9E燃氣輪機清吹閥故障處理及改進方案

楊體佳

(珠海深能洪灣電力有限公司,廣東 珠海 519060)

在燃氣輪機發電中氮氧化物的合成類型多數屬于熱力型,因此GE公司的9E燃氣輪機在加載負荷的過程中,為了實現低氮燃燒,通過切換燃燒模式去降低燃燒室的燃燒溫度T2,并控制透平入口溫度T3,從而減少熱力型氮氧化物的產生,也保護透平熱通道金屬免受超高溫影響。因此9E燃燒系統為了實現低氮燃燒,配套燃料控制系統與清吹系統。

1 清吹系統

某電廠目前使用的兩套燃氣輪機為美國GE公司生產的PG9171E型機組。清吹系統由壓縮空氣控制的清吹閥20PG-3、20PG-4以及排空閥20VG-3組成,見圖1,三個閥門不能同時打開和同時關閉。20VG-3采用的是兩位三通的常閉電磁閥;20PG-3、20PG-4采用的是氣動三通閥,常開。清吹閥20PG-3/4在燃燒模式由貧貧燃燒模式向預混穩定燃燒模式切換的過程中得電動作關閉,其余時間打開,正常運行時排空閥20VG-3關閉,只有在清吹閥20PG-3/4關閉時才打開。

圖1 清吹系統改造前系統圖

9E DLN燃燒模式切換主要發生在燃氣輪機負荷70～80 MW、燃燒室溫度(TTRF1)1 079 ℃,DLN燃燒方式先由初級燃燒模式切換至貧貧燃燒模式,再由貧貧燃燒模式切換至預混穩定燃燒模式。下面是貧貧燃燒模式切換至預混穩定燃燒模式過程中的各閥門具體動作過程說明[1]。

1) 首先清吹系統退出,清吹閥20PG-3、20PG-4關閉,排空閥20VG-3打開,然后3#燃料控制閥(VGC3)由關閉位逐漸打開,1#燃料控制閥(VGC1)逐漸關閉直到完全關閉,2#燃料控制閥(VGC2)保持開度。此時燃料通過 VGC3全部進入二區,并只在二區燃燒,一區由于VGC1完全關閉,沒有燃料進入,一區火焰熄滅。DLN界面的火焰監測畫面只有二區E、F、G、H 4個顯示火焰,這個過程稱為二級切換模式。

2) 二級切換模式完成,VGC1關閉5 s后逐漸打開,同時VGC2 開度也逐漸增大,VGC3逐漸關閉直到完全關閉,然后投入清吹,清吹閥20PG-3、20PG-4打開,排空閥20VG-3關閉。燃料通過 VGC1、VGC2分別進入一區、二區,在一區內只發生混合,一區顯示無火焰,所有燃料在二區內進行燃燒,二區顯示有火焰,這個過程稱為預混切換模式。

3) 預混切換模式完成,即進入預混穩定燃燒模式,這時大約80%的燃料通過VGC1進入一區,20%的燃料通過VGC2進入二區,一區只發生混合,所有燃料在二區進行燃燒反應,此時工況下,NOx和CO排放達到較低水準。

2 清吹系統控制邏輯與保護

2.1 清吹閥關閉故障

當TTRF1達到設定值1 079 °C,控制系統由貧貧燃燒模式切換到預混穩定燃燒模式,燃氣輪機控制器(MarkVIe)發出二級切換模式(L3FXS1X )動作命令和清吹閥關閉(L3FGTC)指令,清吹閥20PG-3、20PG-4接收到指令后動作,實現關閉功能。

在壓縮空氣系統壓力大于0.75 MPa,在清吹閥收到關閉指令后[2],經過15 s的延時(L3FGTCZ),清吹閥關閉信號(L33PGTC)控制器沒有收到,這時MarkVIe就判斷清吹閥在低氮燃燒切換模式下關閉失敗(L86PGTLO)。此時火焰檢測系統檢測到一區有火焰信號存在(即L28FPDX為1),如果這時火焰檢測系統檢測到一區沒有火焰,那么機組將啟動點火槍對燃燒室一區天然氣進行重點火,此種情況下通常出現在機組降負荷停機過程中,燃燒模式由預混穩定模式切向貧貧燃燒模式時一區重點火。如果TTRF1達到擴展燃燒模式溫度(L26FXL3)設定值,MarkVIe控制器將機組燃燒模式由貧貧燃燒模式切向擴展燃燒模式(L83LLEXTX)。由于機組在擴展燃燒模式下運行時,透平熱通道承受比正常運行高出很多的燃燒溫度,且NOx排放量激增,因此不允許在此燃燒模式下運行的。當燃燒模式進入擴展燃燒模式時,值班員需要選擇“高負荷切換(High Load Transfer)”按鈕,并選擇“投入”。此時因為選擇了高負荷切換模式(L83HLT),機組自動升負荷指令(L70RX10)中斷,在Mark VIe的控制程序下停止升負荷,并開始自動降負荷使機組燃燒模式脫離擴展燃燒模式,最后故障消除,并經檢查無其他故障后再重新預選負荷,最后升負荷至預混穩定模式。

2.2 清吹閥打開故障

當清吹閥關閉指令中斷,如果經過55 s的延時等待,清吹閥的關閉信號還是存在,機組將發出清吹閥打開故障報警(L30PGTOF_ALM)。由于清吹閥打開操作通常發生在非初級燃燒模式階段,因此控制系統在清吹閥打開故障時,將觸發自動降負荷程序命令(L86PGVL),并發出清吹閥打開故障并開始自動降負荷(L86PGVL_ALM)。當燃燒模式進入初級燃燒模式,則自動降負荷命令(L70LX10)中斷,停止降負荷。

當機組負荷控制模式選擇為無差控制時(L83SCI_CMD),機組將執行自動停機邏輯(L94AX)自動停機。清吹系統控制邏輯模塊詳見圖2、圖3。

(a) 清吹閥打開條件邏輯、關閉失敗判斷邏輯

(a) 清吹閥打開故障報警邏輯、清吹閥打開故障自動降負荷邏輯

3 故障現象及處理過程

某電廠6#機正常啟機升負荷過程中,在由貧貧燃燒模式切換預混穩定燃燒模式過程中(燃氣輪機負荷預選95 MW),出現清吹閥打開失敗報警(L30PGTOF_ ALM)和清吹閥打開失敗自動降負荷報警(L86PGVL_ALM),DLN界面顯示清吹閥20PG-4為黃色并有“fault”提示,隨后燃氣輪機自動降負荷,降至初級燃燒模式后主復歸,使燃氣輪機負荷穩定在50 MW。

值班員到現場檢查,壓縮空氣系統正常,壓力穩定在0.78 MPa。將天然氣小間通風壓力低保護(L4VLFLT)強制為false后,進入天然氣小間檢查,發現清吹閥20PG-4未打開,清吹閥20PG-3打開正常。初步判斷為電磁閥滑閥卡澀,用銅制扳手輕輕敲擊該閥門電磁閥及缸體,最后清吹閥20PG-4能正常打開。

經過對清吹閥20PG-4的強制動作,閥門正常打開/關閉,最后對機組全面檢查無異常后,燃氣輪機再次升負荷。為防止再次打開失敗,在切換燃燒模式過程中始終用銅制扳手敲擊清吹閥20PG-4缸體,切換正常,清吹打開時間為30 s。

4 改進方案

針對6#機燃燒模式切換過程中清吹系統控制閥延時打開的問題,提出了3種改進方案。

(1) 更換清吹閥20PG-3/4。目前清吹閥20PG-3/4閥體采用氣動三通閥,沒有設置手動操作模式,當遇到清吹閥打不開或者關不上時,操作員無法做出有效的補救措施,只能依靠輕敲閥體或者對壓縮空氣疏水,無法實現在線故障處理,影響機組的調峰計劃。因此基于目前清吹閥沒有手動操作模式,可以將原有的清吹閥更換為帶手動操作的閥體,此方法雖然能夠解決清吹閥出現打不開或者關不上時就地完成在線補救,但是將整個閥體進行更換,成本高,改造工作量大。另外由于原有閥體為GE原產進口,更改閥體結構對清吹系統的安全和調節功能有影響,閥體的性能還需要符合相關標準和規定,還可能需要進口,此方案暫不考慮。

(2) 每次啟機前對清吹閥進行強制動作,觀察閥體打開/關閉的時間,檢查清吹閥是否卡澀,同時定期對清吹系統壓縮空氣進氣濾進行清洗或更換,避免因壓縮空氣質量導致清吹閥出現打不開/關不上的故障。另外壓縮空氣儲氣罐疏水電磁閥動作故障時,導致壓縮空氣濕度過高,特別是氣動機構不經常動作的,由于長時間壓縮空氣滯留于管道,會在低位處出現凝露現象,長此以往,進氣閥桿將有可能被閥體粘住無法動作。針對此種情況,可以在儲氣罐出口加裝干燥器,降低壓縮空氣濕度。在儲氣罐出口加裝干燥器,壓縮空氣漏氣點增加,且現場管路改造不便,最重要的是清吹閥打不開或關不上時不能實現在線處理,但是可以作為一個提高壓縮空氣系統安全性的改造,因此不考慮。

(3) 為實現在線快速處理故障,并考慮到清吹閥20PG-3/4為氣動三通閥,關閉時依靠壓縮空氣推動閥桿實現關閉,打開時卸掉氣缸中的壓縮空氣,依靠氣缸中的彈簧力推動閥桿打開?；谇宕甸y動作機理,可以考慮在壓縮空氣進氣管中加裝進氣隔斷閥,在閥體氣缸卸壓管道加裝隔斷三通閥,正常運行時,進氣隔斷閥打開,排氣隔斷三通閥關閉。

上面3種方案經過比較,加上考慮到故障發生時通常在機組升負荷過程中,需要能夠實現在線處理,方案1和3能夠實現,方案2無法實現在線處理,最后考慮經濟性,最終選擇方案3。但是方案3存在一個較大問題就是,清吹系統壓縮空氣管道口徑較小,在現有倉庫備件的隔斷閥中沒有對應管道口徑的閥門。最后考慮到清吹系統壓縮空氣動作壓力在0.4 MPa,接駁不同口徑管道的安全性是能夠依靠焊接方法實現接口處完全不漏氣。

采用第3種方案在清吹系統清吹閥控制氣源管道增加三個手動隔斷閥門,如圖4中壓縮空氣進氣隔離閥HV303、兩個排氣隔斷三通閥HV202HV204。燃氣輪機運行時當清吹閥20PG-3、20PG-4出現電磁閥卡澀或漏氣故障時,可關閉HV303阻隔動作氣源,打開HV202HV204卸掉氣缸壓力后進行更換。如清吹閥在啟機過程中出現不能打開故障,在判斷為清吹閥電磁閥閥體卡澀的情況下,可采取臨時措施:關閉進氣隔斷閥HV303,打開故障清吹閥對應的排氣隔斷三通閥HV202/HV204,將清吹閥氣缸內控制氣源排放,氣缸內氣源排放后清吹閥會自動打開。清吹閥動作正常時,無需操作上述三個隔離手閥,保持閥門正常的狀態,即HV303打開、HV202和HV204關閉。

圖4 改造后清吹閥系統圖

出現清吹閥打不開的故障屬于偶然發生事件,清吹系統改造完成后,未再次出現清吹閥打不開的故障。因此某電廠4#機清吹閥系統暫時沒有做改造,6#機改造后的效果到目前未得到有效驗證,但在理論上是滿足需求的。

清吹系統改造可以實現當機組運行過程中出現清吹閥打不開故障時,能夠及時到現場進行在線補救,避免因小故障致使機組非計劃停機,提高機組運行壽命,利于中調對電廠機組實時調控,減少計劃并網時差過大導致電廠受到調度機構的考核。清吹系統改造也是保證機組能夠安全穩定運行的一項安全措施,為值班員面對清吹閥出現故障時提供了在線搶救方法。

5 總結

機組出現清吹閥故障通常發生在機組升負荷切換燃燒模式過程中,通常是關閉后打開過程中出現打開超時,從而出現打開失敗故障。為了避免此類故障的發生,值班人員應熟悉清吹系統的保護控制邏輯,在條件允許的前提下,可以通過加長清吹閥打開的時間來加長故障處理時間,從而阻止自動降負荷的程序走向。除了在兩個清吹閥氣源管路加裝隔斷閥外,可以在機組啟機前試驗清吹閥動作情況,及時發現故障并消除。定期對清吹閥等重要閥體進行檢查,加強對控制氣源的巡視和維護,檢查控制氣源的疏水情況,排除因氣源濕度過大,導致閥體或閥桿出現銹蝕、卡澀等故障。