潘超宇，索志城，張駿利

(天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300)

0 引言

某機(jī)組控制系統(tǒng)采用GE公司的Mark VIe集成控制系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的兼容性好，便于系統(tǒng)中各設(shè)備之間信號(hào)聯(lián)系及邏輯查詢(xún)升級(jí)。從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，采用DLN2.6e燃燒器的9H燃?xì)廨啓C(jī)具有良好的燃燒穩(wěn)定性和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過(guò)程中，很難直接監(jiān)測(cè)高溫部件。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，只有通過(guò)間接測(cè)量的方法，才能判斷高溫元件是否正常工作[1]。透平排氣溫度作為燃?xì)廨啓C(jī)的重要監(jiān)測(cè)參數(shù)，為燃?xì)廨啓C(jī)的性能、燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行以及熱通道部件的狀態(tài)提供了豐富的信息[2]。檢測(cè)到不正常的排氣溫度偏差時(shí)，保護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)的方式通常是運(yùn)行輔機(jī)故障減負(fù)荷(runback)指令。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)了由于排氣分散度高引起的runback案例。

1 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的測(cè)定

在對(duì)燃燒系統(tǒng)的監(jiān)控過(guò)程中，最直觀的數(shù)據(jù)則來(lái)自于排氣分散度[3]。如果在運(yùn)行過(guò)程中熱電偶之間的讀數(shù)差別太大，燃燒系統(tǒng)故障的可能性就更大。加強(qiáng)燃機(jī)排氣運(yùn)行監(jiān)測(cè)，反映燃燒室燃燒情況，便于對(duì)過(guò)渡段和透平性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

燃?xì)廨啓C(jī)的溫度控制建立在對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上。9H型燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度是通過(guò)安裝在輪機(jī)后缸的39支K分度熱電偶獲取的，排氣熱偶位于燃機(jī)排氣擴(kuò)散段排氣集流室下游，其插入深度要能夠滿(mǎn)足測(cè)量排氣氣流溫度要求。39支熱電偶分布在排氣集流室周?chē)?，每支熱電偶都安裝在輻射套管中，套管末端在熱氣流通道中末敞開(kāi)以使探頭端部位于排氣氣流中。39個(gè)傳感器平均值為燃機(jī)排氣溫度值。

2 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度分散度保護(hù)控制

燃機(jī)排氣溫度分散度保護(hù)主要是指，運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)對(duì)排氣溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)排煙溫度分散度大或者排煙溫度場(chǎng)不均勻時(shí)，提醒運(yùn)行人員及時(shí)采取措施。若分散度超過(guò)允許值時(shí)，則會(huì)引起跳機(jī)，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。排氣溫度的分散度包括排氣溫度的最大分散度(TSpread1)、排氣溫度的第二分散度(TSpread2)和排氣溫度的第三分散度(TSpread3)，單位為華氏溫度℉（Tf=32+1.8t，t為攝氏溫度，Tf為華氏溫度）。在操作過(guò)程中，控制器始終監(jiān)控上述三個(gè)差值。

2.1 排煙溫度分散度邏輯計(jì)算

Mark VIe系統(tǒng)是利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣在實(shí)際工況下的三個(gè)分散度值(TSpread1、TSpread2、TSpread3)，與理論計(jì)算出的三個(gè)最大允許值來(lái)判斷燃燒器內(nèi)的燃燒狀態(tài)，從而確定當(dāng)前工況。

39個(gè)排氣溫度由高到低進(jìn)行排列，順序編號(hào)為0～38，即0號(hào)溫度為最高溫度，38號(hào)為最低溫度。

則有：

T1：編號(hào)為1的溫度值(℉)，也稱(chēng)為次高溫度。

T38：編號(hào)為38的溫度值(℉)，也稱(chēng)為最低溫度。

T37：編號(hào)為37的溫度值(℉)，也稱(chēng)為次低溫度。

T36：編號(hào)為36的溫度值(℉)，也稱(chēng)為次次低溫度。

以上計(jì)算得出當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)分散度，為保障穩(wěn)定運(yùn)行，還需得到最大允許排氣分散度(TTXSPR)。

式中:TTXSP為最大允許分散度值，℉;TTXM為排氣平均溫度，℉;TCTDA為壓氣機(jī)最高排氣溫度，℉;TTKSPL5為壓氣機(jī)排氣溫度補(bǔ)償值，為60℉。

通過(guò)最大允許排氣分散度(TTXSPR)，可以得到分散度保護(hù)高一值(TH)、高二值(THH)、高三值(THHH)[4]。運(yùn)行初期GE公司對(duì)于H級(jí)機(jī)組相關(guān)邏輯進(jìn)行技術(shù)保密，故需要參考現(xiàn)已開(kāi)放的E級(jí)機(jī)組的邏輯。

由此可以得到燃機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)排氣分散度會(huì)出現(xiàn)如下幾種狀態(tài)。

狀態(tài)1：TSpread1≥TTXSPR。

狀態(tài)2：TTXSPR＞TSpread1≥0.8TTXSPR。

狀態(tài)3：0.8TTXSPR＞TSpread1≥0.5TTXSPR。

狀態(tài)4：TSpread2≥TTXSPR。

狀態(tài)5：TTXSPR＞TSpread2≥0.8TTXSPR。

狀態(tài)6：0.8TTXSPR＞TSpread2≥0.5TTXSPR。

狀態(tài)7：TSpread3≥TTXSPR。

狀態(tài)8：TTXSPR＞TSpread3≥0.8TTXSPR。

狀態(tài)9：0.8TTXSPR＞TSpread3≥0.5TTXSPR。

在實(shí)際運(yùn)行中僅會(huì)出現(xiàn)以上幾種狀態(tài)，并不會(huì)9種狀態(tài)全部出現(xiàn)。對(duì)于出現(xiàn)溫度壞點(diǎn)的情況，在計(jì)算當(dāng)中，會(huì)首先將壞點(diǎn)溫度進(jìn)行屏蔽，不參與分散度計(jì)算。在去除壞點(diǎn)溫度之后，繼續(xù)將剩下的好點(diǎn)溫度由高到低排序，此時(shí)編號(hào)總數(shù)便不再是0～38，而是去除掉壞點(diǎn)后尚存的好點(diǎn)數(shù)量，此時(shí)分散度為次高值減最低值的計(jì)算，這里不再贅述。

2.2 排煙溫度分散度保護(hù)動(dòng)作邏輯

隨著燃機(jī)啟動(dòng)、點(diǎn)火、加速預(yù)熱至全負(fù)荷，允許的排煙分散度會(huì)隨之發(fā)生變化，其排煙溫度分散度會(huì)呈現(xiàn)在一個(gè)動(dòng)態(tài)區(qū)間內(nèi)。但是這種變化維持的時(shí)間不會(huì)太久。通常在燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定后，其允許的排氣溫度分散度也會(huì)漸漸平穩(wěn)。

排煙溫度分散度必然隨燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程而產(chǎn)生，但是排煙溫度分散度一定保持在特定范圍內(nèi)。若排煙溫度分散度大于最高值時(shí)，燃機(jī)Mark VIe系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)或遮斷信號(hào)[5]。

在分散度保護(hù)動(dòng)作的邏輯中，39個(gè)排氣溫度的壞點(diǎn)位置與分散度的溫度位置會(huì)直接影響到保護(hù)動(dòng)作。所以Mark VIe系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)記錄壞點(diǎn)位置及分散度位置，分散度位置即為計(jì)算中涉及的最低溫度位置、次低溫度位置、次次溫度位置。

當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 850 r/min時(shí)，延時(shí)30 s之后，若滿(mǎn)足以下任意條件，即觸發(fā)燃機(jī)分散度主保護(hù)動(dòng)作。具體條件如下：

1) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)1與狀態(tài)5，并且T38的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T37的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰。

2) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)1與狀態(tài)8，并且T38的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T36的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰。

3) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)4與狀態(tài)8，并且T37的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T36的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰。

4) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)7。

5) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)2與狀態(tài)6，并且T38的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T37的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰，并且高值單側(cè)相鄰兩支溫度測(cè)點(diǎn)均故障。

6) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)2與狀態(tài)9，并且T38的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T36的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰，且高值單側(cè)相鄰兩支溫度測(cè)點(diǎn)均故障。

7) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)5與狀態(tài)9，并且T37的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T36的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰，且高值單側(cè)相鄰兩支溫度測(cè)點(diǎn)均故障。

8) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)6與狀態(tài)1，并且T38的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T37的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰，且T38相鄰一支溫度測(cè)點(diǎn)故障。

9) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)9與狀態(tài)1，并且T38的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T36的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰，且T38相鄰一支溫度測(cè)點(diǎn)故障。

10) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)9與狀態(tài)4，并且T37的溫度測(cè)點(diǎn)位置與T36的溫度測(cè)點(diǎn)位置相鄰，且T37相鄰一支溫度測(cè)點(diǎn)故障。

11) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)1，并且T38相鄰兩支溫度測(cè)點(diǎn)故障。

12) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)4，并且T37相鄰兩支溫度測(cè)點(diǎn)故障。

13) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)3，并且T38旁有兩支溫度測(cè)點(diǎn)相鄰故障。

14) 排氣分散度滿(mǎn)足狀態(tài)6，并且T37旁有兩支溫度測(cè)點(diǎn)相鄰故障。

3 排氣分散度高跳閘案例經(jīng)過(guò)

2021-09-30 T09:10，12號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)升負(fù)荷過(guò)程中負(fù)荷在40 MW，排氣分散度高runback。當(dāng)事故發(fā)生后，機(jī)務(wù)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)透平和燃燒筒均進(jìn)行了孔探檢驗(yàn)，從而確認(rèn)無(wú)燒毀和堵塞問(wèn)題。

在運(yùn)行過(guò)程中，若長(zhǎng)期在惡劣工況下工作，燃機(jī)排氣熱電偶將發(fā)生斷裂問(wèn)題；同樣，若I/O卡件、接地線(xiàn)箱等長(zhǎng)期運(yùn)行，也會(huì)產(chǎn)生端子排松動(dòng)問(wèn)題[6]，熱工專(zhuān)業(yè)對(duì)排氣熱電偶檢查均正常。

4 排氣分散度高原因分析

燃燒異常的因素有硬件故障和非硬件故障。硬件故障包括燃燒筒破裂、形變、噴嘴阻塞等；非硬件故障包括燃燒參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)、空氣濕度溫度變化、燃料成分變化等引起的熄火等。當(dāng)燃燒異常、燃燒室開(kāi)裂時(shí)，或過(guò)渡段損壞引起透平進(jìn)口溫度場(chǎng)不均勻時(shí)，都會(huì)引起透平的進(jìn)口流場(chǎng)和排氣溫度流場(chǎng)的異?；靵y[7]。機(jī)組在進(jìn)行燃燒模式更換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近容易發(fā)生燃燒波動(dòng)，容易造成燃燒模式切換失敗。燃料控制閥流量持續(xù)變動(dòng)，導(dǎo)致天然氣流量總是變化，進(jìn)而加劇排氣溫度更加分散，引起機(jī)組遮斷[8]。

前面提到燃燒異常的案例中，通過(guò)孔窺檢查確認(rèn)硬件設(shè)備正常，可判斷為非硬件故障引起。

隨后對(duì)9H燃機(jī)夏季燃燒調(diào)整數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)9H機(jī)組在夏季燃燒調(diào)整時(shí)，66～100 MW負(fù)荷期間需要進(jìn)行燃燒模式切換，切換點(diǎn)排氣分散度增大[9]。

燃機(jī)各負(fù)荷狀態(tài)下，分散度和排氣溫度的平均值如圖1、圖2所示。將分散度較高時(shí)的各排氣溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行繪圖分析，如圖3～5所示。

圖1 燃燒調(diào)整時(shí)各負(fù)荷分散度

圖2 燃燒調(diào)整時(shí)各負(fù)荷排氣溫度

圖3 燃機(jī)負(fù)荷74.85 MW時(shí)排氣溫度(°F)

圖4 燃機(jī)負(fù)荷79.86 MW時(shí)排氣溫度(°F)

圖5 燃機(jī)負(fù)荷90.16 MW時(shí)排氣溫度(°F)

燃燒調(diào)整時(shí)各負(fù)荷最大允許排氣分散度如圖6所示。

當(dāng)時(shí)燃燒調(diào)整完以后，79.86 MW時(shí)最大允許排氣分散度最低，74.85 MW和90.16 MW時(shí)最大允許排氣分散度較高，隨著機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及季節(jié)性的變化，從而容易在79.86 MW負(fù)荷附近因排氣分散度超標(biāo)引起跳機(jī)問(wèn)題。

5 措施及對(duì)策

進(jìn)入冬季以后再次做燃燒調(diào)整，這次加大對(duì)燃燒模式切換節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化處理，結(jié)合壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法重新設(shè)置燃燒時(shí)各燃料閥的基礎(chǔ)氣量，從而將燃燒切換過(guò)程中的排氣分散度進(jìn)一步降低，增加安全裕量。同時(shí)需要提前與電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行溝通，增加66～100 MW負(fù)荷的調(diào)試時(shí)間。對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的排氣熱電偶加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和檢查，定期更換新熱電偶。

通過(guò)研究排氣分散度對(duì)燃燒系統(tǒng)異常進(jìn)行分析是一種傳統(tǒng)的間接方法，存在一定的延遲。結(jié)合在16只燃燒室中安裝的在線(xiàn)燃燒脈動(dòng)監(jiān)測(cè)探頭(CDM)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，當(dāng)探測(cè)到的脈動(dòng)壓力偏高時(shí)，降低燃機(jī)負(fù)荷，并及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整，有助于快速檢測(cè)異常燃燒情況，有效控制燃燒脈動(dòng)狀態(tài)，從而避免燃燒故障的產(chǎn)生[10]。

6 結(jié)束語(yǔ)

排氣溫度分散度作為燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，通過(guò)監(jiān)測(cè)排氣溫度分散度可以直觀分析燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，可以提升運(yùn)維人員在面對(duì)各類(lèi)突發(fā)事故時(shí)的分析和處理能力，降低運(yùn)營(yíng)成本。

因此，需要持續(xù)對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和總結(jié)積累，加強(qiáng)對(duì)于燃機(jī)燃燒調(diào)整在理論和數(shù)據(jù)上的重視。燃機(jī)電廠需增加對(duì)于燃燒調(diào)整的優(yōu)化力度，只有燃燒調(diào)整做優(yōu)，才能使燃機(jī)在今后的運(yùn)行中少出現(xiàn)問(wèn)題，提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和維護(hù)水平。