SGT5-4000F燃氣輪機采用俄羅斯天然氣沖轉問題研究

郝再興 邱 奇 魏星琦

（北京京能國際能源技術有限公司，北京 100041）

0 引言

燃氣輪機是對大氣環境十分敏感的動力裝置，其性能很大程度上隨壓氣機進口空氣狀態變化而變化[1]。北京地區冬季環境溫度很低，空氣密度比標準工況大，壓氣機吸入相同體積流量空氣時，空氣質量流量更大，壓氣機消耗的功更多。若燃機點火沖轉的控制參數不合適，則很可能在冬季出現冷態啟動失敗的情況。

當燃氣輪機使用熱值低于天然氣或輕油的氣體為燃料時，將對燃氣輪機及其聯合循環的出力和效率產生顯著影響[2]。北京地區的燃機電廠近年來開始嘗試使用產自俄羅斯的天然氣為燃料，其熱值與國產天然氣相近，但華白數（又稱“發熱指數”）低了10%左右，這意味著使用俄羅斯天然氣的燃氣輪機輸出相同負荷，可能需要更多的燃料。本文研究了使用俄羅斯天然氣的北京某電廠燃機冬季低溫沖轉的實際過程，找到了沖轉失敗的直接原因是燃機控制系統中的HL130函數限制了燃料供給總量（Y-min），提出并驗證了針對直接原因的對癥解決方案；闡明了引起燃料供給不足的根本原因是俄羅斯天然氣相比原燃料華白數過低，并據此提出了對因解決方案。

1 沖轉故障和應急處理過程

2021年冬季，北京室外溫度-1℃，某電廠SGT5-4000F型燃氣輪機從盤車狀態以自動順控方式啟機，進行到主順控第10步時，燃機未能在監視時間內達到設定轉速，觸發順控超時跳機，啟動失敗。

經過初步判斷，認為當日環境溫度較低，且燃機停機時間過長，燃燒室、透平等熱部件溫度過低，未能充分輸出功率。結合本臺燃機過往運行時出現過的冬季工況首次點火超時經驗，決定在具備啟動條件后立即再次沖轉。為提高啟動成功率，第二次點火前，修改了燃機控制參數V41、V42，以增加燃機沖轉時的燃料供給速率，并且放寬了主順控第8步和第9步的監視時間，但是燃機仍然沒有能在順控時間內沖到50.25 Hz的切換轉速，超時跳機。沖轉過程如圖1所示。

第三次沖轉前，調試工程師又一次增加了V4、V41、V42的數值。第三次沖轉時，在燃機轉速接近49.5 Hz時，電廠操作員手動將目標轉速設置為50 Hz，燃機隨即進入轉速控制模式，穩轉運行了一段時間后，成功并網。

2 沖轉失敗原因分析

該燃機曾于2020年冬季發生過類似事件，停機一周后點火沖轉失敗，當時采取了修改V4、V41、V42參數值的措施，提高了燃料的供給速率，在多次嘗試后，沖轉成功。電廠運行人員也在此次經歷中積累了手動切換目標轉速的操作經驗。本次點火沖轉時，沿用了之前的啟動參數，而且環境溫度比之前高，理論上更利于燃機啟動，但還是發生了沖轉失敗現象。

對比2020年冬季與本次的燃機運行工況，最大的區別在于，本次使用的燃料為俄羅斯天然氣，其華白數（Wobbe）相對標準值低了近10%——單位體積的熱值降低了，所以想要達到相同工況就需要更多的燃料。

以此為出發點，從燃料供給總量不足的角度分析，筆者發現，引起沖轉失敗的直接原因是：啟動模式（RUN-UP function）下的燃料供給總量（Y-min）被限制。

如圖1所示，在第二次沖轉失敗的最后階段，燃料供給總量（Y-min）達到30%后便不再上漲，圖1中標注為“燃料供給無法上升”，Y-min曲線斜率變為0。

圖1 沖轉失敗過程主要參數變化

此過程大約持續了13 s，其間預混氣流量（premix mass flow）受VBNTM函數控制緩慢增加，而值班氣流量（pilot mass flow）等于燃氣供給總量（Y-min）與預混氣流量（premix mass flow）之差，因此持續減小。

在燃機啟動點火階段，燃氣輪機采取的是擴散燃燒方式[3]，值班氣比預混氣對轉速的影響更大，所以此時燃機轉速沒有繼續上升，反而下降了。而隨著轉速下降，Y-min也開始下降，值班氣繼續減小，形成了負反饋控制，轉速進一步下滑，最終超時跳機。

為了找到Y-min被限制的原因，筆者研究了啟動升速控制器（RUN-UP controller）的輸出原理，如圖2所示。

圖2 啟動升速控制器控制原理

啟動升速控制器的核心功能塊是一個斜坡函數發生器。理論上，隨著時間的推移，啟動升速控制器的輸出會按照V4、V41、V42等參數給定的分段速率不停地增加，直至達到100%。造成Y-min達到30%就被限制的原因是保護曲線HL130函數起作用，RUN-UP function與HL130經過功能塊MIS21F進行比較，選擇數值較小的一項輸出。

而沖轉時，HL130函數的上限值就是30%，所以即使RUN-UP function累積的時間再長，數值再高，最后啟動升速控制器的輸出還是HL130函數的輸出值30%。

為驗證這一結論，筆者對比了這三次沖轉時的燃料供給（Y-min）數據與HL130保護函數的設定值，如表1所示。

從表1可以看出，在轉速達到35 Hz后，實際的Y-min輸出值均非常接近HL130的限定值。這表明，在這三次沖轉過程中，燃機達到35 Hz后，RUN-UP function的輸出大于HL130的限制，因此啟動升速控制器選擇了較小的HL130進行輸出。雖然之后兩次沖轉增加了燃料供給速率，但并沒有改變對應轉速下的燃料供給總量。所以，要想實現燃機的順利沖轉，必須解除HL130的限制，增加燃料供給總量。

表1 三次沖轉燃料供給參數對比

3 解決方案

3.1 對癥解決方案

從直接原因入手，修改HL130函數限制是最合適的方案。

為確保燃機能夠一次點火成功，考慮將HL130函數的35 Hz后半段完全放開，參數全部設置為100%，以保證燃料供給充足。待燃機定速后，再將沖轉過程中Y-min的實際輸出值填入HL130函數，以此確定為燃機沖轉的最后參數。修改方案如圖3所示。

圖3 流量高限函數HL130的修改方案

同時考慮到之前為了沖轉成功，修改了V41、V42等參數，提高了燃料供給速度，在燃料供給量充足的情況下，勢必會縮短燃機沖轉時間，所以在點火前也相應減小了V41和V42的值。

參數修改完成后，燃機沖轉成功。為保證之后遇到極冷工況時燃機仍然能夠正常啟動，綜合考慮之前沖轉的實際工況，將HL130設定上限修改為35%。

3.2 對因解決方案

放開HL130函數上限，是從直接原因解決問題，要想徹底消除這一故障，需要從根本原因出發，將燃機控制系統的設定值與燃料熱值互相匹配。

筆者在研究了俄羅斯天然氣的成分后，提出了對燃機沖轉階段預混氣流量和燃料熱值進行修改的方案，如表2、表3所示。參數修改完成后，對該燃機進行了全負荷段的燃燒調整，燃機運行穩定，沒有再發生沖轉故障。

表2 預混氣流量修改方案

表3 燃料熱值參數修改方案

4 結語

本文研究了西門子SGT5-4000F型燃氣輪機切換低熱值燃料（如俄羅斯天然氣）運行后，在冬季低溫環境下出現的沖轉故障，分析了故障原因，并提出了對癥的應急處理措施和后續的對因處理措施，為采用啟動升速控制器沖轉的西門子燃氣輪機切換低熱值燃料后出現沖轉故障提供了思考路徑和解決辦法，也對大規模采用俄羅斯天然氣作為主要燃料的北京地區燃機電廠具有現實的指導意義。