某SGT5-8000H燃氣輪機葉片流道溫度保護故障分析及處理

劉潤澤

(華電福新廣州能源有限公司, 廣州 511300)

燃氣輪機是將連續流動的氣體作為工質帶動葉輪高速旋轉,進而將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械,是多學科耦合的復雜產品。由于我國燃氣發電技術的起步較晚,多數在役機組為捆綁招標引進的F級燃氣-蒸汽聯合循環機組,因此關于H級燃氣輪機的文獻一般注重于概述性介紹,涉及其保護方面的探討非常有限且并不深入。西門子公司生產的H級燃氣輪機是西門子公司綜合了V94.3A系列燃氣輪機和原西屋公司W系列燃氣輪機的成熟技術而創新研發的燃氣輪機。截至2023年1月13日,西門子公司已向全球銷售第100臺SGT5-8000H燃氣輪機,該類型燃氣輪機在發電領域的應用日益廣泛。葉片流道溫度作為燃氣輪機的重要監測參數,其測點在H級燃氣輪機上的布置方式也更加成熟,圍繞葉片流道溫度設置的相關保護既是監視燃燒器工作狀態的有效手段,也是保證運行人員及設備安全的有力防線。

筆者依托已建成并投產的國內首臺SGT5-8000H燃氣輪機機組[1-8],結合機組的運行維護經驗,總結關于葉片流道溫度保護的相關測點布置和邏輯組態解析,同時列舉機組運行過程中出現的相關問題及解決辦法,以期為國內同類型機組的運行維護工作提供參考。

1 葉片流道溫度的測量

某電廠配有2套SGT5-8000H型燃氣-蒸汽聯合循環冷熱電三聯供機組,每套機組由1臺燃氣輪機、1臺燃氣輪機發電機、1臺余熱鍋爐、1臺汽輪機和1臺汽輪機發電機組成,采用分軸布置。其中,燃氣輪機葉片流道溫度的測量元件為沿透平末級葉片出口圓周均勻布置的16個三支N分度熱電偶元件(見圖1,熱電偶的編號為MBA28CT101-MBA28CT116)。每個三支熱電偶中的兩支用于輸出兩組信號并將其送至燃氣輪機控制系統,另外一支作為備用。兩組信號分別通過補償導線接入控制柜內的溫度變送器(Sitrans TR200和MTP300I-SIL-N),然后接入故障安全型模擬量輸入卡件SM336。

圖1 SGT5-8000H燃氣輪機葉片流道溫度測點布置

西門子公司F級燃氣輪機則設置24個葉片流道溫度測點,這是因為F級燃氣輪機燃燒室為環形燃燒室,而SGT5-8000H燃氣輪機燃燒室采用了由16個燃燒器組成的環管式結構[9]。設計16個葉片流道溫度測點的目的也是為了通過監測葉片流道溫度的分布情況,更好地監視16個燃燒器的工作狀態,一旦某個燃燒器出現異常,及時觸發停機等相關保護。

2 葉片流道溫度保護

2.1 葉片流道溫度保護設置的意義

燃氣輪機的透平葉輪及葉片在高溫高速的條件下工作,需要承受巨大的離心應力,材料強度隨著溫度的升高顯著降低,因此在運行過程中一定要控制透平入口溫度。同時,為了保證燃氣輪機獲得最大的輸出功率和最高的效率,需要使透平入口溫度盡可能得高一些。重型燃氣輪機燃燒室出口處溫度極高且溫度場分布不均勻,很難測得燃氣的平均溫度。

在環境溫度和燃氣輪機轉速不變的穩定工況下,因為透平出口溫度(即葉片流道溫度)與透平入口溫度的變化趨勢是相同的,并且溫度遠低于透平入口溫度,所以通過葉片流道溫度來間接監測燃氣輪機的燃燒情況[10]。同時,由于燃氣輪機透平葉片級數少,燃氣流速快,燃燒室中燃料的變化將迅速地反映在葉片流道溫度的變化上,從而也能及時反映出各個燃燒器的工作情況。在燃燒器發生異常時,需要及時觸發保護回路,保證設備安全。

2.2 葉片流道溫度保護設置

SGT5-8000H燃氣輪機葉片流道溫度保護分別組態于西門子公司T3000控制系統普通邏輯與故障安全邏輯(Fail-Safe)中。故障安全邏輯包括熱電偶元件故障保護、分散度(也稱冷點溫度,即葉片流道溫度中的最低值與16個葉片流道溫度平均值的偏差)保護及流道溫升異常保護。其余部分設置在T3000控制系統普通邏輯內,如熱點溫度保護等,并且按故障程度分別觸發燃氣輪機減負荷、快速甩負荷及跳閘。以下僅對跳閘保護邏輯進行主要介紹。

2.2.1 熱電偶元件故障保護

以下情況會觸發燃氣輪機葉片流道分散度保護:

(1) 若16個三支熱電偶中的兩支在用通道存在任意一個通道壞點或控制系統一個掃描周期(400 ms)內溫度突變超過90 K,則單支報故障。對于一個掃描周期內溫度突變的故障報警,若下一個掃描周期內溫度變化低于90 K且兩支溫度偏差小于28 K,溫度突變導致顯示報警復位。

(2) 若16個三支熱電偶中任意1個元件的兩支在用通道同時報故障,則觸發機組順停。若16個三支熱電偶中任意2個元件的兩支在用通道均存在壞點,則觸發燃氣輪機跳閘。

設置此保護邏輯的目的是為了防止燃氣輪機在完全不能對某個流道溫度進行監視的情況下運行,保障設備的安全性與可靠性。

2.2.2 分散度保護

分散度保護邏輯用于檢測燃燒器是否存在熄火現象,防止爆燃損壞通道。保護定值隨燃氣輪機轉速的變化而改變。

以下情況會觸發燃氣輪機葉片流道分散度保護:

(1) 燃氣輪機轉動頻率小于26.67 Hz時,任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取大,一支壞點則剔除后取好值)比16個葉片流道的平均溫度低40 K,燃氣輪機跳閘。

(2) 燃氣輪機轉動頻率在26.67～47 Hz時,任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取大,一支壞點則剔除后取好值)比16個葉片流道平均溫度低60 K,燃氣輪機跳閘。

(3) 燃氣輪機轉動頻率大于47 Hz時,任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取大,一支壞點則剔除后取好值)比16個葉片流道平均溫度低89 K,則觸發燃氣輪機跳閘。針對該情況,在B、C級燃料閥由開到關的30 s內,若任一葉片流道溫度比16個葉片流道平均溫度低149 K,則觸發燃氣輪機跳閘。燃氣輪機降負荷至50 MW時,B、C級燃料閥關閉,平均葉片流道溫度快速下降了40 K左右。

2.2.3 熱點溫度保護

如果某個燃燒器向燃燒室提供了太多燃料,會引起燃氣輪機下游局部過熱。葉片流道溫度某一點或幾點溫度明顯偏高,會觸發燃氣輪機葉片流道熱點溫度保護跳閘,主要包括以下幾種情況:

(1) 燃氣輪機已點火且轉動頻率小于41.5 Hz的情況下,任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取大,一支壞點則剔除后取好值)比葉片流道平均溫度高72 K,延時2 s后燃氣輪機跳閘。

(2) 燃氣輪機轉動頻率在41.5～47 Hz時,任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取大,一支壞點則剔除后取好值)比葉片流道平均溫度高83 K,延時2 s后燃氣輪機跳閘。

(3) 轉動頻率大于47 Hz時,任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取大,一支壞點則剔除后取好值)比葉片流道平均溫度高60 K,延時2 s后燃氣輪機跳閘。

(4) 燃氣輪機負荷高于/低于11%額定負荷的30 s內或D級燃料閥開啟/關閉后的30 s內,任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取大,一支壞點則剔除后取好值)比葉片流道平均溫度高120 K,延時2 s后燃氣輪機跳閘。

2.2.4 葉片流道溫度高保護

葉片流道溫度高保護主要為了保證燃氣輪機各部件溫度不超過允許的最高溫度,以防止損壞設備,主要包括以下幾種情況:

(1) 任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取小,一支壞點則剔除后取好值)高于705 ℃,觸發燃氣輪機以15 MW/min的速度降負荷,直至溫度下降后停止。

(2) 任一葉片流道溫度(質量判斷后雙支取小,一支壞點則剔除后取好值)高于710 ℃,觸發燃氣輪機跳閘。

2.2.5 葉片流道溫升慢保護

在燃氣輪機從點火到轉動頻率升至50 Hz的過程中,葉片流道溫度逐漸升高,其中溫升速度也是判斷燃燒器是否處于正常狀態的重要依據。此保護主要分為兩個方面,一方面是對16個葉片流道的平均溫升進行監視,另一方面是對點火后溫升最小的葉片流道溫度進行監視。

具體保護內容為:

(1) 燃氣輪機點火后的50 s內且燃氣輪機轉動頻率小于22.5 Hz的條件下,若平均葉片流道溫度與點火前的最高葉片流道溫度相比,平均葉片流道溫升小于120 K,則觸發燃氣輪機跳閘。

(2) 燃氣輪機轉動頻率在22.5～47 Hz時,若平均葉片流道溫度與點火前的最高葉片流道溫度相比,溫升小于270 K,則觸發燃氣輪機跳閘。

(3) 燃氣輪機點火成功延時20 s且轉動頻率小于47 Hz條件下,若16個葉片流道溫度中最小的葉片流道溫升小于83 K,則觸發燃氣輪機跳閘。

3 相關故障的處理

葉片流道溫度保護作為SGT5-8000H燃氣輪機的重要保護之一,一旦出現問題,會嚴重影響機組的安全穩定運行。

3.1 卡件故障引起葉片流道溫度出現壞點

燃氣輪機在帶負荷運行過程中曾出現過報警,報警內容為MBA28CT101-MBA28CT106熱電偶單通道存在壞點(信號中斷)。根據葉片流道溫度保護設置,如果16個三支熱電偶中任意2個元件的兩支在用通道均存在壞點,則燃氣輪機跳閘。若不及時處理,則會大大增加燃氣輪機非計劃停機的風險。通過查閱設計圖紙得知,發生故障的6個葉片流道溫度信號均接入同一個卡件(即故障安全型模擬量輸入卡件SM336)。因此,葉片流道溫度出現壞點很大概率是由卡件故障引起的。在更換卡件的過程中,首先斷開卡件的空氣斷路器,取下接線端子,再松開卡件的固定螺絲,將卡件從背板上取下。安裝新卡件前,應確保新卡件上的撥碼與舊卡件一致,再安裝接線端子,連通空氣斷路器,并且在控制系統畫面上點擊“故障安全復位”按鈕。

在更換新卡件后,故障葉片流道均恢復正常,溫度信號在接入瞬間無跳變。此次故障處理可以為同類型卡件在線更換工作提供經驗支持。

3.2 點火升速過程中分散度保護動作跳閘

機組在啟動升速過程中,曾出現燃氣輪機點火后轉動頻率升至約18 Hz時,分散度保護動作,燃氣輪機跳閘。經檢查,各葉片流道溫度元件均正常。燃氣輪機轉速降至盤車轉速后重新點火啟動,分散度保護再次動作,機組啟動失敗。圖2為保護動作時的分散度變化曲線,圖3為保護動作時的9號、16號燃燒器的葉片流道溫度對比曲線。

圖2 保護動作時的分散度變化曲線

圖3 保護動作時的9號、16號燃燒器的葉片流道溫度對比曲線

位于燃氣輪機底部的9號燃燒器位置的葉片流道溫度明顯偏低,這是引起分散度保護動作的直接原因。9號燃燒器的葉片流道溫度在燃氣輪機跳閘時刻約為262 ℃,16號燃燒器位置的葉片流道溫度此時約為316 ℃,溫度偏差達到54 K,分散度已經達到50 K,遠超分散度保護動作值(40 K)。經過綜合分析,判斷該故障可能是由相關位置燃燒器燃料量異常引起的,因此拆除底部各燃燒器進氣噴管進行檢查。通過檢查發現,底部燃燒器A、B級進氣噴管濾網處存在一定量的細小顆粒物堵塞濾網的現象,進而影響底部燃燒室的燃料量,造成燃氣輪機底部燃燒器的葉片流道溫度偏低,分散度保護動作。

在對全部的16個燃燒器的A、B級進氣噴管濾網進行清洗后,燃氣輪機順利啟動。圖4為清洗后啟動的分散度變化曲線,圖5為清洗后啟動的9號、16號燃燒器的葉片流道溫度對比曲線。9號與16號燃燒器的葉片流道溫度偏差小于4 K,平均分散度約為10 K,遠低于保護動作值。

圖4 清洗后啟動的分散度變化曲線

圖5 清洗后啟動的9號、16號燃燒器后的葉片流道溫度對比曲線

4 結語

基于某SGT5-8000H燃氣輪機葉片流道溫度保護的測點布置方式和保護邏輯,分析并介紹了機組運行過程中與葉片流道溫度保護相關的兩起故障的處理方式。第一起是卡件故障引起的多個葉片流道溫度測點故障,此時只需要按照步驟更換卡件,在線更換后故障葉片流道溫度均恢復正常,溫度信號在接入瞬間無跳變。第二起是在機組啟動升速過程中分散度保護動作,針對該故障可以結合歷史曲線,觀察各燃燒器對應的葉片流道溫度偏差,綜合分析判斷可能存在問題的燃燒器的位置,并且檢查燃燒器的進氣噴管濾網,必要時進行清理,及時消除故障,保證機組安全穩定運行。

在H級燃氣輪機逐漸成為新建聯合循環機組的首要選擇的背景下,加強葉片流道溫度保護是保證燃氣輪機機組正常運行的必要工作。通過所探討的相關內容,可以為H級燃氣輪機電廠的日常運行維護及故障處理提供一定的參考。