發電機功率異常引發燃氣輪機超溫跳機的原因分析

吳凡

(杭州華電半山發電有限公司,浙江 杭州 310015)

1 問題的提出

S109FA蒸汽 -燃氣聯合循環發電機組為大型單軸天然氣發電機組,由 9FA燃氣輪機、D10蒸汽輪機、三壓無補燃余熱鍋爐、390H氫冷發電機等 4部分組成,單臺容量 390MW。為保證聯合循環機組的安全運行,機組設置了一系列保護功能。其中,為保護燃氣輪機不因過熱而發生損害,專門設置了燃氣輪機超溫保護,這是一個后備系統,僅在燃氣輪機溫控回路發生故障時起作用。在正常情況下,燃氣輪機應在溫控回路的控制下運行。一旦燃氣輪機排氣溫度超過溫控限制值,燃氣輪機超溫保護將起作用,切斷燃料遮斷停機,可避免造成燃氣輪機熱通道部件的損壞。在機組運行中,可能引起燃氣輪機排氣溫度超溫的原因有很多,本文介紹的因發電機功率異常引起燃氣輪機超溫的原因雖非常見,但卻值得重視。本文有針對性地提出了處理對策,供同類型機組參考。

2 故障的起因

2008-02-05 T 10:09,杭州華電半山發電有限公司#3機組啟動,2008-02-15 T 10:35并網,2008-02-15 T 10:37:47.021燃機報警信號Q1273置 1,內容為:FSR LIMITED DUE TO DWATT XDUCER FAILURE(燃料行程基準因功率變送器故障受限),當時,機組實際起作用的 FSRN(轉速控制燃料行程基準)為 28.5%FSR。在 2008-02-15 T 10:37:47.061至 2008-02-15 T 10:37:47.460將近 0.4s的時間間隔內,燃機報警信號 Q1318置 1,內容為 MEGAWATT TRANSDUCER SIGNAL TROUBLE(功率變送器信號故障),含義為 DWATT1和DWATT2這 2個功率變送器的差值大于 3MW以上的某個值(根據 2功率變送器中最大值的 10%或者3MW高選)。當時發電機功率信號 DWATT(2個功率變送器的高選值)從 30MW下降到 -3.5MW后又恢復到 36MW,歷時 2 s左右。2008-02-15 T 11:46,在機組啟動過程中,進行到汽輪機高、中、低壓系統進汽完畢,聯合循環機組準備升負荷階段時,出現 FSR(燃料行程基準)限制為 30%FSR無法增加負荷的情況。經過熱控及電氣人員的檢查,判斷為因報警信號 Q1273置 1,導致機組無法增加 FSR,而該報警信號需要機組主復位才能消除。2008-02-15 T 12:39:53.639機組負荷 114MW,進行了機組主復位操作后,出現 FSR瞬間快速上升(3.5s內 FSR從 30%FSR上升到 66%FSR)導致燃氣輪機排氣超溫而出現無法控制的局面,2008-02-15 T 12:39:59.001機組因燃機排氣超溫跳機,當時負荷為192MW。

3 原因分析

要分析此次燃氣輪機排氣超溫跳機的原因,首先要從燃氣輪機 MK VI的主控制系統說起。MK VI設置了以下 7種自動改變燃氣輪機燃料消耗率的主控制系統:啟動控制系統(Start Up);轉速控制系統(Speed);溫度控制系統(Temperature);加速控制系統(Acceleration);停機控制系統(Shut Down);壓氣機壓比控制系統(Compressor Ratio);輸出功率控制系統(Dwatt)。

每個系統輸出相應的燃料行程基準(指令)FSR(Fuel Stroke Reference)分別為:啟動控制燃料行程基準 FSRSU;轉速控制燃料行程基準 FSRN;溫度控制燃料行程基準 FSRT;加速控制燃料行程基準 FSRACC;停機控制燃料行程基準 FSRSD;壓氣機壓比控制燃料行程基準 FSRCPR(或 FSRCPD);輸出功率限制燃料行程基準 FSRDWCK。

此外,還設置了手動 FSR控制,輸出信號為FSRMAN。8個 FSR基準量進入最小值選擇門,選出 8個 FSR中最小值作為輸出,以此作為該時刻實際執行用的 FSR控制信號指令。盡管任何時候這 8個系統各自都在運算和輸出,但某一時刻只有一個系統的輸出能夠通過最小值選擇門,所以,只有這一個指令才能發揮控制機組燃料量的作用。

下面再分析一下報警信號 Q1273 FSR LIMITED DUETODWATTXDUCER FAILURE(燃料行程基準因功率變送器故障受限)產生的原因。

每臺機組的2個功率變送器96GG-1和96GW-1的輸出經過高選作為發電機功率 DWATT的輸出。

機組并網以后,只要 DWATT＞2MW(DWKFLT),L3DWBCOK就置 1(Megawatt Transducer Signal Normal After Synch),表示發電機功率變送器正常。

反之,當機組并網后(L52GX=1),一旦出現L3DWBCOK為 0,就表示發電機功率變送器出現故障,經過 5s(K3DWBCOKYZ)仍然不能恢復正常,則導致L3DWBCOKYZ=1(Megawatt Transducer Signal Normal After Synch T.D)。該信號在機組并網 25 s后(L52GXZ=1)的相應條件下將一直保持到機組主復位動作。

L3DWBCOKYZ=1,則 L3DWCK=1(意味著功率變送器異常),這時機組已經在并網條件下(L52GX=1),控制系統發出報警 L3DWBCOKZ_AL(報警號 Q1273 FSR LIITED DUE TO DWATT XDUCER FAILURE)。

當L3DWBCOK=1“與 ”L3DWBCOKYZ=0(機組并網后 DWATT＞2MW后未出現連續 5 s以上的≤2MW)或者 L52GYZ=1(解列 5 s后),則將當前的 FSR值作為 FSR_LAST的值。

比較 FSR_LAST和 FSKDWCK(30%FSR),從兩者中取大值作為 FSRDWCK1的輸出。

當L3DWCK=0(功率變送器無故障)時,用最大值 100%FSR(FSRMAX)作為 FSRDWCK的輸出,就此退出對 FSR的限制控制。

當L3DWCK=1(功率變送器有故障)時,把FSRDWCK1的值作為 FSRDWCK輸出,它就有可能介入對 FSR的控制,起到限制 FSR輸出值的作用。

4 故障情況總結

在正常情況下,機組并網后發電機功率變送器沒有出現異常,就用 FSR_LAST保留當時的 FSR值。FSRDWCK1就等于 30%FSR或者大于 30%FSR的 FSR_LAST作為其輸出,隨時處于準備狀態。FSRDWCK則輸出 100%FSR,達到退出 FSR控制之目的。

在正常情況下,機組解列后 5 s內,FSRDWCK輸出 30%FSR與 FSR_LAST(通常是解列前功率在2MW以上當時的 FSR保留值)中的高選值,起到限制 FSR輸出值的作用。

在異常情況下,一旦出現機組并網后發電機功率變送器持續 5 s不大于 2MW,那么,FSRDWCK1輸出到 FSRDWCK,此時 FSRDWCK達到了限制FSR量值的作用。同時,發出通報報警信號 Q1273(FSR LIITED DUE TO DWATT XDUCER FAILURE)。

2008-02-15 T 10:37:47.021,杭州華電半山發電有限公司#3機組剛并網 2min,由于發電機功率變送器信號連續 5 s以上低于 2MW(事后發現該功率變送器反映的是真實的功率信號,當時,在機組并網后的確出現了短暫的逆功率現象,原因還未查明),觸發了報警 Q1273(FSR LIITED DUE TO DWATTXDUCER FAILURE),使 FSRDWCK的值從100%FSR切換為 30%FSR。由于當時的最小值 FSRN為 28%FSR,因此,實際的 FSR選擇并保持了28%FSR,機組燃料量的控制未出現變化。直到2008-02-15 T 11:46,當時機組負荷為 102MW,TNR(轉速控制基準 Speed Control Reference)為100.7%,FSRN,FSRACC和 FSRT分別為 30.6%FSR,30.4%FSR和 78.3%FSR,其余的 FSRCPR,FSRMAN,FSRSD,FSRSU均為上限指令 (100%FSR),而實際的 FSR限制在 30%FSR無法增加。

2008-02-15 T 12:39:53.639機組負荷 114 MW,TNR為 104.3%,當時的 FSRN,FSRACC和 FSRT分別為 81.3%FSR,30.5%FSR和 75.9%FSR,燃氣輪機排氣溫度 538℃。進行了機組主復位操作后,報警信號 Q1273置 0,FSRDWCK的值從 30%FSR恢復到 100%FSR,這時實際起作用的為 FSRACC,3.5 s內 FSRACC從 30.4%FSR上升到65.9%FSR,負荷上升到 196MW,排氣溫度上升到604℃之后,由于燃氣輪機排氣溫度上升迅速使 FSRT成為最小值,盡管 FSRT不斷下降,仍然無法阻止燃氣輪機排氣溫度的繼續升高,機組終于在2008-02-15 T 12:39:59.001因燃機排氣超溫(671℃)跳機,當時負荷 192MW,FSRT為 46.9%FSR。

此次跳機事件的發生,暴露出對輸出功率限制燃料行程基準 FSRDWCK的控制系統沒有足夠深入的了解,當異常情況出現時,在處理方法上存在著考慮不夠全面的情況。筆者事后對這次跳機的原因進行了深入分析,有針對性地對 FSR顯示菜單進行完善,添加了FSRDWCK的單項柱狀圖(圖 1中虛線框處),便于運行人員及時、直觀地掌握當前 FSR主導控制項,從而提高對機組當前運行情況的判斷能力,進而做出正確的處理。

圖1 添加了FSRDWCK的單項柱狀圖

5 預防對策

對于出現報警信號 Q1273 FSR LIMITED DUE TO DWATT XDUCER FAILURE的應對措施:

(1)運行人員首先應養成隨時關注報警欄的好習慣,一旦發現報警信號,應保持負荷穩定不變,請電氣專業人員確認功率變送器的可靠性;

(2)確認功率變送器可靠,機組可以繼續運行后,應檢查 FSR菜單,確認 FSRDWCK是否非最小值(即:非當前起作用的 FSR);

(3)如果 FSRDWCK非最小值,則可以進行機組主復位操作,觀察 FSRDWCK是否從 30%FSR恢復到 100%FSR,機組負荷應保持穩定;

(4)如果當時 FSRDWCK起作用(即 FSRDWCK為最小值),則應減負荷至 FSR小于 FSRDWCK(即FSRDWCK退出控制)后,再進行機組主復位。觀察FSRDWCK是否從 30%FSR(或 30%FSR以上的一個值)恢復到 100%FSR,機組負荷應保持穩定。

[1]張東曉,吳革新.大型燃氣 -蒸汽聯合循環發電技術叢書:控制系統分冊[M].北京:中國電力出版社,2009.