9FA燃氣輪機清吹系統分析

吳學崇,貢文明,周晟陽

(1.華電電力科學研究院有限公司,杭州 310030;2.江蘇華電戚墅堰發電有限公司,江蘇 常州 213011)

9FA燃氣輪機采用干式低氮氧化物的DLN2.0+燃燒系統,燃料控制閥由D5、PM1和PM4組合而成[1]。機組從啟動運行至滿負荷的過程中,根據機組實時的燃燒基準溫度,選擇投用部分或全部燃料閥,形成多種配氣模式,進而完成燃燒模式的切換,以達到降低NOx排放的目的[2]。當機組正常運行時,對于沒有燃料流經的燃氣支路,清吹系統會從壓氣機排氣中抽取一部分用作清吹空氣,維持一定的清吹壓力對燃氣環管進行持續吹掃,這樣不僅可以將支路中殘存的燃料吹掃干凈,也可以防止凝結水凝結導致回火、脫火、振蕩燃燒、負荷波動等問題[3]。

燃氣輪機清吹系統能夠正常工作是燃氣輪機安全穩定運行的重要保障,但清吹系統的故障率較高,極易發生燃燒模式閉鎖、自動停機等事故,對燃氣輪機運行乃至整個電廠的穩定性造成影響。國內關于清吹系統故障的案例比比皆是,相關從業人員也發表過相關技術論文,給出了改造建議和方案[4-7],但也僅停留在安裝工藝等設備層面,并沒有從控制原理出發深入分析故障原因,改造成本高且仍存在故障隱患。本文針對某電廠9FA燃氣輪機清吹系統控制進行邏輯解析,并詳細闡述因清吹系統故障導致燃燒模式閉鎖、自動停機、主保護跳閘等觸發原因,對燃氣輪機控制系統國產化具有較為重要的實際參考價值和指導意義。

1 清吹系統組成

燃氣輪機清吹系統布置在燃氣控制系統和壓氣機之間,系統如圖1所示,由以下組件共同構成:4只燃料清吹閥(VA13-1、VA13-2、VA13-5和VA13-6),4只燃料清吹電磁閥(20PG-1、20PG-2、20PG-5和20PG-6),2只燃氣放空閥(VA13-8和VA13-13),2只燃氣放空電磁閥(20VG-2和20VG-4),10只燃料清吹閥和放空閥的位置限位開關(33PG),4只清吹閥執行機構快速排氣閥(VA36-1、VA36-2、VA36-9和VA36-10),6只壓力開關(63PG-1A、63PG-1B、63PG-1C、63PG-3A、63PG-3B和63PG-3C),1只VA13-1清吹閥的儀用空氣壓力調節閥(VPR54-22),6支K型熱電偶,1只清吹閥的遠程位置調節器。

圖1 清吹系統圖

在機組啟動及正常燃燒模式過程中,清吹系統會從壓氣機排氣中抽取一部分空氣對沒有燃氣流經的環管進行吹掃。當D5燃料閥關閉后,D5清吹閥組啟動對D5環管進行吹掃;當PM4燃料閥關閉后,PM4清吹閥組啟動對PM4環管進行吹掃,以保證燃氣環管內部不會積聚易燃氣體。

2 清吹系統投退及聯鎖

9FA燃氣輪機在機組正常啟動至滿負荷的過程中,會依次經過擴散燃燒(初始)、亞先導預混燃燒(SPPM)、先導預混燃燒(PPM)、預混燃燒(PM)四個燃燒模式。在模式切換過程中需對應開啟的燃料閥如表1所示。

表1 不同燃燒模式下需對應開啟的燃料閥

機組啟動(加負荷),清吹系統的動作過程為:

(1) 機組啟動時,轉速達到清吹轉速設定值(TNH≥14%),清吹閥VA13-5、VA13-6打開,對PM4環管進行吹掃。

(2) 燃燒模式由SPPM上切至PPM模式時,清吹閥VA13-5、VA13-6關閉。

(3) 燃燒模式由PPM上切至PM模式時,清吹閥VA13-1、VA13-2打開,對D5環管進行吹掃。

停機(減負荷),清吹系統的動作過程為:

(1) 燃燒模式由PM模式下切至PPM模式時,清吹閥VA13-1、VA13-2關閉。

(2) 燃燒模式由PPM下切至SPPM模式時,清吹閥VA13-5、VA13-6打開,對PM4環管進行吹掃。

(3) 機組停機時,轉速低于冷托轉速設定值(TNH≤1.2%),清吹閥VA13-5、VA13-6關閉。

2.1 燃燒器清吹及聯鎖保護

當燃燒模式處在擴散燃燒(初始)模式時,20PG-5、20PG-6電磁閥帶電,清吹閥VA13-5、VA13-6打開,對PM4環管進行持續吹掃。限位開關33PG-9/33PG-10和33PG-11/33PG-12用于反饋清吹閥VA13-5的關/開和清吹閥VA13-6的開/關狀態。

放空閥VA13-13布置在兩個清吹閥之間,當兩個清吹閥都關閉時,電磁閥20VG-4帶電打開來釋放兩個清吹閥間的壓力。一旦任一清吹閥未關到位將導致放空閥不能正常開啟,閥間壓力達到設定值會觸發有關燃氣吹掃故障的聯鎖保護。

2.2 燃燒器清吹及聯鎖保護

當燃燒模式處在預混燃燒(PM)模式時,20PG-1、20PG-2電磁閥帶電,清吹閥VA13-1打開,清吹閥VA13-2則是通過電-氣定位器65EP-G1P輸出4～20 mA模擬量信號來輸出閥位開度指令,并對D5環管進行持續吹掃。限位開關33PG-1/33PG-2用于反饋清吹閥VA13-1的關/開狀態,限位開關33PG-3/33PG-4/33PG-15用于反饋清吹閥VA13-2的全關/17%開度/55%開度狀態。

放空閥VA13-8布置在兩個清吹閥之間,當兩個清吹閥都關閉時,放空電磁閥20VG-2帶電打開來釋放兩個清吹閥間的壓力。一旦任一清吹閥未關到位將導致放空閥不能正常開啟,閥間壓力達到設定值同樣會觸發有關燃氣輪機吹掃故障的聯鎖保護。

3 清吹系統故障定義

判別清吹系統運行工況的控制機理是通過清吹閥組的開關反饋和清吹閥間的壓力開關綜合定義的。

以D5清吹閥組為例,定義PG1為D5清吹系統的運行狀態,并對PG1賦值:PG1=0。具體策略如表2所示。

表2 D5清吹閥組運行狀態判定方法

因為機組在運行時表2中①～⑤代表的事件非“真”即“假”,當對應事件為“真”時PG1累加代表該事件的定值,故潛在共有25=32種不同的排列組合情況,并根據故障程度分別對這32種潛在的運行工況定義為不同的故障類型參與邏輯判斷。其中9FA機組的VA13-2清吹閥為氣動調閥,設計時并沒有顯示VA13-2開反饋已到位的限位開關,而是需要通過邏輯綜合判定,邏輯判定的實現方式將會在本文的3.3章節單獨說明。

PM4清吹閥組清吹狀態的計算公式與D5類似,定義PG3為計算累加結果并輸出,具體策略如表3所示。

表3 PM4清吹閥組運行狀態判定方法

當PM4清吹指令發出時,壓氣機出口的排氣壓力>413 Pa,等效于PM4清吹閥間壓力高,任一條件為真都會使PG3=PG3+4累加。

3.1 清吹閥組關故障類型庫

根據已建立的累加公式可總結歸納出如圖2所示的清吹閥組關故障類型庫。其中橫坐標(0～31)代表清吹期間不同運行狀態的組合,縱坐標代表清吹閥組(D5和PM4)在關閉過程中運行正常與否的定義。

圖2 清吹閥組關故障類型庫

圖中縱坐標為0代表清吹閥組關過程無故障,1、2、3、4分別代表清吹閥組在關閉過程中發生了#1類、#2類、#3類、#4類故障。

以縱坐標為0時為例,對應橫坐標為9,即D5清吹閥組中VA13-1、VA13-2的關反饋到位(PM4清吹閥組中VA13-5、VA13-6的關反饋到位),清吹閥間清吹壓力不高。

3.2 清吹閥組開故障類型庫

同理根據累加公式可總結出如圖3所示的清吹系統開故障類型庫。其中橫坐標(0～31)代表清吹期間不同運行狀態的組合,縱坐標代表清吹閥組(D5和PM4)在打開過程中運行正常與否的定義。

圖3 清吹閥組開故障類型庫

圖中縱坐標為0代表清吹閥組開過程無故障,1、2分別代表清吹閥組在打開過程中發生了#1類、#2類故障。

以縱坐標為0時為例,對應橫坐標為22,即D5清吹閥組中VA13-1、VA13-2的開反饋到位(PM4清吹閥組中VA13-5、VA13-6的開反饋到位),清吹閥間清吹壓力高。

3.3 綜合判定清吹閥VA13-2開到位的邏輯分析

為了準確反饋清吹閥VA13-2能否滿足清吹的動作要求,共設計了三個限位開關結合不同運行工況綜合判定的。其中l33pg2c=1表示VA13-2清吹閥已關到位,l33pg2o=1表示VA13-2清吹閥17%已開到位,l33pg2_3表示VA13-2清吹閥55%已開到位,判斷邏輯流程圖如圖4所示。VA13-2清吹電磁閥動作時間在0～90 s時,且滿足一定的工況條件,都可綜合判斷VA13-2清吹閥已開到位,不影響清吹系統正常工作,概括如下:

圖4 清吹閥VA13-2開到位判別邏輯

(1) VA13-2清吹電磁閥動作時間小于40 s,VA13-2清吹閥關反饋消失。

(2) VA13-2清吹電磁閥動作時間在40～60 s之間,VA13-2清吹閥55%開反饋到位。

(3) VA13-2清吹電磁閥動作時間在60～90 s之間,D5清吹指令為真(L20PG1ON=1),且以下條件任一為“真”:①VA13-2清吹閥17%開反饋到位;② 燃氣吹掃溫度>240 ℉。

4 清吹系統控制策略

4.1 燃燒模式閉鎖

4.1.1 PPM模式閉鎖

機組在正常升/降負荷進行模式切換的過程中,PM4清吹閥組清吹故障導致PPM閉鎖的邏輯流程圖如圖5所示。

圖5 PPM模式閉鎖

(1) 升負荷:當機組運行在SPPM模式下,PM4停止清吹且延時達到8 s,PM4清吹閥存在“關”故障(包括#1類、#2類、#3類、#4類),觸發PPM模式閉鎖,負荷限制。

(2) 降負荷:PM4開始清吹且延時達到50 s,PM4清吹閥存在“開”故障(包括#1類、#2類),觸發PPM模式閉鎖,負荷限制。

最后當故障消除后可由主控復位按鈕(L83MR1=1)來解除閉鎖繼續升降負荷進行模式切換。

4.1.2 PM模式閉鎖

當機組運行在PPM模式向PM模式切換的過程中,D5燃料閥關閉,D5清吹閥組對D5環管進行清吹,當出現以下故障工況時會觸發PM模式閉鎖導致模切失敗,邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 PM燃燒模式閉鎖

(1) 清吹壓力低:當D5清吹指令發出,VA13-2清吹電磁閥動作時間在45～60 s之間,D5清吹壓比仍小于94%。

(2) 燃氣吹掃溫度低:當機組已運行在PM模式下,D5清吹指令發出,VA13-2電磁閥動作時間大于60 s,D5清吹閥組的燃氣吹掃溫度<240 ℉,延時15 min觸發。

(3) VA13-2清吹閥位置異常,當機組已運行在PM模式下,D5清吹指令發出,VA13-2清吹電磁閥動作時間大于90 s,且以下任一為“真”,觸發PM模式閉鎖,負荷限制:①VA13-2清吹閥17%開反饋到位;②VA13-2清吹閥關反饋到位。

(4) VA13-2清吹閥狀態故障:清吹指令開始且延時50 s,D5清吹閥存在“開”#2類故障。

(5) 運行人員已事先選擇PPM基本負荷模式。故障消除后可由主控復位按鈕(L83MR1=1)來解除閉鎖繼續升降負荷進行燃燒模式切換。

其中D5清吹壓比的計算公式為:

(1)

式中:C為壓氣機出口壓力絕對值,Pa,由式(2)計算得到;fp為燃料氣體歧管差壓,Pa;K為常數0.94%。

C=af+ck+cd

(2)

式中:af為大氣壓力,Pa;ck為默認大氣壓力基準,Pa;cd為壓氣機排氣壓力,Pa。

4.2 自動停機

當機組運行在擴散燃燒模式下,以下條件任一滿足,觸發清吹系統故障導致機組自動停機,聯鎖邏輯流程圖如圖7示。

圖7 清吹系統自動停機聯鎖邏輯

(1) D5清吹指令消失且延時8 s,D5清吹閥存在“關”#1類故障,觸發清吹系統故障(L93GPF=1)為真,機組自動停機。

(2) PM4清吹指令發出且延時50 s,PM4清吹閥存在“開”#1、#2類故障,觸發清吹系統故障(L93GPF=1)為真,機組自動停機。

清吹系統故障自動停機后會自動閉鎖,待故障消除后可由主控復位按鈕(L83MR1=1)來解除閉鎖。

4.3 保護跳機

4.3.1 點火前清吹系統故障保護

點火前清吹系統故障的保護聯鎖邏輯如表4所示,當機組轉速達到清吹轉速(TNH≥14%),點火器未點火狀態下,PM4清吹指令發出,清吹計時開始后50 s,PM4清吹閥組“開”狀態仍存在故障(LG3PFO_0=0),則點火前清吹系統故障(L4GPF_PI=1)為“真”,觸發保護動作跳機。

表4 點火前清吹系統保護聯鎖

4.3.2 主保護

清吹系統故障的主保護聯鎖邏輯如圖8所示。

圖8 清吹系統主保護聯鎖邏輯

(1) 對D5清吹閥組而言,當機組運行在任一燃燒模式下(擴散燃燒模式、SPPM模式、PPM模式、PM模式),D5停止清吹且延時達到8 s,D5清吹閥存在“關”#2、#3、#4類故障,觸發清吹系統故障(L4GPFT=1)為真,主保護動作跳機。

(2) 對PM4清吹閥組而言,當機組運行在PPM模式或PM燃燒模式下,PM4停止清吹且延時達到8 s,PM4清吹閥存在“關”#2、#3、#4類故障,觸發清吹系統故障(L4GPFT=1)為真,主保護動作跳機。

5 結論

燃氣輪機清吹系統的穩定運行是燃氣輪機在帶負荷過程中燃燒模式能夠正常切換的前提,也是燃氣輪機安全高效運行的保障。本文介紹了9FA燃氣輪機清吹系統的組成及吹掃過程,對清吹系統的控制策略進行深入解析,定義清吹系統不同的故障類型,分別對燃燒模式閉鎖、自動停機、保護跳閘等控制邏輯進行了詳細的闡述分析,對燃氣輪機控制系統的全面國產化具有較為重要的實際參考價值和指導意義。