西门子V94.3A型燃气轮机点火失败原因分析及改进措施

李华锋

（浙江浙能长兴天然气热电有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引言

西门子V94.3A型燃气轮机2006年首次在国内投运，机组总体设计性能良好，在满足电网调度发电需求、减少污染物排放和降低单位发电能耗等方面发挥了较大的作用。随着多次技术升级，V94.3A型燃气轮机同一型号出现了多个版本。在实际运行中多台该型号燃气轮机发生过点火失败的故障，直接延误机组的正常启动。目前浙江省内燃机发电厂大多数采用日开夜停二班制运行模式，机组点火启动十分频繁，发生点火失败的概率和次数也随之增加。燃气轮机点火失败将造成机组并网时间延迟，发电气耗和厂用电率上升，经济性下降。本文结合燃气轮机实际运行及检修经验，从影响点火成功率的外部原因和内部原因展开分析，针对造成点火失败的主要因素提出针对性的优化改进措施。

1 影响机组点火性能的外部原因

通过统计分析燃气轮机点火失败故障事件，发现引起机组点火失败的外部原因主要包括点火系统故障、火检系统故障和天然气燃料成分变化三个方面。

1.1 点火系统故障

1.1.1 工作机理

V94.3A型燃气轮机配置24个混合燃烧器，每个燃烧器天然气出口安装2根电极。220 V厂用电分别经24个微型整流变压器整流升压后产生±5 000 V的高压接于燃烧器外部接线柱，燃烧室燃烧器布置如图1所示。燃机启动过程中，点火系统接到逻辑指令后在电极末端间隙放电点火，过程持续9 s。在点火开始12 s内火焰探测器监测到火焰则点火成功，反之则点火失败。

1.1.2 点火系统故障事件分析

2017年某发电厂1号机组发生了12次点火失败，打开燃烧室人孔后，实际打火检查确认共有8个燃烧器点火装置失效，占总数1/3。对点火装置实效原因进行分类，其中4个为线路问题（7号、8号、19号、20号），3个为点火电极故障（9号、21号、22号），1个为放电部位间隙不当（11号）。由于全面检修条件不足，临时检修恢复了其中2个。后续15次点火均一次成功。

1.1.3 点火系统故障分析及检查处理

图1 燃烧室燃烧器布置

点火系统的常见故障主要包括点火变压器故障、点火电极故障和放电部位间隙不当三种。各类故障的故障现象、判定方法和处理措施见表1。

（1）整流变压器故障。变压器不工作或出线端升压电压不够，需对整流变压器进行更换。

（2）点火电极故障。在燃烧器组装过程中点火电极折断或点火电极与其他导电体接触造成短路或低电压。建议通过改造加装肋条以加强对电极的保护，改造前后对比如图2所示。

（3）放电部位间隙不当。放电部位电极间隙过大或过小导致电弧难以产生。在点火电极安装完成和检修结束后燃烧室人孔门封闭前，应分别进行放电试验，以排除因安装不当导致的电极折断或放电部位间隙变化。

1.2 火检系统故障

1.2.1 工作机理

火检探头透过火焰观测孔石英玻璃捕捉燃烧室内燃烧产生的可见光，通过凸透镜聚光到光感元件上，光感元件转化可见光，计算出火焰强度信号工作原因如图3所示。

图2 点火电极增加保护肋条改造前后对比

图3 火检探头工作原理

1.2.2 火检探头故障事件分析

事件1：2015年1月某发电厂日常检查中发现燃机一侧火检探头窥视孔透光石英玻璃有一条永久贯穿性裂纹，特氟龙板自身也存在一定的变形，如图4所示；检查另一侧火检探头，发现内侧石英玻璃有局部破损，且存在间隙0.75 mm。及时对两组火检系统进行了维修，更换石英玻璃及特氟龙板，机组随后的点火启动均正常。

事件2：某发电厂在2017年8月，发生一组火检系统失效（每台机组共2组），停机检查发现表面积污较严重，如图5所示，燃机火焰检测探头有三分之一区域有明显的积灰，经过清理，故障现象消失。

表1 点火系统故障检查

图4 火检探头窥视孔透光石英玻璃裂纹

图5 火检探头窥视孔透光石英玻璃积灰照片

1.2.3 火检系统的故障分析及检查处理

火检系统的常见故障主要有以下4种情况，见表2。

（1）外缸透光石英玻璃积污。外缸透光石英玻璃积污将引起透过的可见光过少或亮度过低，可见光难以被捕捉到。特别是点火阶段，火焰自身就比较孱弱，积污严重可能导致点火失败。建议加强对火检玻璃的巡检和清理。

（2）特氟龙板安装偏心。由于特氟龙板安装不当及自身严重变形，引起火检探头未正对石英玻璃，造成可见光从石英玻璃透出也无法被火检探头感知。建议安装时用游标卡尺测量好固定螺栓长度，日常运维中加强巡检。

（3）火检探头故障。内部透镜破裂或光感元件故障造成探头对可见光的感知失效。建议及时更换故障探头。

（4）光强度显示灵敏度过低。在燃机点火过程中点火确实成功，但因为灵敏度设置不当，引起逻辑认为点火失败而停机。在正常情况下，用打火机正对火检探头时，光感强度显示3格较适宜。

1.3 天然气燃料成分改变

1.3.1 天然气燃料成分改变的影响

V94.3A型燃气轮机启动点火采取值班燃烧方式。由升速控制器、速度/负荷控制器、温度控制器、负荷极限控制器、冷却空气极限控制器和压气机压比极限控制器组成的中央最小值选择逻辑电路完成选择后，将所需天然气需求量信号送入天然气分配模块，结合天然气密度和阀门流量开度曲线进行控制阀开度计算，计算完成后控制信号进入值班阀门开度控制器通过伺服器和执行器对阀进行调节[1]。在燃气轮机新安装机组调试时，燃气轮机点火转速的选择依据之一是天然气与空气的配比[2]。天然气成分是根据新机组调试时实际天然气成分进行设定的，在日常运行中的点火转速下，如果天然气成分发生较大变化，将引起天然气热值很难与该转速下空气量很好的匹配而建立稳定的点火混合气，造成点火失败。

1.3.2 天然气燃料成分改变故障分析及处理

排除上述两个点火失败外部原因后，需分析天然气燃料成分改变的可能性。可通过将天然气成分分析报告或在线分析仪数据与最近正常的天然气成分分析数据进行比较判断。确定因天然气成本改变的原因引起的点火失败，可适当降低燃气轮机点火转速来降低天然气成分小幅改变的影响，同时降低点火转速也可以减少对初始火焰的干扰，一般可从原先3.5 Hz左右按0.2 Hz的步长降至3.0 Hz左右，根据点火的实际情况进行小幅度调整。

表2 火检系统故障检查

目前发电厂一般在天然气母管上安装了天然气成分在线分析仪[3-7]，用于天然气成分在线分析比对和运行方式优化。另外可在每台燃气轮机前置模块增装天然气成分在线分析仪，并将分析数据接入燃气轮机燃料监视系统，将该数据与天然气建立函数关系，引入燃气轮机燃料控制系统,在天然气燃料成分发生改变时可进行供应量的实时调整。

2 影响机组点火性能的内部原因

引起燃气轮机点火失败的内部原因主要有点火时IGV（压气机进口导叶）开度较大漂移、值班阀开度设置漂移、天然气环管堵塞以及其他硬件故障等[8-11]。

2.1 IGV开度较大漂移

IGV开度较大漂移会引起压气机的进空气量过大或过小，造成天然气与空气的配比发生较大改变而引起点火失败。

通过现场实测IGV角度，并与系统显示进行比较判断，出现较大偏移情况则应重新调整IGV叶片角度。某机组原配置单个角度变送器，2017年发生IGV反馈异常引起系统判断IGV开度发生较大漂移而点火失败。通过加装了两个角度变送器构成三取中冗余方式，测量准确性提高后，运行至今未发生类似问题。建议对单反馈信号配置进行优化。

2.2 值班阀开度设置漂移

值班阀开度设置发生漂移引起天然气与空气的配比发生较大改变，造成点火失败。需对各调节阀进行检查校验，恢复至原设置位置。

2.3 天然气环管堵塞

天然气环管堵塞将引起进入24个燃烧器的天然气量大幅减少而引起点火失败。需打开位于环管两侧的观测孔，通过内窥镜检查，清理堵塞物，保持流道畅通。

2.4 其他硬件故障

V94.3A型燃气轮机点火须满足燃机点火设定的21条允许启动点火条件，启动点火过程中出现某一条件不符合，则启动点火失败。 系统监控画面自动显示出相应的未满足条件，需根据提示进行相应的故障排除。

3 结语

在燃气轮机启动过程中多次发生点火失败时，应通过分析相关数据、曲线和故障异常现象，对常见的可能因素进行快速排查，分析故障原因，及时找出故障点并修复，确保燃气轮机尽快启动并网。同时根据各版本西门子燃气轮机实际点火故障现象，有针对性的加强设备管理和设备改进，提高燃气轮机点火成功率。本文结合实际的工作经验，针对燃气轮机点火失败总结出了以上这些解决方法，供同类型机组在解决类似故障时借鉴参考[12]。