M251S 型燃气轮机功率急降故障分析与处理

张雪静

（天津天铁冶金集团有限公司动力厂，河北056404）

0 引言

新天铁公司50 MW 级燃气蒸汽联合循环发电站（简称CCPP）采用了三菱技术制造的M251S 型燃气轮机，属于回收利用低热值高炉煤气，高效进行清洁能源生产的工程项目。2019 年3 月21 日，该机组开机以来，热效率达到40%，发电量约占新铁公司总发电量的40%以上，并且实现超低排放，给公司带来了良好的经济效益、社会效益和环保效益。然而，今年3—4 月份，该机组连续3 次出现“功率急降跳机”的故障。运行人员为维持机组运行，被迫人为降低了机组负荷，负荷率因此下降了30%，每小时少发电约105 kW·h，并造成了高炉煤汽大量放散。

1 故障情况

2019 年3 月27 日、4 月24 日、4 月27 日，燃气轮机正常运行过程中连续三次触发“GEN POWER RAPID DROP ON”（燃机功率急降跳机）故障跳机。燃机跳机后瞬间切断约了13 万标准立方米的煤气用量，煤气管网无法短时间内实现压力平衡，造成了煤气压力升高，煤气管网三管放散被迫开始对煤气进行放散。正常情况下，燃气轮机输出功率与控制信号CSO 数值成正比例关系。然而，在分析了3次跳机CVS 数据及历史曲线后发现，燃机出现功率急降跳机过程中，首先出现了燃机转速下降、燃气轮机输出功率下降，随后控制系统为了维持目标功率值，不断提高控制信号CSO 数值，但仍不能阻止燃气轮机功率、转速快速下降的趋势。当燃气轮机GTC 控制系统监测到燃气轮机修正功率（GEN POWER OUTPUT（CORRECT））与发电机实际输出功率（GEN OUTPUT（ACTLD））之间的差值小于-5MW 时，燃气轮机控制系统就会判定机组工作异常，并触发“功率急降”保护跳机命令（见表1）。由于每次燃机后跳机后都需要1 h 冷却时间，再次实现燃气轮机和蒸汽轮机并网带至少需要3 h。这样就造成了大量煤气放散，不但污染了环境，还造成了约15×105kW·h 的电量损失，直接经济损失达到约10 万元。而且，由于频繁发生跳机故障，造成运行人员不能根据煤气压力及时提高负荷，只能持续低负荷运行，每小时损失约105kW·h 电量，每个月将造成7 百多万kW·h 电量损失，给企业带来了很大的经济损失。与此同时，燃机跳机后由于热部件快速冷却，产生很大的热应力，大幅降低了热部件的使用寿命。

表1 燃机率急降跳机跳机过程（以2019-04-27 跳机数据为例）

2 故障分析

燃气轮机正常运行状态下，经过空气压机压缩的空气与经过煤气压缩机升压的煤气在燃烧器内混合燃烧，产生的高温烟气推动燃机透平部分做功后，排入余热锅炉部分继续换热产生蒸汽并推动汽轮机做功。燃机透平部分输出轴功率一部分用于用于带动空压机、煤压机做功维持系统连续运行；另一部分则通过主齿轮箱减速后带动发电机产生电能。因此，根据能量守恒定律，如果忽略能量损失，可以将燃气轮机能量守恒公式简化为：

透平总功=发电机输出功＋压气机耗功＋煤压机耗功

发电机出口功率快速下降，有4 种可能：第一种是透平总功突降；第二种是发电机故障或功率测量仪表故障；第三种是压气机耗功快速增；第四种是煤压机耗功快速增加。

2.1 透平总功异常分析

M251S 燃气轮机可用热值范围为2 890～3 770 kJ/Nm3，该型燃气轮机采用的是取样燃烧式热值仪来对燃料热值进行测量，并通过调节减热值氮气调节阀及增热值焦炉煤气调节阀的开度来调整高炉煤气热值。由于燃烧式热值固有的测量延时特性（约2 min），造成对燃料热值调节存在一定滞后，这就造成了煤气热值调节存在滞后性。如果管网煤气热值突降，就有可能造成燃烧温度突降，进而造成透平初温突降，透平总功必然就会快速下降。由于根据运行经验，大部分热值波动的原因都是因燃料热值波动引起的，所以在发生跳机故障后，首先对燃料热值数据进行了分析（见表2）。

2.2 发电机及功率测量仪表异常分析

2019 年4 月27 日0 点17 分发生跳机后，通过对前后燃料热值数据进行分析可以发现，热值基本稳定在3 400 kJ/Nm3（如图1），基本排除燃料热值波动造成了透平总功波动可能。而且，跳机前后燃气轮机透平部分各轴瓦振和燃烧器振动均维持在较低水平，排除了透平热部件损坏造成透平输出功率快速下降的可能。综合以上原因，可以排除因透平总功快速下降造成燃机发电机功率急降的可能。

2.3 发电机故障及功率测量仪表故障分析

表2 燃料热值表及折线图

连续发生功率急降故障后，为排除发电机故障，电气人员分别对燃机发电机出口PT 及CT 进行了检查，同时对发电机出口功率表进行了效验，对发电机励磁回路及现场励磁碳刷进行了细致检查。结果均表明电气回路正常，无故障；仪表维护人员对燃机控制柜功率变送器进行了检查，也未发现异常。同时，维护人员通过查看历史记录，对比了发电机出口联络线功率表，发现两块功率表均显示发电机出口功率快速下降。结合燃机功率急降跳机时，燃机转速下降的现象，可以彻底排除因发电机功率测量回路测量偏差，造成燃机跳机故障的情况。

图1 燃料热值变化图

2.4 压气机工作异常分析

燃机压气机属于燃气轮机系统重要部件，承担为燃烧系统提供助燃压缩空气的任务，压气机耗功约占燃机透平总功的1/3 以上。因此，一旦压缩机工作异常或出现失速工况，那么压气机就会喘振的风险，并伴随轴功率大幅波动，耗功增加的工况。在透平总功近似不变的情况下，可直接造成发电机侧输出功率迅速下降。为排除压气机异常的因素，需要对压气机工作效率进行验证。

式中，T2为空压机进口温度（大气温度）；T1为空压机出口温度（TCA 冷却器进口温度）；K为计算常数，取值为1.4；P1为空压机进口压力；P2为空压机出口压力；e为空压机压比。温度为热力学温标、压力为绝对压力。

空压机相关参数见表3。

表3 空压机相关参数

经过对空压机数据分析可以发现，空气过滤器进口差压保持在-1 000 Pa 允许值以内，空压机效率维持在86%以上的高效区间。同时，在运行中也未发现空压机存在异常振动及异响的问题。综合运行数据记录及效率计算数值，可以排除空压机异常。

2.5 煤压机工作异常分析

M251S 型燃气轮机煤压机为轴流形式，由燃机透平部分通过主齿轮箱驱动，为燃烧系统提供压缩后的高炉煤气。由于高炉煤中含有CO、N2、水分、粉尘、氯离子等多种物质，这就决定了煤压机始终工作在复杂、恶劣的工况中，长时间运转势必将造成煤压机气缸、动静叶部分结垢。特别是煤压机动、静叶结垢后，将直接影响到叶片的空气动力学性能，严重影响到煤压机的性能。因此，必须对煤压机效率进行分析计算，才能判断煤压机的工况。

煤压机效率计算公式如下：

式中，T1为煤压机进口温度；T2为煤压机出口温度；K为计算常数，取值为1.4；P1为煤压机进口压力；P2为煤压机出口压力；e为煤压机压比。温度为热力学温标、压力为绝对压力。

煤压机相关参数见表4。

煤压机正常运行效率应该83%～86%，从数据计算结果明显可以发现煤压机小于80%，已经落入低效区间。然而，即使煤压机已近进入低效率运行区间，也不能得出燃机发生功率急降是由煤压机异常造成的。在对煤压机工况进一步分析中，进一步发现煤压机在燃机触发跳机前约1s 时间内，进、出口压力出现了异常波动（见表5）。进出口压力变化见图2。

从图2 可以明显发现，跳机前200 ms 开始，煤压机入口压力异常升高，煤压机出口压力异常下降。由此可以判断煤压机出现了失速现象，一旦某级间气流发生失速工况，如果不进行干预，那么失速情况会迅速向整个叶栅蔓延，整个叶片流道可能被堵塞，煤压机的耗功将大幅增加，甚至可能出现喘振工况，造成设备损坏。

经过以上的分析和计算可以得出结论：燃气轮机的煤压机效率过低，达到某一个临界点时，气流出现失速工况并迅速向相邻叶栅传播阻塞叶道，引起煤压机瞬时耗功大幅的上升；同时，由于燃机控制系统增加的CSO 信号输出不能弥补煤压机耗功的迅速增加，造成透平系统无法维持额定转速，燃机系统转速下降，发电机失步；当煤压机转速随整个燃机系统下降时，煤压机出力进一步下降，更加加剧了叶道的阻塞程度，甚至出现了煤压机出口压力降低，入口压力升高的现象。最终，燃机触发功率急降跳机。

3 故障攻关

为避免煤压机叶栅气流再次进入失速工况，造成再次触发燃气轮机功率急降跳机采取了以下措施：

（1）稳步提高煤压机效率。

①要求运行人员及时关注煤压机效率问题。

避免运行中发生煤压机效率低于80%的情况，及时对煤压机进行果壳清洗，防止叶片结垢，改善叶栅空气动力学性能。

表4 煤压机相关参数

表5 煤压机进出口压力

图2 进出口压力变化图

②要求运行人员热值设定不高于3 150 kJ/m3。

由于煤气密度随热值提高呈下降趋势，因此越高的热值意味着煤压机出力会降低。

③要求煤气压缩机入口煤气温度不超过35 ℃。

由于煤气密度随煤气温度提高也呈下降趋势，因此越高温度就意味着煤压机出力会下降。

④加强对煤压机运行参数的监视，提高燃机负荷过程中保证煤气旁通阀开度不得小于10%，防止煤压机进入不稳定工作区。

⑤更换煤压机可调静叶执行机构伺服阀，保证执行控制精度。

（2）加强对燃机转速的监视，一旦发现转速有下降到2 997 r/min 的情况，立即降低负荷2 MW，防止系统转速进一步降低。

（3）对燃机升负荷率进行限制，要求运行人员每提高负荷1.5 MW 都要稳定运行2 min 以上，再视情况提高燃机负荷，不得连续提高燃机负荷。

4 实施效果

通过实施一系列的调整措施，从2019 年5 月份至11 月份，燃机再未出现功率急降跳机的故障，负荷率也由70%稳步提升至95%以上，每小时联合循环电负荷提高约10 000 kW·h，燃机大大提高了CCPP 机组的负荷率，按照每月可用时间为28 天计算，每个月提升经济效益超过300 万元。

10 000×24×28×0.5＝336 万元

每小时提高燃气轮机发电机功率10 000 kW·h，每天按照24 h 计算，电价按照0.5 元的平均电价核算。

5 结束语

燃气轮机联合循环技术以其高效、环保、比投资低的优势，越来越受到钢铁企业的重视。高炉煤气杂质多、粉尘多的特殊性质，决定了燃气轮机配套煤气压缩机始终在恶劣工况中运行。因此，要实现高炉煤气燃气轮机联合循环发电站稳定、高效的运行，一方面对燃气轮机主机生产厂家在设备设计、制造、组装等方面提出了更高的要求；另一方面也对钢铁企业高炉煤气净化、日常运维、故障诊断等技术提出了更多的挑战。