关于9E燃气轮机DLN1.0燃烧系统重点火原因分析及处理

时间：2024-08-31

黄雪成

(惠州深能源丰达电力有限公司，广东惠州 516025)

1 机组概况

某电厂建有两套PG9171E燃气轮机联合循环机组，装机容量为2×180 MW。为满足国家氮氧化物排放要求，于2014年先后进行低氮燃烧DLN1.0改造。改造后，机组NOx的排放量低于30 mg/m3。在DLN1.0燃烧改造同时，将燃气轮机的控制系统由Mark Ⅴ升级为Mark Ⅵe。

2 异常现象

该电厂9E燃气轮机由Lean-Lean模式(简称L-L模式)切换至预混模式时，多次出现重点火的异常现象。此时机组正值升负荷状态，燃烧温度很快超过1 995 ℉，机组由L-L模式转入扩展 L-L模式，然后通过高负荷切换至预混稳态模式。

在出现上述异常现象的同时，依次出现如下报警和事件记录：

1) L30FXML_ALM，DLN PREMIX MODELESS-GOTO SEC LOAD REC。

2) L2TVX1，IGITION TRANSFORMER [95TR-13,14] RELAY。

3) L28FDA/B/C/D，1区出现火焰。

3 原因分析

3.1 重点火原因分析

通过图1可以看出，在信号L30FXML_ALM为“1”的情况下，信号L83FXS3为“1”，即选择第二负荷恢复模式，触发重点火程序。

图1 重点火逻辑图

通过图2可以看出：在一区熄火、二区有火焰的情况下，没有选择L83FXS1(第二切换模式)、L83FXS3(第二负荷恢复模式)、L83FXP1(预混切换模式)、L83FXP2(预混稳态模式)四种DLN燃烧模式，将触发L30FXML信号为“1”，出现L30FXML_ALM信号报警。

图2 信号L30FXML_ALM的触发程序

查看燃气轮机数据曲线，发现：在L-L模式向预混模式切换过程中，燃烧温度TTRF1存在较大幅度的波动，最低值低于1 970 ℉，且至机组重点火前没有超过1 995 ℉，信号L26FXL2一直为“0”，无法选择L83FXP2预混稳态模式；待预混切换完成后一直处于L83FXP1预混切换模式；当气体燃料清吹阀打开时，选择预混切换模式L83FXP1信号为“0”，触发L30FXML信号为“1”，持续2 s 后，机组进入重点火程序。

因此，可以得出如下结论：预混切换过程中，TTRF1波动过大，且持续偏低，无法选择预混稳态模式，导致机组重点火，进入L-L模式。

3.2 燃烧温度TTRF1波动过大原因分析

查看燃气轮机曲线发现：机组预混切换时负荷DWATT、燃烧温度TTRF1、燃料值基准FSR均有比较大的幅度波动，详情见图3。

图3 切换过程中参数波动曲线

通过曲线可以看出，DWATT、TTRF1均有一个异常突起点。其中DWATT突升5.2 MW，TTRF1突升21.8 ℉，而FSR下降1.97%，数据变化异常。

在机组预混切换过程中，燃料基准FSR为转速燃料基准FSRN。FSRN由式(1)[1]计算得：

(1)

通过式(1)可以看出，影响FSRN的因素有TNH、DWATT、TNR。

燃气轮机转速TNH。查看曲线，发现燃气轮机转速变化不足以影响FSR约2.0%的变化值。另外，通过强置TNH为100%进行试验，发现机组预混切换时FSR仍然有几乎相同的下调量，因此可以排除电网频率变化的影响。

燃料转速基准TNR。通过数据记录，发现预混切换时，TNR几乎未发生变化，因此也可以排除TNR变化的影响。

通过排除法可以得知：只有DWATT的突升，才有可能导致FSRN约2.0%的下调量。

在相同的FSRN的条件下，燃气轮机负荷DWATT和燃烧温度TTRF1为什么突然上升呢？

查看天然气控制阀GCV1、GCV2和GCV3的位置反馈，查看速比阀与控制阀间腔室压力FPG2等参数，发现：在FSR迅速下调前，FPG2压力未有明显变化，控制阀GCV1和GCV2位置反馈未有明显变化，说明控制阀GCV1和GCV2阀所进的燃料值正常，未有变化，GCV3阀位有开度，达到2.33%。

在DLN1.0燃烧系统原始设计中，考虑到GCV3管线存在空气，需要提前对该管线进行燃料吹扫，防止切换过程中机组负荷和燃烧温度大幅度变化，预混切换失败。根据上述情况，可以得出：在预混切换前，FSR未有变化的情况下，GCV3阀小开度开启，导致实际进入燃烧室的燃料增加，燃气轮机负荷和燃烧温度升高；根据FSRN的计算公式，在TNR未变化前，负荷上升将致使FSR迅速下调，最终导致DWATT和TTRF1有大幅度波动。

4 解决方案和效果

4.1 提高预混切换点温度

切换过程中，燃烧温度TTRF1波动大，最低值低于1 970 ℉，致使切换完成后触发重点火程序。因此提高预混切换点温度(将L26FXS1信号触发温度由1 970 ℉提高到1 983 ℉)，将整体提高预混切换过程中TTRF1的值，避免切换后燃气轮机重点火。

通过图4曲线可以看出，提高预混切换点温度后，预混切换过程中TTRF1最高点、最低点分别达到2 005.5 ℉、1 976.2 ℉，较之前分别有7～8 ℉的提高，高于预混稳态选择最低温度值1970 ℉，解决机组出现重点火问题。但从TTRF1、DWATT和FSR的波动量来看， TTRF1波动29.3 ℉，DWATT波动4.8 MW，FSR波动1.93%，波动值仍然很大。另外，提高预混切换点温度将提高切换点负荷，不利于机组安全稳定运行。提高机组预混切换点温度，仅影响机组预混切换过程，不影响机组正常运行过程中的燃料配比值和运行负荷状态，故对机组NOx排放无影响。综合来看，该方案可以解决预混切换过程中重点火的问题，但不能消除各参数值大幅度波动，仍然有不足。

图4 提高预混切换点后切换曲线

4.2 降低GCV3的填充燃料值

控制阀GCV3的填充燃料值过大，在未改变FSR的条件下，额外提升燃气轮机负荷，导致机组燃烧温度TTRF1波动过大，从而触发预混稳态模式选择信号L26FXL2为“0”，机组预混切换后重点火。适当降低控制阀GCV3的填充燃料值，可降低DWATT、TTRF1、FSR的波动量，确保切换过程平稳。因此，尝试调整GCV3填充燃料值，降至原始值的66.7%。

经过试验，调整GCV3填充燃料值后，燃气轮机DWATT、TTRF1和FSR值的波动情况有明显改善。通过图5曲线可以看出：

1) 调整GCV3填充燃料值后，切换过程中，TTRF1最高点、最低点分别为2 001.9 ℉、1 984.7 ℉，波动17.2 ℉。

2) 燃气轮机DWATT最高点、最低点分别83.4 MW、82.3 MW，波动1.1 MW。

3) FSR最高点、最低点分别为64.0%、63.0%，波动1.0%。

图5 调整GCV3填充燃料值后预混切换曲线

总的来说，调整GCV3的填充燃料值后，DWATT、TTRF1和FSR等值的波动情况有明显改善，机组频繁出现重点火的问题也得到解决。另外，减少GCV3填充燃料值后，预混切换过程中机组负荷仍然有上升，不影响预混切换，没有带来其它问题。控制GCV3的填充燃料值仅对预混切换过程有影响，所以调整填充燃料值不会影响机组正常运行过程中NOx的排放。综合来看，该方案更优。