樓宇型燃氣分布式能源故障停運分析及對策研究

劉心喜，阮慧鋒，賈小偉，張鐘平

樓宇型燃氣分布式能源故障停運分析及對策研究

劉心喜，阮慧鋒，賈小偉，張鐘平

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310030）

燃氣分布式能源因就地消納、清潔、高效、靈活等優(yōu)點得到越來越多人的重視，但同時發(fā)現(xiàn)樓宇型分布式能源故障停運次數(shù)遠高于常規(guī)火電。以某電力集團在役4座樓宇型分布式能源站共16臺機組為例，分別對其2017年及2018年的故障停運次數(shù)及原因進行了分析，總結(jié)存在的共性問題及行之有效的降故障停運的措施，最后給出了提高機組可靠性的建議，為今后樓宇型分布式能源規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)及運行提供指導。

分布式能源；樓宇型分布式能源；故障停運；冷熱電三聯(lián)供

燃氣分布式能源是指以天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上[1]，并在負荷中心就近實現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式[2]。與傳統(tǒng)集中式供能方式相比，天然氣分布式能源具有能效高、清潔環(huán)保、安全性好、削峰填谷、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點[3]。燃氣分布式能源根據(jù)供能對象的不同一般分為區(qū)域型及樓宇型燃氣分布式能源。某電力集團提前謀劃，積極布局，率先在全國范圍內(nèi)建設(shè)燃氣分布式能源。自首個樓宇型項目2014年投產(chǎn)以來，各項目陸續(xù)投產(chǎn)，積累了大量的運行經(jīng)驗，運行期間發(fā)生多起故障停運事件。為了深入了解樓宇型分布式能源故障停運現(xiàn)狀，針對某電力集團4座樓宇型分布式能源站共計16臺機組，統(tǒng)計分析了其2017年及2018年停運次數(shù)及原因分析，剖析了減少故障停運采取的措施，同時也為今后樓宇型分布式能源規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)及運行提供了指導。

1 基本情況

某電力集團在主題樂園、會展中心、科研院校及商務(wù)中心建設(shè)樓宇型燃氣分布式能源項目，4座分布式能源站原動機均采用GE顏巴赫4 MW級內(nèi)燃機，一拖一配置溴化鋰冷熱水機組，并以電制冷機組、燃氣熱水鍋爐、蓄冷熱罐為調(diào)峰設(shè)備。在役樓宇型分布式能源企業(yè)基礎(chǔ)信息如表1所示。

2 故障停運情況

2.1 故障停運統(tǒng)計

2017年內(nèi)燃機4家共16臺機組，共發(fā)生170次故障停運，年臺均10.63次/臺。甲項目發(fā)生故障停運80次，臺均40次/臺；乙項目發(fā)生故障停運32次，臺均6.4次/臺；丙項目發(fā)生故障停運19次，臺均6.3次/臺；丁項目發(fā)生故障停運39次，臺均6.5次/臺。除甲項目由于天然氣品質(zhì)差、成分變化快導致過多故障停運外，其他3家內(nèi)燃機故障停運次數(shù)臺均約為6.4次/臺。

表1 某電力集團在役樓宇型燃氣分布式能源企業(yè)基礎(chǔ)信息表

序號項目名稱開工日期投產(chǎn)日期燃機裝機容量/MW項目類型原動機機型 1甲2012-102014-062×4.044 樓宇型GE顏巴赫內(nèi)燃機 2乙2013-052015-035×4.401 樓宇型GE顏巴赫內(nèi)燃機 3丙2014-092016-013×4.4 樓宇型GE顏巴赫內(nèi)燃機 4丁2014-042016-086×4.035 樓宇型GE顏巴赫內(nèi)燃機

2018年共發(fā)生21次故障停運，年臺均1.31次/臺。甲項目發(fā)生故障停運2次，臺均1次/臺，年總環(huán)比下降97.5%；乙項目發(fā)生故障停運6次，臺均1.2次/臺，年總環(huán)比下降81.3%；丙項目發(fā)生故障停運6次，臺均2.0次/臺，年總環(huán)比下降68.4%；丁項目發(fā)生故障停運7次，臺均1.2次/臺，年總環(huán)比下降82.1%。在役樓宇型分布式能源項目故障停運次數(shù)統(tǒng)計如圖1所示。

2.2 原因分析

故障停運原因中，因內(nèi)燃機火花塞或預(yù)燃室閥、電網(wǎng)波動、傳感器故障等造成的問題較為集中，原因基本可分為管理、內(nèi)燃機本體、邊界條件三大類，部分項目停運原因及次數(shù)統(tǒng)計如表2所示。

表2 丙丁項目2017—2018年故障停運原因及次數(shù)統(tǒng)計表

序號故障停運原因2017年2018年 丙丁丙丁 1預(yù)燃室閥堵塞、調(diào)節(jié)器失調(diào)122024 2火花塞造成點火電壓失調(diào)1700 3電網(wǎng)波動2210 4電氣保護、機組保護值設(shè)定1011 5機務(wù)（油泵故障、傳感器故障、電磁閥故障、蓄電池故障等）2522 6燃氣品質(zhì)因素0300 7SAFI模塊及導火電軌損壞0200 8機組誤報火警1000 總計—193967

管理方面，一方面燃氣分布式項目運行人員大多之前從事煤機等大型機組發(fā)電，對內(nèi)燃機組運行缺乏一定經(jīng)驗，對報警及警告未能作出提前預(yù)判，難以避免故障停機；另一方面，內(nèi)燃機企業(yè)發(fā)生故障跳機后，設(shè)備廠家以往對無明顯規(guī)律的故障或者不能確定的故障采取嘗試的方式排除故障，這樣往往人為造成故障跳機次數(shù)較多。

內(nèi)燃機本體方面，對于所采用的內(nèi)燃機，由于采用24缸設(shè)計，每個缸體需配備獨立的預(yù)燃閥與火花塞。內(nèi)燃機24個火花塞均以25次/秒的頻率持續(xù)放電，在任一預(yù)燃閥發(fā)生嚴重積碳或任一火花塞發(fā)生故障的情況下，均會引起機組跳閘。這一特性，導致集團內(nèi)幾乎所有的內(nèi)燃機組，由于火花塞或預(yù)燃閥引起的故障停運事件均在50%以上。2018年因預(yù)燃室閥問題故障停運中，甲項目1次，乙項目1次，丙項目2次，丁項目4次。

邊界條件方面，主要問題為電網(wǎng)故障波動、天然氣品質(zhì)差。特殊保護與邏輯固化問題導致故障停運問題突出，按照廠家要求對機組繼電保護進行整定，整定較為靈敏，因此，系統(tǒng)發(fā)生波動均會導致能源站機組跳閘。燃氣內(nèi)燃機設(shè)置了針對電網(wǎng)的特殊保護，用于在電網(wǎng)發(fā)生波動時避免逆向影響電機，進而損壞內(nèi)燃機部件。該保護對電網(wǎng)頻率及電壓波動過于敏感，且無延時，因此，整定值按照廠家默認值設(shè)定，如果電網(wǎng)發(fā)生微弱波動，則容易引起機組故障停運。而電網(wǎng)在一定范圍內(nèi)波動屬于必然事件，對電網(wǎng)參數(shù)的變化過于敏感，導致2017年此類問題頻發(fā)。而當前內(nèi)燃機普遍對天然氣成分波動過于敏感，同時，天然氣成分變化又是導致敲缸、預(yù)燃室閥積碳堵塞的重要原因，降低了機組運行的可靠性。

3 減少故障停運措施

3.1 管理方面措施

隨著燃氣分布式項目運行人員運行能力以及經(jīng)驗的增長，對機組運行情況有了更深刻的掌握，對一些報警及警告提前作出預(yù)判，根據(jù)報警重要程度區(qū)別對待，選擇繼續(xù)運行或手動提前停機，避免機組異常跳機。

針對內(nèi)燃機基建階段存在的問題，督促制造廠家徹底解決，避免同類事情再次發(fā)生而引發(fā)故障停運跳機。乙項目因排煙管破裂導致跳機4次，其中2次是煙氣泄漏導致氣缸測溫元件損壞，點火模塊高溫報警跳機。

內(nèi)燃機企業(yè)發(fā)生故障跳機后，以往對無明顯規(guī)律的故障或不能確定的故障采取嘗試的方式排除故障，這樣往往人為造成故障跳機次數(shù)較多。目前，一方面隨著內(nèi)燃機GE代理商維護技術(shù)能力的增強以及經(jīng)驗的增長，其處理故障的能力更強；另一方面，分布式能源企業(yè)也進一步要求內(nèi)燃機GE代理商提高技術(shù)水平，并對其維護工作制訂考核措施，對無法確定的問題堅決不允許隨意嘗試排除，只有比較有傾向的故障時才允許起機。兩方面共同舉措，因GE代理商處理故障而造成的停機次數(shù)大大減少。

生產(chǎn)管理與經(jīng)營管理之間存在一定的矛盾，燃氣分布式電廠人員定額較少，整體盈利能力也有限，分布式能源企業(yè)始終面臨著提高機組可靠性與增加企業(yè)運維成本的矛盾，導致運維成本和機組可靠性方面統(tǒng)籌欠缺。對于內(nèi)燃機企業(yè)，以往對預(yù)燃室閥以及火花塞都存在一定的超期使用或采用更換故障零件、新舊零部件混用模式，而現(xiàn)在大多采用定期停機統(tǒng)一更換預(yù)燃室閥及火花塞的方式，這樣顯著提高了機組的可靠性，但這無疑增加了運維成本。

3.2 技術(shù)方面措施

內(nèi)燃機火花塞及預(yù)燃室閥方面采取的措施如下：①運行人員加強對內(nèi)燃機24個氣缸廢氣溫度的監(jiān)視，定時查看運行機組的氣缸廢氣溫度，尤其是機組剛開機后的1 h內(nèi)更要經(jīng)常查看對比，如果溫度與正常值有偏差則要重點監(jiān)視，如果出現(xiàn)嚴重偏差或出現(xiàn)“氣缸廢氣溫度偏離平均值的最大值”黃色報警時，應(yīng)立即停機安排檢查處理；②日常運行時做好缸溫、點火電壓、點火正時的記錄工作，發(fā)現(xiàn)異常及時更換新的預(yù)燃閥；③運作好內(nèi)燃機所有火花塞、預(yù)燃閥的臺賬，詳細記錄火花塞、預(yù)燃閥的更換日期、運行時間、間隙調(diào)整，明確火花塞、預(yù)燃閥的更換周期，達到壽命期限時必須立即更換預(yù)燃閥，預(yù)燃室閥到期不再超期使用。

電網(wǎng)故障波動方面，責成內(nèi)燃機廠家對相關(guān)過于敏感的參數(shù)等相關(guān)定值進行充分論證后調(diào)整，后因固有值設(shè)定造成的停機大幅減少。

天然氣品質(zhì)方面，管道天然氣常會出現(xiàn)品質(zhì)波動大現(xiàn)象（夏季較少出現(xiàn)），主要是甲烷、乙烷、丙烷含量突增會導致內(nèi)燃機組產(chǎn)生爆震現(xiàn)象，此時，應(yīng)嚴密監(jiān)視點火正時及敲缸強度，超標則應(yīng)采取主動降負荷措施。天然氣品質(zhì)長周期波動時，安生部聯(lián)系公司計劃部發(fā)函給燃氣公司，要求燃氣公司說明原因并改善，確保機組的安全運行。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

統(tǒng)計范圍內(nèi)的燃氣分布式機組故障停運頻率遠高于常規(guī)火電，2018年較2017年故障停運次數(shù)整體大幅減少。各樓宇型分布式能源企業(yè)制定管理、技術(shù)方面措施并執(zhí)行，故障停運控制效果顯著，但仍有進一步提升空間，對內(nèi)燃機預(yù)燃室閥、火花塞引起的問題有待進一步解決。

4.2 建議

為了進一步提高燃氣分布式機組的可靠性，縮短故障停運時間，提出了以下建議：①加強頂層設(shè)計，降低運維費用。建議利用集團規(guī)模優(yōu)勢，在設(shè)備采購、安裝、維護階段進行合同談判，以制訂有利于降低運維費用的方法措施。②加強備品備件聯(lián)儲聯(lián)備，提高統(tǒng)籌效率。建議集團公司或各區(qū)域公司建立備品備件超市，統(tǒng)一購置調(diào)度備品配件以實現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置，減小資金壓力。③加強技術(shù)監(jiān)督，提高設(shè)備可靠性，加強故障停運事件回頭看，落實精益化管理。④加強檢修維護質(zhì)量，強化責任落實，加強對GE代理商的檢修維護工作監(jiān)督以及考核，嚴禁其隨意起機試錯來查找缺陷。⑤加強技能培訓，提高技術(shù)人員技能水平。⑥爭取電網(wǎng)氣網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)，降低外部干擾。

［1］國家發(fā)展和改革委員會，財政部，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，等，發(fā)改能源〔2011〕2196號.關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見［S］.2011-10-09.

［2］韓曉平.分布式能源艱難迎來曙光［J］.中國電力企業(yè)管理，2011（23）：85-89.

［3］吳波.分布式能源冷熱電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效分析與可比性方法研究［D］.北京：北京科技大學，2015.

TK478

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.027

2095－6835（2019）17－0063－02

劉心喜（1991—），男，江西贛州人，碩士研究生，工程師，主要從事分布式能源檢測、系統(tǒng)評價評估、可靠性管理研究工作。

〔編輯：張思楠〕