9FB燃氣輪機燃氣壓力低RB事件及RB速率分析

丁建軍，嚴 強

(廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東 江門 529149)

某電廠2×453 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，燃氣輪機由GE公司生產(chǎn)，型號為PG9371FB，燃氣輪機由1臺18級的軸流式壓氣機、1套由18個低NOx燃燒器組成的燃燒系統(tǒng)、1臺3級透平和相關輔助系統(tǒng)組成。汽輪機由哈爾濱汽輪機廠制造，型號為LN150/C120-11.00/3.30/0.43/1.40，型式為三壓、再熱、三缸、沖動、抽凝式汽輪機。余熱鍋爐采用東方菱日鍋爐有限公司的三壓、再熱、自然循環(huán)、無補燃、臥式、MHDB-PG9371-Q1型余熱鍋爐。

本文對該電廠發(fā)生的一起因燃氣壓力低導致的快速減負荷(RUNBACK，簡稱RB)事件進行分析研究，針對此次RB事件，討論了燃氣輪機11種不同情況下的降負荷速率，并列出了所有RB的觸發(fā)條件，有助于更好的提高運行人員專業(yè)技能，提高機組的控制水平，確保事故發(fā)生時的處置效率及正確性。

1 燃氣系統(tǒng)簡介

天然氣由上游分輸站供至廠內(nèi)，經(jīng)調(diào)壓站過濾、分離和加熱及調(diào)壓后進入機組前置模塊，再經(jīng)雙聯(lián)前置過濾器、性能加熱器、啟動電加熱器、過濾洗滌器、流量計和變送器最終送至燃氣小間內(nèi)燃氣控制閥組。燃氣控制系統(tǒng)的作用是以適當?shù)膲毫土髁肯蛉紵逸斔腿剂蠚猓詽M足燃氣輪機運行時啟動、帶負荷和停機的所有要求[1]。

燃料氣控制系統(tǒng)的主要由燃料氣截止閥(VS4-1)、燃料氣速比截止閥(VSR-1)、燃料氣放空閥(VS13-15)、燃料氣控制閥(VGC-1/2/3/4)、燃料氣壓力傳感器、燃料氣溫度傳感器等組成。天然氣系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示。

圖1 天然氣系統(tǒng)流程示意圖

GE 9FB燃氣輪機燃氣控制系統(tǒng)中的速比閥(VSR-1)和燃氣控制閥(VGC-1/2/3/4)作用類似于三菱燃氣輪機的壓力控制閥和流量控制閥[2-3]，VGC閥是用來控制進入燃氣輪機的天然氣流量，其設計成超臨界流動，使得通過閥的天然氣流量與閥后背壓無關，同時其閥芯的特殊型線使通流面積的變化與閥門的開度成正比。機組正常運行中，VSR閥則保持VGC閥前的P2壓力在一個恒定值，同時其也兼作天然氣的截止閥[4]。

2 事故現(xiàn)象、原因分析及處理

2.1 事故現(xiàn)象

2018年12月02日21時20分，1號機組負荷300 MW，退出AGC，開始執(zhí)行停機操作,其中P1壓力3.35 MPa，P2壓力2.95 MPa。21時26分34秒，燃氣輪機發(fā)電機降負荷至72 MW，汽輪機發(fā)電機滑參數(shù)降至99 MW，機組總負荷降至171 MW，P1壓力3.46 MPa，P2壓力2.95 MPa。21時27分38秒，燃氣輪機負荷69 MW，汽輪機繼續(xù)滑參數(shù)降至94 MW，P1壓力3.02 MPa，P2壓力2.85 MPa，MARK VIe控制系統(tǒng)報警窗口發(fā)出“P1 AND P2 MAX DECAY RATE EXCEED-RUNBACK(P1和P2最大衰減速率超限-RB)”、 “GAS FUEL SUPPLY PRESSURE LOW(燃氣供氣壓力低)”報警，燃氣輪機執(zhí)行RB程序，自動降負荷停機，汽輪機跟隨滑參數(shù)降負荷。21時28分37秒，燃氣輪機降負荷至5 MW后正常逆功率解列，汽輪機負荷71 MW，打閘停機。

2.2 事故原因分析

造成此次燃氣輪機RB的直接原因是“P1和P2最大衰減速率超限”，根本原因是因為停機過程中，上游分輸站供我廠主/備用調(diào)壓線SSV閥同時誤關導致1號機組天然氣供應中斷。

通過查看邏輯，如圖2所示， P1和P2最大衰減速率必須均超限(LFPG1RTZ、LFPG2RTZ)才能觸發(fā)P1和P2最大衰減速率超限(LFPGRTZ)進而觸發(fā)燃氣輪機RB至全速空載(L70L_AUX)。

圖2 燃氣輪機RB邏輯框圖

查閱歷史數(shù)據(jù)曲線圖3得知，21時26分39秒，P1最大衰減速率先達超限動作，VSR閥開度為40.79%，由于P1壓力持續(xù)下降，為維持P2壓力恒定，VSR閥開度增加至52.17%，但VSR閥開大速率比P1壓力下降速率慢，最終P2最大衰減速率也達到了超限值，進而觸發(fā)燃氣輪機RB。

圖3 停機過程中歷史數(shù)據(jù)

與上游分輸站協(xié)調(diào)及檢查后，對分輸站SSV閥切斷原因分析如下：一是因調(diào)壓閥、指揮器和穩(wěn)壓器老舊，導致閥門調(diào)節(jié)滯后；二是燃氣輪機在啟、停機過程天然氣流量波動較大；三是冰堵和穩(wěn)壓過濾器堵塞都可能會導致調(diào)壓失效；四是廠內(nèi)調(diào)壓站與上游分輸站聯(lián)絡管線較短，各調(diào)壓閥設定值間隔較小，導致壓力調(diào)節(jié)失穩(wěn)出現(xiàn)異常波動；五是安全切斷閥的連鎖機構是機械式，易受管道振動影響。

2.3 處理

針對以上情況，進行了如下處理措施：一是重新設定了調(diào)壓撬各閥壓力，主路的安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、工作調(diào)壓閥依次設定為4.2/3.95/3.7 MPa，備用路的各閥依次設定為4.4/3.95/3.6 MPa；二是定期對調(diào)壓設備維保檢修，及時更換配件；三是加強日常數(shù)據(jù)監(jiān)控，確保及時發(fā)現(xiàn)調(diào)壓撬冰堵和穩(wěn)壓過濾器臟污情況。

3 燃氣輪機RB速率分析討論

3.1 RB簡介

燃氣輪機電廠由于機組特性的不同，RB功能和常規(guī)火電機組有明顯差別。煤機機組RB發(fā)生后，控制策略主要由CCS方式切至鍋爐輸入控制方式(或汽輪機跟隨方式)，鍋爐主控處于手動狀態(tài)，汽輪機主控自動切至壓力控制模式，機組處于滑壓運行狀態(tài)，鍋爐主控切為手動，燃料主控自動維持RB目標負荷對應的燃料量。煤機因主要輔機故障跳閘而RB主要有磨煤機、送風機、引風機、一次風機、給水泵、空氣預熱器等[5]，根據(jù)不同的故障輔機導致的RB，采用不同的RB速率[6]。

對于燃氣機組，由于沒有煤機相對復雜的鍋爐系統(tǒng)，只有簡單的余熱鍋爐，機組負荷主要通過燃氣輪機系統(tǒng)調(diào)節(jié)燃料量適應負荷變化。燃氣輪機RB主要分為外部RB和內(nèi)部RB兩種。外部RB是指由DCS 經(jīng)過判斷條件后，發(fā)至燃氣輪機進行RB，內(nèi)部RB是指燃氣輪機自身判斷條件后觸發(fā)RB。不同廠家的燃氣輪機，其RB速率不同，三菱M701F型RB速率包括20 MW/min(正常)和300 MW/min(快速)兩種[7]；因西門子V94.3A型燃氣輪機資料有限，未在相關文獻中查到其RB信息。

本次燃氣輪機因P1和P2最大衰減速率超限發(fā)生RB后，燃氣輪機負荷從69 MW降至5 MW，用時59秒，降負荷速率約為64 MW/Min，比機組正常停機降負荷速率要快很多。MARK VIe邏輯由于其復雜性及保密性往往成為運行人員的專業(yè)短板，為了解GE燃氣輪機更多關于快速降負荷的觸發(fā)條件，更好的提高運行人員專業(yè)技能，提高機組的控制水平，確保事故發(fā)生時的處置效率及正確性，特查閱熱控相關控制邏輯。

3.2 燃氣輪機燃料控制

燃氣輪機的轉速控制有兩種方式，有差轉速控制(Doop Speed)和無差轉速控制(Isoch Speed)。當燃氣輪機用作帶動發(fā)電機時，選用有差控制方式。

燃氣輪機負荷變化是通過當前實際輸出燃料沖程基準(FSR)的變化體現(xiàn)的，F(xiàn)SR的變化正比于轉速控制基準(TNR)與實際轉速基準(TNH)之差，即△FSR∝(TNR-TNH)[8-9]。若燃氣輪機未并網(wǎng)，則TNH隨燃氣輪機轉速變化而變化；若燃氣輪機在并網(wǎng)狀態(tài)下，TNH保持不變，燃氣輪機出力大小實際由TNR決定，而TNR的值最終通過轉速控制基準邏輯塊(TNRV1)計算得知，如圖4所示。Z-1與加法器組成數(shù)字積分器，L83JDn(0-11)決定了升降速率常數(shù)TNKR1_n的某個值，也就是通過不同的邏輯選擇了不同的積分速率常數(shù)。L70R和L70L決定了積分的方向，L70R=1且L70L=0時，積分值上升，TNR增加； L70L=1時，積分值下降，TNR減小；L70R=0且L70L=0時，積分中止，TNR保持不變。

圖4 TNRV1轉速控制基準邏輯

3.3 速率分析

升降速率常數(shù)TNKR1_n為固定值，如表1所示，L83JDn(0-11)決定了選擇哪個常數(shù)，針對不同的情況，對應不同的負荷速率，也就是通過不同的邏輯選擇了不同的積分速率常數(shù)，而最終反映在輸出不同的TNR值。

表1 轉速基準TNR變化率

單位時間內(nèi)燃氣輪機負荷變化量，計算公式如下：

(1)

式中：ΔQ為燃氣輪機每分鐘負荷變化量；TNKRX為燃料基準變化率；DWKDG為負荷與轉速指令的增益系數(shù)，固定值0.014%/MW(轉速不等率(3.99%)=DWKDG*BASE(285 MW))。

通過公式1可計算不同速率常數(shù)下對應的負荷速率如表2所示，得知不同的觸發(fā)條件下，燃氣輪機會以不同的速率降負荷。

3.4 RB觸發(fā)條件

由圖2可知，RUNG_36邏輯快中有9種可以觸發(fā)燃氣輪機RB至全速空載的情況，詳細說明見表3。

表2 TNKR1_n對應下的負荷速率

表3 9種觸發(fā)燃氣輪機RB至全速空載情況

4 結論

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組由于主要設備故障造成機組實發(fā)功率受到限制時，為適應設備出力，控制系統(tǒng)強制將機組負荷減到尚在運行的設備所能承受的負荷目標值。若故障嚴重時，燃氣輪機快速降負荷仍不能維持機組運行，則機組發(fā)自動停機指令自動停機。

燃氣輪機在轉速/負荷控制模式下，其負荷變化的速率受控于TNR的變化速率，TNR的變化速率是控制程序預先設定好的固定值。通過分析由于上游分輸站中斷供氣造成的一起燃氣輪機RB事件，展開討論了不同觸發(fā)條件下燃氣輪機不同的降負荷速率，并列舉了所有RB條件，論證了實際RB速率和理論降負荷速率的一致性。