IGCC 低热值燃机启动失败原因分析及处理

（华能（天津）煤气化发电有限公司，天津 300452）

0 引言

IGCC（整体煤气化联合循环）发电技术是目前国际公认的最高效洁净的煤基发电技术[1]，华能天津IGCC 示范项目是世界上第六座IGCC 电站，该项目以国家“十一五”“863 计划”重大课题为依托，现已投产运行6 年多，并于2018 年9 月26 日创造IGCC 机组连续运行世界纪录，为中国电力环保事业做出了突出贡献。IGCC 电站主要包括空分岛、化工岛和动力岛三大单元，由空分岛空气分离产生的纯氧进入化工岛用于气化炉燃烧反应，气化炉中煤与氧气燃烧反应生成合成气后进入除灰脱硫净化系统，净化后的干净合成气进入动力岛低热值燃机燃烧发电，燃机排气进入余热锅炉产生蒸汽推动汽轮机发电[2]。天津IGCC 电站低热值燃气轮机为西门子SGT5-2000E（LC）型号，该型燃机是西门子为IGCC 机组定制型号，在压气机和燃烧器方面针对低热值燃料合成气进行了改进，压气机级数由原来的16 级改为17 级，同时改进燃烧器的燃料管路分布以及喷嘴出口，使空气和燃料气更好地混合，达到低NOX排放并稳定燃烧的目的[3]。该燃机燃用燃油和合成气2种燃料，燃机启动阶段使用燃油进行点火冲转，燃油模式定速3 000 r/min 后进行并网，负荷提高至65%左右选择燃料切换至合成气模式运行，合成气为该型燃机的主要燃料，机组正常运行期间燃机均在合成气模式下。

本文介绍了天津IGCC 电站在2018 年10 月份D 级检修（以下简称“D 修”）工作结束后，出现燃机在冬季工况下点火启动困难的现象，分析了燃机启动失败的主要影响因素，提出优化措施及注意事项，经启动优化试验后实现了燃机的顺利启动。

1 燃机启动控制及其问题

1.1 启动升速控制说明

西门子SGT5-2000E（LC）型燃机的启动由启动升速控制器完成，该控制器的主要功能是将燃机轮机转速由盘车转速提升至额定转速。在升速过程中，不同转速阶段对应不同的升速率，燃料输出量决定了升速率的大小。该控制器还通过MIN（最小值选择门）功能限制燃料量的输出，防止升速过程中出现燃料量过量，损伤机组。当燃机达到额定转速后，燃机控制模式由启动升速切换至速度控制模式[4]，启动升速控制器功能如图1 所示，图中f1（x）为限制燃料过量的限制器，f2（x）为控制燃料量增加的升速曲线，正常升速过程全程由f2（x）曲线完成。

图1 燃机启动升速控制器功能[4]

燃机启动指令发出后，启动升速控制器激活，启动过程分为排气扩散段及余热锅炉吹扫阶段、点火阶段、静态变频器SFC 装置（以下简称“SFC装置”）与燃油燃烧共同做功升速阶段、完全燃油燃烧做功升速至额定转速。选择燃机启动顺控后，燃机靠SFC 装置进行高速盘车（15 Hz 转速），对燃机燃烧室、排气扩散段以及余热锅炉部分进行10 min 连续吹扫，吹扫结束后，SFC 装置退出，燃机进行堕走，降至7.6 Hz 转速以下时，SFC 装置重新启动，燃机上升至点火转速（8 Hz 转速）触发点火子程序，当点火子程序被激活时，点火气管路关断阀打开，经水浴加热被气化后的丙烷气体进入点火气管路，通过左右燃烧室次级合成气环管进入燃烧器，在高压点火电极的作用下被点燃，同时燃油供回油关断阀及调阀打开，燃油通过油管路进入燃烧器喷嘴后被雾化，被点燃的丙烷气引燃被雾化的燃油，完成点火动作，点火成功后两侧燃烧室共4 个火焰检测探头同时显示有火，此时燃烧室负荷指数为3%，该指数表征燃料量，指数越大，燃料量越多，燃烧室负荷指数的增长取决于启动升速控制器中的f2（x）曲线，在不同阶段的转速下，燃料量的增长率不同，因此该曲线决定了整个升速过程中的燃料输出量。当燃机升至38.6 Hz 转速时，SFC 装置退出，此时认为设计压气机产生的空气质量流量与控制器输出的燃油量达到足够量级，足以使燃机在纯燃油燃烧做功下实现加速，直至定速50.05 Hz 转速后等待并网，燃机启动燃料增长曲线f2（x）如图2 所示。

图2 燃机启动燃料增长曲线f2（x）

1.2 启动失败问题描述

在2018 年10 月机组D 修过后，燃机多次出现启动失败现象，具体表现为点火初温高、升速过程中熄火、燃机透平排气温度分散度大，修后由于透平排气温度分散度大跳机的启动曲线如图3 所示。

图3 燃机启动失败曲线

从图3 可以看出，燃机点火初温最高温度达到600℃，远超控制值515 ℃，且升速至28 Hz 左右时，燃机透平排烟温度6 个测点出现明显的偏差大问题，当超过5 个温度偏差大时触发燃机跳闸保护，同时可以看出，燃机在此期间出现升速乏力，转速下坠现象。

燃机透平排气温度分散度大保护说明：燃机透平出口位置，沿热通道内壁一圈分散安装了10只排气热电偶，用于检测透平出口温度，燃机运行在任意工况下，任一透平排气温度测点与平均值偏差大于50 ℃则判断该点测量故障，10 个测点中出现5 个及以上测量故障，则触发燃机保护停机信号，燃机停机。

2 燃机启动问题分析

由于机组D 修后未做热态调整工作，且往年冬季启动次数较少，无过往经验可用，为问题的分析工作增加了一定难度，结合前文燃机启动升速控制及启动失败现象描述，可以看出燃机启动失败的直接原因是：燃机启动升速过程中透平排气温度分散度大及熄火。此2 种故障可以判断为由于升速过程中燃烧不稳定造成的，可归为同类问题进行讨论。

经过对比往年燃机启动历史曲线发现，当环境温度较高（15 ℃以上）时，燃机启动顺利，没有出现过类似点火温度高、透平排气温度分散度大等问题，因此怀疑冬季工况下，由于环境温度较低，空气密度大，加之本次燃机发电机检修，对SFC 装置参数进行了调整，使得压气机产出的空气质量增加，造成升速过程中空燃比变大，过量空气系数的增加引发燃烧不稳定现象。

结合燃机启动升速控制说明以及本次启动失败曲线可以看出，燃机在点火初期，由于点火温度过高，导致OTC（透平排气温度修正值）超过设定值515 ℃，OTC 控制器激活，限制了燃油量的增长，因此在升速初期，燃油输出量增加比较慢，假定压气机出力不变的情况下，参与燃烧的空气与燃料比值逐渐变大，导致升速至28 Hz 左右，左右两侧燃烧室空燃比火焰燃烧状态不稳定，极易发生熄火和偏烧现象，熄火后燃机立刻触发熄火保护停机，偏烧则会导致燃机透平排气温度分散度大跳机，因此点火初温高是造成燃机启动过程中空燃比失调的一个重要原因。另外，以下将对影响燃烧的其他可能原因逐一进行分析。

2.1 点火气系统

根据点火初温高现象分析，可能存在以下几个问题：

（1）点火气管路电伴热故障，导致丙烷气携液进入燃烧室发生爆燃，导致温度突升。

（2）部分点火电极故障，导致燃油在燃烧室上部燃烧不充分，燃油进入燃烧室过渡段后被引燃，造成透平出口温度高。

（3）点火前点火气压力不够，影响燃油燃烧的稳定性[5]。

（4）点火气管路不畅通，会引起点火期间点火气供应不足，引起燃油燃烧不充分。

2.2 进气系统

进气系统由进气滤室、IGV（压气机入口导叶）和压气机组成，空气经过粗滤和精滤2 道过滤后经由IGV 进入压气机，经压气机压缩后产生高压空气进入燃烧室与燃料一起燃烧来推动燃机。进气系统出现异常会造成燃烧室空气进气量偏离正常值，空燃比失调造成燃机启动的困难，以下几种情况会影响进气量：

（1）进气滤室滤网脏污，压气机吸入空气量减少，造成空燃比失调。

（2）IGV 最小角偏离正常值，造成压气机吸入空气量偏离正常值，从而引起空燃比失调。

（3）压气机叶片脏污，造成压气机出力下降，同样影响进入燃烧室的风量，引起空燃比失调。

2.3 燃油供回油系统

燃油系统由燃油供油泵、燃油供回油管线、燃油供回油截止阀及燃油供回油调节阀组成，供回油管路出现异常，会造成燃机点火启动过程中的燃料量偏离正常值，空燃比失调造成燃机启动困难。以下几种情况可能影响燃油量：

（1）燃油供回油调节阀阀门本体下线检修，回装阀门标定后与设计行程有偏差，造成阀门燃料-流量曲线不匹配，导致在燃机启动阶段，燃料量与风量配比失调引起启动失败。

（2）左右侧燃烧室燃油回油管路节流孔调整后使得供回油流量发生变化，导致进入喷嘴的燃料量与正常运行时差异过大，引起燃机启动失败。

（3）燃油油质发生变化，十六烷值含量偏低，减缓其自身燃烧速度，造成燃油燃烧不完全。

2.4 燃烧器

SGT5-2000E（LC）型燃机有左右2 个燃烧室，每个燃烧室内有8 个燃烧器，燃油经供油管路进入燃烧器进行扩散燃烧，燃烧器喷嘴设计有蜂窝状喷射孔，燃油从喷射孔喷出后雾化，雾化后的燃油在燃烧室进行充分燃烧，若燃烧器喷嘴异常，喷射孔存在堵塞现象，会影响燃油雾化效果，继而影响燃烧稳定性，易发生升速过程中由于燃油量不足引起的熄火现象。

3 燃机启动问题解决措施

综合上文分析内容，燃机启动失败的主要原因为冬季低温天气下空气密度大，压气机产出的空气量增加造成空燃比失调，因此本机组在冬季工况启动时需对启动燃料控制曲线f2（x）进行优化，以使启动过程中燃料量的增长更好地匹配压气机产生的空气量，以维持稳定的空燃比，从而达到稳定燃烧的目的。在对f2（x）进行优化之前，需对点火气系统、进气系统、燃油供回油系统、燃烧器等进行全面检查，排除硬件可能存在的问题，确保各个子系统运行正常后再进行参数优化工作。

在对各子系统检查过程中，发现右侧点火气管路存在电伴热故障问题、左右侧燃烧室部分点火电极存在故障现象、进气滤室部分滤网有脏污现象，其他系统经检查均无问题。将上述问题修复后，在SFC 装置参数改回修前值后又进行了一次启动试验，仍存在点火温度高、排气温度分散度大等问题，这更加印证了该机型燃机在冬季工况下出现的启动燃料参数不适用情况，需对启动燃料控制曲线f2（x）进行优化。

因SFC 装置参数修改是经厂家试验后得出的结果，因此决定保持SFC 装置参数不变，对燃机启动参数进行调整，调整前后参数对比见表1。

参数调整依据：通过对比历史启动参数发现，燃机在第一阶段升速时间较之前提高了5～8 s，假定压气机出力较之前无变化，在启动控制燃料量参数不变的情况下，由于短时间内燃机升速过快，造成在第一拐点转速到达时进风量较之前有较大增加，而燃料量的增长是随着时间的推移逐渐增加的，此时燃料量的增长跟不上风量的增加，引起空燃比失调；在第二阶段燃机升速出现乏力，在28 Hz 转速左右出现怠速现象，该现象也是由于燃料量增长过慢，导致推力不足所致，因此调整思路为提高点火燃料量和第一第二阶段的燃料升速率，提高燃机在第三拐点转速GN12 之前的升速率，使燃料量的增长更好地配合空气量的增长，在升速过程中维持稳定的空燃比。经过2 次参数调整试验后，燃机顺利启动，启动成功曲线如图4 所示。

图4 优化后燃机启动曲线

经过启动燃料控制曲线优化工作后，燃机点火初温得到有效控制，点火初温由最高600 ℃降至最高500 ℃，OTC 温度被控制在500 ℃以内（OTC 设定值515 ℃）；燃机左右侧燃烧室火焰燃烧强度稳定，无波动及熄火现象；有效控制燃机在28 Hz 转速时透平排气温度扩散度大问题，由图4 可见两侧燃烧室排气温度升降趋势一致，燃机顺利完成启动过程。

4 结语

本文介绍了华能天津IGCC 电站在冬季工况下燃机启动失败的情况，分析认为在夏季和冬季工况下，SGT5-2000E（LC）型低热值燃机的启动参数存在不通用的问题，在冬季工况下，由于环境温度低，空气密度大，压气机产气量增加，若仍使用夏季启动参数会引起启动过程中空燃比失调，造成启动失败，因此在冬季工况下需对燃机启动燃料控制曲线进行参数调整，以适应冬季工况下的启动。同时，需要注意各子系统的故障排查及修复工作，尤其要定期进行压气机在线/离线水洗工作，防止压气机叶片脏污，出力下降，确保机组各硬件处于健康工作状态。

表1 燃机启动参数调整

本次燃机启动问题的解决，为冬季寒冷天气工况下机组的启动提供了有力保证，同时也积累了宝贵的检修经验，可为国内同类型低热值燃气轮机的研究工作提供参考。