影響燃氣輪機運行和啟動的幾個因素

鄒志鴻

(望亭發電廠,江蘇 蘇州 215000)

0 引言

目前,燃氣輪機機組在我國電力企業所占比重正在逐步提升,而引進機組的容量也在相應增大。燃氣輪機機組與火電燃煤機組相比具有無可比擬的調峰優勢,在基本負荷工況下,穩定運行的燃氣輪機效率最高,但由于受天然氣供給不足以及電網負荷的影響,機組啟、停頻繁,可利用小時較少。

望亭發電廠 2臺 S109FA重型燃氣輪機是引進美國 GE公司的產品,于 2005年年底投產,從燃氣輪機發電的經濟性出發,往往采用一臺機組連續運行,另一臺機組早啟晚停的方式運行,以滿足電網需求。2臺機組在 2年多的時間內啟動都達到了數百次,經過不斷摸索,對燃氣輪機在不同季節的運行特性和啟停規律有了一定的了解。希望通過對影響啟動成、敗因素的總結,找到影響燃氣輪機啟動及運行的主要原因和解決方案,以不斷完善機組運行,從而在更安全的前提下充分挖掘機組的經濟潛力,延長機組使用壽命,更好地為電網服務。

1 影響燃氣輪機運行和啟動的幾個因素

1.1 設備的檢查和消缺

1.1.1 對燃燒器和壓氣機的檢查

GE的燃燒器和壓氣機葉片的工作時間都有嚴格的規定,在一定的周期內要進行檢查和更換,即使發電任務比較緊,也必須將機組停下來進行以上工作以保證設備的安全。壓氣機 R0級葉片長期工作在真空、高速、大流量的環境中,葉片容易受到空氣中夾帶的雜質和水分的侵蝕,長此以往,葉片的進氣邊會產生腐蝕并發展為裂紋。為此,GE公司將傳統的標準型 R0級葉片替換為葉根處帶有 P形切口的葉片,以提高葉片對這種惡劣環境的適應性。根據最近幾年P-CUT葉片的使用情況來看,在 P形切口的位置產生高應力并發展成裂紋,這種情況已經在多個電廠被發現。GE公司也承認這項技術改進是失敗的,因此,需要對 P-CUT的 R0級葉片進行更換,但由于標準型的 R0級葉片需求量大、生產運輸周期長,因此,在葉片更換以前,需定期安排停機時間并聯系 GE公司對葉片做超聲波探傷檢查。超聲波探傷檢查周期見表 1。

表1 壓氣機 P-CUT型 R0級葉片超聲波探傷檢查周期

對于調峰機組而言,由于低負荷及點火時間的增多,燃燒器工作條件惡化,折算壽命縮短,對應的更換周期也就縮短了,理想檢修周期見表 2。由于以上原因,在停機以后,要相應地增加對燃燒器和熱通道部分的孔探工作。

表2 S109FA燃氣輪機檢修周期

燃燒器在運行中出現排氣溫度異常或排氣分散度異常情況時,應加強檢查分析。若出現異常情況,在排除排氣熱電偶故障的因素后,就應檢查燃燒器是否受損。望亭發電廠就曾出現過上述情況,因分析及時并安排機組停機消除缺陷,更換了少數火焰筒后,機組馬上恢復了正常。

燃燒器和壓氣機葉片成了制約機組運行、啟動的重要原因。對上述工作的檢查需在軸系靜止的狀態下進行(即停運盤車),對于 S109FA機組來說,燃氣輪機與汽輪機共軸,停用盤車時汽輪機和燃氣輪機要同時滿足盤車停用條件,但由于汽輪機冷卻時間較長(需 5 d時間),導致葉片檢查需要更多時間,因此,機組的可利用率下降。尤其是這些主體設備的檢查、檢修和更換要由廠家和 GE協調后才能安排進行,所以制訂檢查、更換計劃很重要,否則,機組將不可避免地處于停用狀態。

1.1.2 天然氣供應及調節系統消缺

以天然氣為燃料的機組,不可避免地存在天然氣輸送途中的泄漏和其他影響,而燃氣輪機對天然氣入口品質、參數的要求很高,因此,穩定的天然氣供應及調節系統也成為燃氣輪機運行、啟動能否正常的關鍵。

在天然氣管線上設置了調壓裝置,和大多數電廠一樣,調壓裝置往往布置在室外,管線調壓裝置在冬季的防凍就顯得尤為重要。冬季燃氣輪機啟動時,由于天然氣壓力波動引起的機組啟動失敗,其大都是由于防凍措施不到位、調壓裝置工作失常造成的。在分析原因之后,對調壓裝置加裝了伴熱設施,在極端惡劣天氣條件下,管線調壓裝置對天然氣參數的維持滿足了燃機進口需求。

天然氣不會發生大規模泄漏,但令人頭痛的是燃料模塊和燃氣輪機艙內的泄漏。為了防止燃料在燃燒器內的積存,機組進入啟動程序后,燃氣輪機先執行泄漏試驗,只有合格后才點火,避免產生爆燃。燃料模塊內燃料的控制閥在多次啟、停和燃燒調整之后,閥體的嚴密性不可避免地會有所下降,這樣,在執行泄漏試驗時,就無法正常通過機組中斷啟動程序,需更換閥門才能解決。這種泄漏發生在管道內,筆者將其稱為內漏現象。

為保護燃氣輪機主設備的安全,機組設有危險氣體檢測系統,一旦天然氣往外泄漏并有積存,氣體濃度升高就會發出報警信號,如果繼續升高到跳閘值,控制程序會切斷燃料停機。如果泄漏的天然氣發生燃燒,CO2系統的溫度感應裝置會自動啟動CO2噴射滅火功能。這種泄漏發生在管道之外,筆者將其稱為外漏現象。外漏的部位通常在燃機倉和燃料模塊居多,密封件、閥體填料和法蘭墊片老化以及對密封件的預緊力不夠都會造成外漏現象,但有時剛換過新密封件的部位也會出現泄漏,其原因主要是存在溫差,因為天然氣管道在停用和投運時溫差很大,管道和閥體的膨脹也發生較大的變化,在目前的情況下,對溫差引起的管道伸縮泄漏尚無良策,只能采用停機后對密封件重新緊固的方法以消除影響。為防止危險氣體濃度高而中斷啟動程序,必要時增開 1臺通風風機臨時滿足啟動需要,但不能從根本上解決問題。

1.2 啟動過程中的影響

1.2.1 振動

S109FA是單軸機組,軸系長,影響整個軸系振動的因素非常多,望亭發電廠 2臺機組振動總體水平不錯,但在啟動和加負荷過程中,#3瓦振動較大并有突竄現象。通過研究 GE公司的 TIL技術通告并分析相關數據后得出結論:燃氣輪機運行時,由于燃氣輪機倉內的溫度升高導致了燃氣輪機前支撐腿的縱向延長,#1瓦中心線抬高,從而使與之相鄰的#3瓦負載減輕,容易發生油膜渦動;半倍頻振幅的增加導致了通頻振動數據的整體抬高。臨時采取了適當降低油溫的措施,利用停機對火焰筒聯焰管、天然氣及抽氣管道法蘭泄漏進行了消缺,但成效甚微。在隨后的工作中,對燃氣輪機的前支撐腿增設了閉冷水冷卻裝置,解決了運行中#1瓦中心線抬高的問題,收到了很好的效果,振動已恢復正常。

1.2.2 燃燒方式切換

燃氣輪機帶上負荷并向上加負荷過程中,燃燒方式將由PPM(先導預混模式)向 PM(預混模式)方式切換,這一切換過程的機組負荷在 230MW左右。在燃燒方式切換過程中,清吹門 VA 13-1的正常動作很重要,若動作不正常將導致燃燒方式切換失敗甚至跳機。隨著機組啟、停次數的增加,清吹門動作次數相應增加,該閥門氣動執行機構的密封件會發生老化失效,閥門的彈簧預緊力也會發生變化。所以,在停機后應不定期對 VA13-1的氣動執行機構和閥門緊力進行檢查和校驗,以測定開啟和關閉時間是否符合要求。如果確定清吹門有問題而暫時無法處理,那么,能做的就是在加負荷時強制燃燒方式以避免切換失敗帶來的風險,這樣會犧牲部分負荷,且對燃燒器運行極為不利。

1.2.3 啟動中的控制和調節

燃氣輪機啟動速度很快,而蒸汽輪機需要有一定的暖機時間,汽輪機進汽時,進汽溫度應與汽缸金屬溫度相匹配,同時注意控制汽缸熱應力。隨著燃氣輪機排氣溫度的上升,汽輪機入口處的溫度也在逐步上升,在一定的負荷工況內(由相應機組余熱鍋爐性能決定)減溫水量會增加,要注意維持蒸汽過熱度,汽溫的過高或過低都會使機組保護動作,從而影響啟動的進行。另外,余熱鍋爐高中壓汽包水位受汽壓影響比較大,所以,對旁路的動作情況一定要注意監視,以免水位保護動作。其他因素如加熱器的失常等,也會影響燃氣輪機啟動。

2 結論

影響燃氣輪機運行、啟動的因素很多,如 LCI、勵磁、發電機等方面的原因。某些元件或設備的故障最終都會導致啟動無法進行或失敗,本文只對常見的因素進行了探討。隨著對 S109FA機組認識的不斷加深,通過運行和檢修人員的不斷努力,會將這些因素的影響降至最低程度。