燃氣輪機速比閥檢漏失敗原因分析及防范措施

摘要：針對PG9171E型燃氣輪機停機時多次出現天然氣檢漏失敗現象，通過對天然氣檢漏、速比閥控制原理及速比閥密封圈損壞原因分析，調整異常工況下速比閥的運行方式，提高機組運行的安全性、經濟性。

關鍵詞：速比閥;檢漏;密封圈;雜質;閥門開度

中圖分類號：TM3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0170-02

0 ?引言

天然氣速比閥的嚴密性是PG9171E型燃氣輪機（以下簡稱“9E燃機”）安全啟停的重要保證，9E燃機控制系統中設置了天燃氣檢漏程序，以防止燃燒室爆燃事故的發(fā)生。

1 ?設備介紹

GE公司生產的9E燃機以天然氣為燃料時，采用DLN1.0干式低氮燃燒室，為保證9E燃機的安全運行，燃料系統閥組由1只速斷閥（VS4-4），1只速斷后放散閥（VA13-18），1只速比閥（SRV），一只速比閥后放散閥（VA13-15）和3只流量控制閥（GCV1、2、3）組成，以實現9E燃機保護動作時燃料快速切斷，9E燃機正常運行時天然氣壓力調整、天然氣流量控制的目的。9E燃機速比閥為美國伍德沃德公司生產V300-SER-B型球閥，閥芯為不銹鋼半球面，球面密封圈為碳纖維材質，速比閥采用Fisher公司生產的伺服液壓執(zhí)行機構。為保證速比閥前壓力（以下簡稱“P1壓力”）穩(wěn)定，配置了天然氣調壓站和前置站，將上游管網天然氣過濾、調壓并穩(wěn)定至25bar。

2 ?故障情況

天然氣管網長時間檢修后恢復供氣，9E燃機在連續(xù)兩次停機熄火后出現“天然氣速比閥檢漏失敗報警”，次日機組再次啟動又出現點火前速比閥后壓力（以下簡稱“P2壓力”）高保護動作，機組啟動失敗。

3 ?原因分析

9E燃機停機階段也設置了天燃氣檢漏程序，9E燃機熄火10秒后，檢漏試驗條件滿足時，打開速斷閥（VS4-4），關閉速斷后放散閥（VA13-18），關閉速比閥后放散閥VA13-15，檢漏試驗開始，當速斷閥開啟10秒后若P1壓力值小于309psi（21.3bar），9E燃機發(fā)出“停機檢漏試驗失敗”報警，機組遮斷并閉鎖啟動;同時速斷閥打開30秒內，若P2壓力值大于100psi（6.897bar），9E燃機發(fā)出“停機檢漏試驗失敗”報警，機組遮斷并閉鎖啟動。

對比“無檢漏失敗報警”和“有檢漏失敗報警”兩次停機各階段（9E燃機轉速50%—熄火—檢漏—檢漏結束）速比閥開度（%）與P2壓力（bar）曲線。兩次停機過程P2壓力控制一致，說明速比閥伺服執(zhí)行機構正常，但“有檢漏失敗報警”這次停機熄火后檢漏時P2壓力值達23bar以上，大于檢漏失敗報警定值100psi（6.897bar），9E燃機控制系統檢漏報警保護動作正確，可以初步判斷為速比閥關閉不到位或閥體球面密封不嚴引起。（圖1）

停機后運行人員對速比閥伺服系統進行檢查，其液壓油壓力正常，伺服閥油濾正常。熱工專業(yè)人員進行了速比閥全行程的開關試驗，速比閥開度指令與反饋一致，全開和全關機械指示完全正確到位，未發(fā)現明顯異常，基本排除了速比閥液壓執(zhí)行機構和伺服控制引起的閥門關閉不到位問題。

機務檢修人員拆下速比閥發(fā)現其球面開口與密封圈夾角位置處有兩個明顯的損壞缺口（見圖2），此夾角位置對應速比閥開度為34%，正好是9E燃機滿負荷運行對應的開度值。

針對機組進行中出現經常性需要更換天然氣調壓站、前置站濾網且濾筒中發(fā)現大量含鐵銹雜質的情況，檢修人員故對速比閥進行了全面解體，發(fā)現其密封圈的缺口磨損嚴重（見圖3）有黃色銹跡，球面上也有深黃色鐵銹粉末，密封圈壓蓋留有大量含鐵銹的粉末雜質。

通過以上解體檢查已明確是速比閥密封圈損壞造成停機時速比閥檢漏失敗。因速比閥的球面密封圈為碳纖維材質，其材料耐溫可達220℃，9E燃機正常運行時天然氣溫度在8～18℃，不可能造成速比閥高溫損壞。所以導致速比閥密封圈損壞的主要原因是數十公里的天然管道長時間處于空管檢修狀態(tài)，保養(yǎng)不佳，管道中產生大量的鐵銹雜質。其中大部分雜質被調壓站、前置站濾網過濾，但過濾飽和的濾芯無法有效過濾全部細微粉末雜質，鐵銹雜質被氣流帶入至速比閥前。當9E燃機滿負荷運行時速比閥開度34%，閥口氣體流道小，特別是球閥與密封面夾角的位置會承受較大的氣流沖刷，在天然氣雜質含量較多的情況下，造成密封圈的吹損，吹損的嚴重程度與9E燃機運行時間成正比。

4 ?防范措施

通過對比速比閥不同開度閥口大小發(fā)現速比閥開度34%時（見圖2），其閥口開度較小，球閥與密封面的夾角很小;將速比閥開度增加至46%時（見圖4），其閥口開度增大明顯，球閥與密封面的夾角明顯變大。若能將9E燃機滿負荷運行時速比閥閥口增大，會增加閥口通流面積，減少球面與密封面夾角位置處的氣流沖刷，同時天然氣雜質也不容易堆積在速比閥球面與密封圈上。

9E燃機速比閥控制計算原理（如圖5），其中“FPRG”是速比閥壓力控制基準值，機組正常運行時，通過方框中的算式“FPRG= TNH（9E燃機轉速）×FPKGNG（控制常數）+FPKGNO（控制常數）”計算不同轉速情況下速比閥壓力控制基準值。通過速比閥控制計算原理可知，速比閥后的壓力控制基準值是9E燃機轉速的函數。因機組并網后轉速相同，所以9E燃機任何負荷下速比閥控制的P2壓力是一個恒定值。

根據以上速比閥控制計算原理，9E燃機并網滿負荷運行時轉速恒定，其速比閥后的壓力控制基準值恒為定值，只需要降低速比閥前P1壓力值（即降低天然氣調壓站出口壓力），可達到增大速比閥開度的目的。于是將調壓站出口天然氣壓力由25bar降至22.6bar。機組再次啟動正常，并網帶滿負荷后速比閥能夠穩(wěn)定在46%安全運行。通過調整天然氣調壓站出口壓力，增大速比閥閥口開度，改善了速比閥的運行工況，停機過程再未出現速比閥檢漏失敗報警，啟動過程中也再未出現點火前P2壓力高保護動作遮斷的異常現象。

天然氣調壓站、前置站濾網運行中發(fā)現較多雜質時，應縮短濾網運行時間，增加濾網更換頻次，同時運行值長及時與電力調度聯系，爭取9E燃機高負荷，保證速比閥在大開度下運行，有利于速比閥安全運行。

為確保速比閥開度增大后天然氣雜質未對9E燃機燃燒器設備造成損壞，機組停運后安排了燃燒器一、二次噴嘴的檢查。檢查結果顯示：一次燃料管道通暢，六個噴嘴均無堵塞和吹蝕情況，壓縮空氣檢查吹掃干凈，無明顯缺陷。燃料孔無腐蝕、無磨損、無堵塞現象，旋流器各個倒角正常。二次噴嘴的二級燃料管道、三級（切換）燃料管道均通暢，無堵塞和吹蝕情況，壓縮空氣檢查吹掃干凈，無明顯缺陷。燃料孔無吹蝕、堵塞現象，旋流器各個倒角正常。

在前置站天然氣濾筒內一圈放置10根左右強力磁棒，用以吸附未被濾網過濾的含鐵銹的細微粉末雜質，該措施效果明顯，大大減少了天然氣雜質數量，改善了速比閥的運行工況。

加強天然氣管道檢修管理工作。管道置換后及時開展檢修作業(yè)，盡量縮短天然氣檢修空管時間，檢修完成后及時進行管道充氮氣操作，減少管道銹蝕。

5 ?結束語

通過采取以上防范措施，改變9E燃機滿負荷運行時速比閥相關運行參數，有效解決了速比閥小開度運行時密封圈容易損壞的問題，提高了機組運行的安全性和可靠性。通過以上分析與建議希望對同類型燃氣輪機運行人員及相關專業(yè)人員有所幫助。

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作者簡介：余亮（1976-），男，浙江金華人，工程師，研究方向為燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組發(fā)電運行。