燃氣輪機負荷震蕩原因分析及措施

蘆利生

【摘 要】通過查詢相關程序得到了燃氣輪機負荷控制切到速度控制條件所需的兩個條件，分析了負荷震蕩的原因，給出了天然氣值班氣閥開度過小的解決措施，措施實施后解決了負荷、NOx排放、值班氣閥開度、熱值四者之間最佳配比問題。確保了燃氣輪機安全、環保、可靠運行。

【關鍵詞】燃氣輪機；負荷震蕩；值班氣閥；預混燃燒

0 前言

某廠裝設有兩套德國西門子E級V94.2型燃氣輪機，單套容量220MW，其中燃氣輪機容量140MW，汽輪機容量80MW。燃氣輪機操作系統是西門子SPPA—T3000系統。該廠燃氣輪機以天然氣為燃料，一部分是國外進口的卡塔爾LNG氣源，甲烷含量約90%，熱值約37MJ/m3；另一部分是海南東方1-1和樂東氣源，甲烷含量約70%，熱值約28MJ/m3。2014年已經完成兩套機組的低氮改造項目，改造后正常運行時燃燒方式改為預混燃燒，啟、停機和低負荷時仍是擴散燃燒。由于氣源熱值變化幅度大，所以對燃燒系統要求比較高。

1 事例情況

2017年7月12日和13日分別對兩套燃氣輪機組的發電機進行了PSS參數整定試驗，7月11日按中調要求要求退出了PSS功能模塊，8月19日按整定后的參數重新投入PSS功能模塊。在此期間，7月18日至27日10天時間內GT11機組負荷在50MW左右時出現了四次負荷震蕩情況，最嚴重的一次震蕩期間負荷最大值89MW，最小值3MW（如圖1），并且控制方式由負荷控制切到速度控制。該廠燃氣輪機組正常運行時，由負荷控制切到速度控制條件只需滿足兩個條件：一是瞬間負荷波動大于15MW；二是機組實際負荷小于15MW。

2 原因查找過程

2.1 受外部電網因素影響

GT11機組出現四次負荷震蕩情況，正好在PSS功能模塊退出期間，只要電網有微小的擾動，由于缺少電力系統穩定裝置，很可能造成負荷波動大。為此，查詢了負荷震蕩前發電機的狀態參數頻率、定子電流、定子電壓、勵磁電流，檢查發現這些參數并無異常。若是由于電網因素影響，應該GT11和GT12兩臺機組都會出現負荷震蕩才對，但實際只有GT11機組才有這種現象；若是電網因素影響，負荷震蕩會出現任何負荷點上，而不是四次都在50MW左右出現。所有可以斷定不是受外部電網因素的影響，應該GT11機組本身的問題。

若是燃氣輪機本身問題，就應該從燃氣輪機的壓氣機、透平、燃燒室三大部件進行分析。

2.2 壓氣機問題

壓氣機是燃氣輪機產生壓縮空氣的重要部件，而壓縮空氣是在燃氣輪機的熱力過程中占主要工質流量，的若壓氣機出現故障，會直接影響工質流量，進而造成燃燒和透平做功的變化，使負荷產生波動。所以有必要對負荷震蕩前壓氣機的狀態參數IGV導葉開度、進氣壓差、壓氣機出口壓力和溫度進行對比分析，通過詳細分析發現負荷震蕩前壓氣機各狀態參數均無異常，可以斷定負荷震蕩不是壓氣機問題。

2.3 透平問題

透平是燃氣輪機做功部件，且處于高溫高壓的環境中，需要有冷卻空氣對透平葉片進行冷卻，所以工質流動比較復雜，如果透平出現問題，就會直接影響機組負荷，造成負荷波動。透平的工作情況主要通過六個透平出口溫度測點來判斷，通過查參數曲線發現，負荷震蕩前各溫度測點均正常，負荷震蕩的過程中又隨著負荷的走勢而變化，負荷震蕩后各溫度測點也均正常，說明負荷波是真實的，是由于工質變化造成的，而不是透平本身的問題，很有可能是進入透平前的工質變化造成的。

2.4 燃燒室問題

燃燒室是天然氣與壓氣機出口的壓縮空氣發生燃燒反應部件，天然氣與壓縮空氣流量都可能影響燃燒，壓氣機各參數已經分析了沒有問題，說明不是壓縮空氣的問題，重點需要關注天然氣問題，所以就涉及到天然氣控制閥、值班氣閥開度和天然氣熱值，此外也要留意燃燒室壓差，用來判斷是否燃燒室幾何形狀發生了變化。通過查詢數據曲線（如表1）發現以下問題：

1）只有在純海氣的工況中才會出現此故障。但不是所有純海氣工況都會出現此故障，其中7月18日和21日也是純海氣，但與其不同的是值班氣閥開度在43%以上。

2）純LNG和混氣工況均正常。

3）值班氣流量越低，負荷震蕩程度越嚴重。7月23日值班氣流量只有0.27kg/s，負荷震蕩過程中最低到3MW。

4）其中7月26日停機過程中出現兩次負荷震蕩情況。第一次負荷震蕩后值班氣閥先開大，負荷穩定后又關小到37%，造成第二次負荷震蕩，之后值班氣閥全開，直到切至擴散燃燒后才穩定下來。

3 解決問題過程

3.1 理論分析

GT11在50MW負荷時，正是值班氣閥打開的過程，這是由于低負荷時預混燃燒不穩定，需要通入一定量的值班氣來加強燃燒的穩定性，若值班氣流量過少，就會影響到穩定燃燒，進而造成燃氣輪機負荷震蕩，嚴重時最低負荷震蕩至15MW以下后就會切到速度控制，極端情況下甚至會發生熄火和爆燃現象，造成燃燒室及噴嘴部件損壞。

3.2 解決措施

1）調整值班氣閥開度控制邏輯，保證在純海氣工況下有足夠量的值班氣。

2）未調整控制邏輯之前，GT11在純海氣工況下運行時負荷不能低于60MW。

3）未調整控制邏輯之前，燃氣輪機停機減負荷過程中，可以在58MW時手動切至擴散燃燒，防止發生負荷震蕩情況。

3.3 實施措施及效果

7月29日至8月3日對GT11值班氣閥開度進行了反復對比調整，使負荷、NOx排放、值班氣閥開度、熱值四者之間調整到最佳配比狀態。表2是調整后GT11機組50MW下最佳配比參數。

7月29日至9月18日期間GT11均未發生負荷震蕩情況，GT11負荷震蕩問題得到圓滿解決。

4 結語

通過對燃氣輪機負荷震蕩情況進行了層層分析和排除，最終找了是由于天然氣值班氣閥開度過小，預混燃燒不穩定性造成的。若同類型機組負荷在50MW左右時，出現較大震蕩和波動，很有可能是由于燃燒室燃燒時值班氣閥開度過小的原因。

【參考文獻】

[1]焦樹健.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置[M].北京：中國電力出版社，2007：109-112.endprint