。

運(yùn)行中還發(fā)現(xiàn)，一旦熱值儀采樣氣體熱值超過熱值儀的量程，就會(huì)造成熱值儀表量程的偏移，給后續(xù)測(cè)量造成誤差。

5 結(jié)束語

M251S型燃?xì)廨啓C(jī)一鍵啟動(dòng)及全自動(dòng)控制的特點(diǎn)，決定了燃?xì)廨啓C(jī)控制特別依賴于儀表精確度及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)度，一旦測(cè)量值不準(zhǔn)確或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出精度不良，就會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生偏差，有可能造成機(jī)組故障保護(hù)跳機(jī)，甚至設(shè)備損壞。因此，燃?xì)廨啓C(jī)的日常維護(hù)就顯得尤為重要，只有通過日常細(xì)致的點(diǎn)檢和精心的維護(hù)才能保證燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益。