9E燃氣輪機清吹閥故障處理及改進方案

楊體佳

(珠海深能洪灣電力有限公司,廣東 珠海 519060)

在燃氣輪機發(fā)電中氮氧化物的合成類型多數(shù)屬于熱力型,因此GE公司的9E燃氣輪機在加載負荷的過程中,為了實現(xiàn)低氮燃燒,通過切換燃燒模式去降低燃燒室的燃燒溫度T2,并控制透平入口溫度T3,從而減少熱力型氮氧化物的產(chǎn)生,也保護透平熱通道金屬免受超高溫影響。因此9E燃燒系統(tǒng)為了實現(xiàn)低氮燃燒,配套燃料控制系統(tǒng)與清吹系統(tǒng)。

1 清吹系統(tǒng)

某電廠目前使用的兩套燃氣輪機為美國GE公司生產(chǎn)的PG9171E型機組。清吹系統(tǒng)由壓縮空氣控制的清吹閥20PG-3、20PG-4以及排空閥20VG-3組成,見圖1,三個閥門不能同時打開和同時關(guān)閉。20VG-3采用的是兩位三通的常閉電磁閥;20PG-3、20PG-4采用的是氣動三通閥,常開。清吹閥20PG-3/4在燃燒模式由貧貧燃燒模式向預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式切換的過程中得電動作關(guān)閉,其余時間打開,正常運行時排空閥20VG-3關(guān)閉,只有在清吹閥20PG-3/4關(guān)閉時才打開。

圖1 清吹系統(tǒng)改造前系統(tǒng)圖

9E DLN燃燒模式切換主要發(fā)生在燃氣輪機負荷70～80 MW、燃燒室溫度(TTRF1)1 079 ℃,DLN燃燒方式先由初級燃燒模式切換至貧貧燃燒模式,再由貧貧燃燒模式切換至預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式。下面是貧貧燃燒模式切換至預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式過程中的各閥門具體動作過程說明[1]。

1) 首先清吹系統(tǒng)退出,清吹閥20PG-3、20PG-4關(guān)閉,排空閥20VG-3打開,然后3#燃料控制閥(VGC3)由關(guān)閉位逐漸打開,1#燃料控制閥(VGC1)逐漸關(guān)閉直到完全關(guān)閉,2#燃料控制閥(VGC2)保持開度。此時燃料通過 VGC3全部進入二區(qū),并只在二區(qū)燃燒,一區(qū)由于VGC1完全關(guān)閉,沒有燃料進入,一區(qū)火焰熄滅。DLN界面的火焰監(jiān)測畫面只有二區(qū)E、F、G、H 4個顯示火焰,這個過程稱為二級切換模式。

2) 二級切換模式完成,VGC1關(guān)閉5 s后逐漸打開,同時VGC2 開度也逐漸增大,VGC3逐漸關(guān)閉直到完全關(guān)閉,然后投入清吹,清吹閥20PG-3、20PG-4打開,排空閥20VG-3關(guān)閉。燃料通過 VGC1、VGC2分別進入一區(qū)、二區(qū),在一區(qū)內(nèi)只發(fā)生混合,一區(qū)顯示無火焰,所有燃料在二區(qū)內(nèi)進行燃燒,二區(qū)顯示有火焰,這個過程稱為預(yù)混切換模式。

3) 預(yù)混切換模式完成,即進入預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式,這時大約80%的燃料通過VGC1進入一區(qū),20%的燃料通過VGC2進入二區(qū),一區(qū)只發(fā)生混合,所有燃料在二區(qū)進行燃燒反應(yīng),此時工況下,NOx和CO排放達到較低水準。

2 清吹系統(tǒng)控制邏輯與保護

2.1 清吹閥關(guān)閉故障

當(dāng)TTRF1達到設(shè)定值1 079 °C,控制系統(tǒng)由貧貧燃燒模式切換到預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式,燃氣輪機控制器(MarkVIe)發(fā)出二級切換模式(L3FXS1X )動作命令和清吹閥關(guān)閉(L3FGTC)指令,清吹閥20PG-3、20PG-4接收到指令后動作,實現(xiàn)關(guān)閉功能。

在壓縮空氣系統(tǒng)壓力大于0.75 MPa,在清吹閥收到關(guān)閉指令后[2],經(jīng)過15 s的延時(L3FGTCZ),清吹閥關(guān)閉信號(L33PGTC)控制器沒有收到,這時MarkVIe就判斷清吹閥在低氮燃燒切換模式下關(guān)閉失敗(L86PGTLO)。此時火焰檢測系統(tǒng)檢測到一區(qū)有火焰信號存在(即L28FPDX為1),如果這時火焰檢測系統(tǒng)檢測到一區(qū)沒有火焰,那么機組將啟動點火槍對燃燒室一區(qū)天然氣進行重點火,此種情況下通常出現(xiàn)在機組降負荷停機過程中,燃燒模式由預(yù)混穩(wěn)定模式切向貧貧燃燒模式時一區(qū)重點火。如果TTRF1達到擴展燃燒模式溫度(L26FXL3)設(shè)定值,MarkVIe控制器將機組燃燒模式由貧貧燃燒模式切向擴展燃燒模式(L83LLEXTX)。由于機組在擴展燃燒模式下運行時,透平熱通道承受比正常運行高出很多的燃燒溫度,且NOx排放量激增,因此不允許在此燃燒模式下運行的。當(dāng)燃燒模式進入擴展燃燒模式時,值班員需要選擇“高負荷切換(High Load Transfer)”按鈕,并選擇“投入”。此時因為選擇了高負荷切換模式(L83HLT),機組自動升負荷指令(L70RX10)中斷,在Mark VIe的控制程序下停止升負荷,并開始自動降負荷使機組燃燒模式脫離擴展燃燒模式,最后故障消除,并經(jīng)檢查無其他故障后再重新預(yù)選負荷,最后升負荷至預(yù)混穩(wěn)定模式。

2.2 清吹閥打開故障

當(dāng)清吹閥關(guān)閉指令中斷,如果經(jīng)過55 s的延時等待,清吹閥的關(guān)閉信號還是存在,機組將發(fā)出清吹閥打開故障報警(L30PGTOF_ALM)。由于清吹閥打開操作通常發(fā)生在非初級燃燒模式階段,因此控制系統(tǒng)在清吹閥打開故障時,將觸發(fā)自動降負荷程序命令(L86PGVL),并發(fā)出清吹閥打開故障并開始自動降負荷(L86PGVL_ALM)。當(dāng)燃燒模式進入初級燃燒模式,則自動降負荷命令(L70LX10)中斷,停止降負荷。

當(dāng)機組負荷控制模式選擇為無差控制時(L83SCI_CMD),機組將執(zhí)行自動停機邏輯(L94AX)自動停機。清吹系統(tǒng)控制邏輯模塊詳見圖2、圖3。

(a) 清吹閥打開條件邏輯、關(guān)閉失敗判斷邏輯

(a) 清吹閥打開故障報警邏輯、清吹閥打開故障自動降負荷邏輯

3 故障現(xiàn)象及處理過程

某電廠6#機正常啟機升負荷過程中,在由貧貧燃燒模式切換預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式過程中(燃氣輪機負荷預(yù)選95 MW),出現(xiàn)清吹閥打開失敗報警(L30PGTOF_ ALM)和清吹閥打開失敗自動降負荷報警(L86PGVL_ALM),DLN界面顯示清吹閥20PG-4為黃色并有“fault”提示,隨后燃氣輪機自動降負荷,降至初級燃燒模式后主復(fù)歸,使燃氣輪機負荷穩(wěn)定在50 MW。

值班員到現(xiàn)場檢查,壓縮空氣系統(tǒng)正常,壓力穩(wěn)定在0.78 MPa。將天然氣小間通風(fēng)壓力低保護(L4VLFLT)強制為false后,進入天然氣小間檢查,發(fā)現(xiàn)清吹閥20PG-4未打開,清吹閥20PG-3打開正常。初步判斷為電磁閥滑閥卡澀,用銅制扳手輕輕敲擊該閥門電磁閥及缸體,最后清吹閥20PG-4能正常打開。

經(jīng)過對清吹閥20PG-4的強制動作,閥門正常打開/關(guān)閉,最后對機組全面檢查無異常后,燃氣輪機再次升負荷。為防止再次打開失敗,在切換燃燒模式過程中始終用銅制扳手敲擊清吹閥20PG-4缸體,切換正常,清吹打開時間為30 s。

4 改進方案

針對6#機燃燒模式切換過程中清吹系統(tǒng)控制閥延時打開的問題,提出了3種改進方案。

(1) 更換清吹閥20PG-3/4。目前清吹閥20PG-3/4閥體采用氣動三通閥,沒有設(shè)置手動操作模式,當(dāng)遇到清吹閥打不開或者關(guān)不上時,操作員無法做出有效的補救措施,只能依靠輕敲閥體或者對壓縮空氣疏水,無法實現(xiàn)在線故障處理,影響機組的調(diào)峰計劃。因此基于目前清吹閥沒有手動操作模式,可以將原有的清吹閥更換為帶手動操作的閥體,此方法雖然能夠解決清吹閥出現(xiàn)打不開或者關(guān)不上時就地完成在線補救,但是將整個閥體進行更換,成本高,改造工作量大。另外由于原有閥體為GE原產(chǎn)進口,更改閥體結(jié)構(gòu)對清吹系統(tǒng)的安全和調(diào)節(jié)功能有影響,閥體的性能還需要符合相關(guān)標準和規(guī)定,還可能需要進口,此方案暫不考慮。

(2) 每次啟機前對清吹閥進行強制動作,觀察閥體打開/關(guān)閉的時間,檢查清吹閥是否卡澀,同時定期對清吹系統(tǒng)壓縮空氣進氣濾進行清洗或更換,避免因壓縮空氣質(zhì)量導(dǎo)致清吹閥出現(xiàn)打不開/關(guān)不上的故障。另外壓縮空氣儲氣罐疏水電磁閥動作故障時,導(dǎo)致壓縮空氣濕度過高,特別是氣動機構(gòu)不經(jīng)常動作的,由于長時間壓縮空氣滯留于管道,會在低位處出現(xiàn)凝露現(xiàn)象,長此以往,進氣閥桿將有可能被閥體粘住無法動作。針對此種情況,可以在儲氣罐出口加裝干燥器,降低壓縮空氣濕度。在儲氣罐出口加裝干燥器,壓縮空氣漏氣點增加,且現(xiàn)場管路改造不便,最重要的是清吹閥打不開或關(guān)不上時不能實現(xiàn)在線處理,但是可以作為一個提高壓縮空氣系統(tǒng)安全性的改造,因此不考慮。

(3) 為實現(xiàn)在線快速處理故障,并考慮到清吹閥20PG-3/4為氣動三通閥,關(guān)閉時依靠壓縮空氣推動閥桿實現(xiàn)關(guān)閉,打開時卸掉氣缸中的壓縮空氣,依靠氣缸中的彈簧力推動閥桿打開。基于清吹閥動作機理,可以考慮在壓縮空氣進氣管中加裝進氣隔斷閥,在閥體氣缸卸壓管道加裝隔斷三通閥,正常運行時,進氣隔斷閥打開,排氣隔斷三通閥關(guān)閉。

上面3種方案經(jīng)過比較,加上考慮到故障發(fā)生時通常在機組升負荷過程中,需要能夠?qū)崿F(xiàn)在線處理,方案1和3能夠?qū)崿F(xiàn),方案2無法實現(xiàn)在線處理,最后考慮經(jīng)濟性,最終選擇方案3。但是方案3存在一個較大問題就是,清吹系統(tǒng)壓縮空氣管道口徑較小,在現(xiàn)有倉庫備件的隔斷閥中沒有對應(yīng)管道口徑的閥門。最后考慮到清吹系統(tǒng)壓縮空氣動作壓力在0.4 MPa,接駁不同口徑管道的安全性是能夠依靠焊接方法實現(xiàn)接口處完全不漏氣。

采用第3種方案在清吹系統(tǒng)清吹閥控制氣源管道增加三個手動隔斷閥門,如圖4中壓縮空氣進氣隔離閥HV303、兩個排氣隔斷三通閥HV202HV204。燃氣輪機運行時當(dāng)清吹閥20PG-3、20PG-4出現(xiàn)電磁閥卡澀或漏氣故障時,可關(guān)閉HV303阻隔動作氣源,打開HV202HV204卸掉氣缸壓力后進行更換。如清吹閥在啟機過程中出現(xiàn)不能打開故障,在判斷為清吹閥電磁閥閥體卡澀的情況下,可采取臨時措施:關(guān)閉進氣隔斷閥HV303,打開故障清吹閥對應(yīng)的排氣隔斷三通閥HV202/HV204,將清吹閥氣缸內(nèi)控制氣源排放,氣缸內(nèi)氣源排放后清吹閥會自動打開。清吹閥動作正常時,無需操作上述三個隔離手閥,保持閥門正常的狀態(tài),即HV303打開、HV202和HV204關(guān)閉。

圖4 改造后清吹閥系統(tǒng)圖

出現(xiàn)清吹閥打不開的故障屬于偶然發(fā)生事件,清吹系統(tǒng)改造完成后,未再次出現(xiàn)清吹閥打不開的故障。因此某電廠4#機清吹閥系統(tǒng)暫時沒有做改造,6#機改造后的效果到目前未得到有效驗證,但在理論上是滿足需求的。

清吹系統(tǒng)改造可以實現(xiàn)當(dāng)機組運行過程中出現(xiàn)清吹閥打不開故障時,能夠及時到現(xiàn)場進行在線補救,避免因小故障致使機組非計劃停機,提高機組運行壽命,利于中調(diào)對電廠機組實時調(diào)控,減少計劃并網(wǎng)時差過大導(dǎo)致電廠受到調(diào)度機構(gòu)的考核。清吹系統(tǒng)改造也是保證機組能夠安全穩(wěn)定運行的一項安全措施,為值班員面對清吹閥出現(xiàn)故障時提供了在線搶救方法。

5 總結(jié)

機組出現(xiàn)清吹閥故障通常發(fā)生在機組升負荷切換燃燒模式過程中,通常是關(guān)閉后打開過程中出現(xiàn)打開超時,從而出現(xiàn)打開失敗故障。為了避免此類故障的發(fā)生,值班人員應(yīng)熟悉清吹系統(tǒng)的保護控制邏輯,在條件允許的前提下,可以通過加長清吹閥打開的時間來加長故障處理時間,從而阻止自動降負荷的程序走向。除了在兩個清吹閥氣源管路加裝隔斷閥外,可以在機組啟機前試驗清吹閥動作情況,及時發(fā)現(xiàn)故障并消除。定期對清吹閥等重要閥體進行檢查,加強對控制氣源的巡視和維護,檢查控制氣源的疏水情況,排除因氣源濕度過大,導(dǎo)致閥體或閥桿出現(xiàn)銹蝕、卡澀等故障。