燃气轮机IGV频繁波动引发机组连锁异常原因分析及处理

浙江浙能金华燃机发电有限责任公司 胡晓明 余 亮 王晓曼

IGV是燃气轮机安全、经济运行的重要部件，通过控制IGV叶片角度从而限制进入压气机的空气流量。IGV的主要作用有两个：燃气轮机启动时IGV处于最小角度34°，使进入压气机的空气量达到最小，防止启动过程中压气机发生喘振，当机组达到全速空载时IGV打开至全速空载角57°；通过对IGV角度的控制实现对燃机排气温度的控制。燃机在部分负荷运行时关小IGV，相应减少空气流量而维持较高的排气温度(接近或高出燃机满负荷时的排气温度)，提高联合循环的总效率。

IGV伺服阀及线性位移传感器（LVDT）原理：经燃机控制系统运算处理后的开、关IGV的电气信号经过伺服放大器放大后，在电液伺服阀中将电气信号转换为液压信号，使电液伺服阀主阀芯移动，并将液压信号放大后控制液压油的通道，使液压油进入执行机构活塞杆下腔，使执行机构活塞向上移动，带动IGV使之开启，或者是使压力油自活塞杆下腔泄出，借弹簧力使活塞下移关闭IGV。当执行机构活塞移动时，同时带动两个LVDT，将执行机构活塞的位移转换成电气信号，作为负反馈信号与之前燃机控制系统处理后送来的信号相叠加，输入伺服放大器。当伺服放大器输入信号为零时，伺服阀的主阀回到中间位置，不再有液压油通向执行机构活塞杆下腔，此时IGV便停止移动，停留在一个新的工作位置。

1 故障经过及运行操作与处理

9E燃机预混稳定燃烧模式（PM_SS）运行，负荷94MW，控制系统频发“LVDT#2 RMS voltage for Regulator 1 out of limits”IGV线性位移传感器LVDT2诊断报警。IGV角度波动范围77～86°。

18:27:28:911燃机发“HYDRAULIC OIL AUX.PUMP RUNNING ALARM”辅助液压油泵（88HQ）自启动报警。

19:15:05:466燃机发“Seismic vibration input#3 high alarm logic”（L39VA_3）、“Seismic vibration input#3 high trip logic”（L39VT_3）”#2轴承振动高报警。

19:15:06:154燃机发“COMBUSTION PRIMARY ZOME AUTO REIGNITION”（L30FPDAR_ALM）燃烧室一区重新着火报警。

19:15:07:154燃机发“EXTEND L-L MODE HIGH EMISSIONS”（L83LLEXT_ALM）扩展贫-贫燃烧报警，随即燃机负荷在3秒内由96MW突降至81.5MW，排气平均温度TTXM最高升至598°。

燃烧室一区重新着火后，检查一区、二区8个火焰强度显示正常，进入扩展贫-贫模式燃烧模式后，检查燃烧基准温度（TTRF1）1111～1112°稳定。运行人员减燃机负荷至55MW，TTRF1最低降至1039°，燃烧模式由扩展贫-贫模式切换至贫-贫稳定模式，重新进行燃烧模式切换，切至预混稳定模式运行。但燃机IGV波动趋势未有好转，向省调申请机组停机检查处理。

2 各异常现象原因分析

2.1 辅助液压油泵（88HQ）自启动分析

88HQ自启动后，就地检查液压油压力112bar；检查辅机间液压油系统及透平间、气体小间各液压油用户未发现明显泄漏。燃机正常运行时，主液压油泵运行、辅助液压油泵备用。因主液压油泵运行时液压油压力在100bar左右，当IGV连续频繁、超限动作可能引起的液压油压力降至动作值（燃机辅助液压油泵保护启条件：转速（TNH）≥95%且液压油压力开关63HQ-1＜93bar动作），造成辅助液压油泵（88HQ）自启动。

2.2 预混稳定模式下，一区重新点火分析

查阅一区重新点火允许（L3TVR）逻辑信号如图1，当满足以下任一条件，重新点火允许（L3TVR）信号置1，控制系统会发“一区重新点火”命令。

图1 重新点火（L3TVR）逻辑信号

正常重新点火（L3FXTV1）：预混模式，一区无火焰的情况下，当燃烧基准温度(TTRF1)小于L26FXL2（定值FXKTL2=1995F=1090.6℃），重新点火允许（L3TVR）信号置“1”；燃烧故障重新点火（L3FXTV2）：在预混模式或预混切换模式下，燃机燃烧故障时，重新点火允许（L3TVR）信号置“1”或预混切换失败（90秒内预混切换未完成），重新点火允许（L3TVR）信号置“1”；贫贫模式选择重新 点 火(L3FXTV4)：“LEAN-LEAN BASE MODE ON/OFF”标靶选“ON”，重新点火允许（L3TVR）信号置“1”。

负荷恢复模式重新点火(L83FXS3)：在预混模式下，发电机开关跳开或燃烧基准温度(TTRF1)小于L26FXS1（定值FXKTS1:1975F=1079.4℃）或经转速及加速度检测到甩负荷，重新点火允许（L3TVR）信号置“1”。二次切换模式触发30s，一区熄火失败或燃料控制阀GCV3未跟随或清吹阀组关闭失败，重新点火允许（L3TVR）信号置“1”。

通过上述逻辑分析：9E燃机在预混模式运行时，要触发“一区重新点火”命令与“燃烧切换温度TTFR1”和“燃烧分散度监测”有关。但（图2）一区回火前TTFR1数值曲势一直比较稳定，且无燃烧分散度故障报警。所以当时控制系统不会发“一区重新点火”命令。查阅“COMBUSTION PRIMARY ZOME AUTO REIGNITION”（L30FPDAR_ALM）燃烧室一区重新着火报警逻辑如图3，其中L2TVXR为重新点火信号，L83FXP2为预混稳定模式，L83FXP1为预混切换，L28FPDX为一区火焰信号。在预混模式下，无“重新点火命令”时，当一区检测到火焰后，会发“COMBUSTION PRIMARY ZOME AUTO REIGNITION”报警。

图2 燃烧室一区回火与燃烧基准温度(TTFR1)

图3 燃烧室一区重新着火报警逻辑

预混稳定模式运行时，燃烧室一区回火原因分析：当9E燃机IGV角度波动，特别是IGV角度关小的情况下，压气机排气压力和一区空气流量减少，燃烧室内高速文丘里出口预混燃料流速降低，容易使二区火焰蔓延至一区，引燃一区预混燃料。

2.3 一区回火后，#2轴承振动高分析

分析图4曲线中燃机BB3、BB4振动特点为：2号轴承振动BB3峰谷间（峰值33.04mm/s：谷为正常值）波形仅持续2秒左右；3号轴振动BB4随一区火焰强度（一般情况下，火焰强度数值达50以上，点火成功）增大逐步上升与BB3同时到峰值（9.14 mm/s）后恢复正常；振动发生前，IGV角度相对稳定，没有大的波动；燃机在高负荷（96MW）预混稳态时出现一区回火，与BB3振动曲势有一定重合性。

图4 燃烧室一区回火与振动

#2轴承振动高原因分析：9E燃机运行在高负荷预混稳态时，燃料配比基本为一区83%、二区17%，燃料与空气在一区进行预混且为贫燃料状态；当一区点火成功（一般情况下，火焰强度数值达50以上，燃机显示有火焰）瞬间，可能产生较大的燃烧脉动，引起燃烧室、透平侧BB3、BB4振动瞬间增大。该现象与以往燃机预混切换振动升高相类似（一般冬季工况下，燃机预混切换负荷值相对较高，往往出现BB3振动高报警；而夏季工况下，预混切换负荷值低，BB3振动基本不报警）。

2.4 燃机负荷突降、排气温度高分析

燃机燃烧室一区、二区8个火焰同时有火，燃烧基准温度(TTRF1)1112°，进入扩展贫-贫模式后，随出现燃机负荷（DWATT）在3秒内由96MW突降至81.5MW，排气温度升高的异常现象。期间天然气P1、P2压力稳定，速比阀开度无异常。通过分析燃机负荷与燃料控制（FSR）变化曲势（图5）可知：

图5 燃机负荷与燃料控制（FSR）

燃机一区、二区8个火焰同时有火，在高负荷下进行贫贫扩展模式燃烧，造成排气温度升高。当IGV开度在1秒内由83.6°突降至78.2°后，排气温度最高升至598°。在排气温度升高后，大于TTRXB控制基准，温度控制（FSRT）逐渐下降；在燃机负荷（DWATT）突降前，因燃机在预选负荷状态，FSRN为最小值输出，此时燃料控制（FSR）输出曲线与转速控制（FSRN）曲线吻合，符合FSR最小门控制原则。

燃机负荷突降后，由于偏离燃机预选负荷，转速控制FSRN增大，退出最小门选择，随后温度控制（FSRT）通过最小门选择，成为此时燃料控制（FSR）输出，符合FSR最小门控制原则；但转速控制（FSRN）退出与温度控制（FSRT）介入期间（2秒左右），正好与燃机负荷96MW突降至81.5MW的时间跨度吻合，该时段的燃料FSR输出并不是通过最小门选择方式，可能会引起燃机负荷的突然变化。

燃机负荷突降、排气温度高原因分析：9E燃机高负荷下进行贫贫扩展模式燃烧，IGV角度突然减小，压气机空气流量减少，造成排气温度升高，同时压气机空气流量突然减少也引起燃机负荷突降；FSR突然降低，引起燃机负荷突降。

3 IGV的检查与处理

9E燃机IGV有两个LVDT（分别为LVDT1、LVDT2）。通过组态设置为两个LVDT进行高选，最大值作为IGV的反馈角度，机组停运后对LVDT进行了检查。查看燃机控制系统组态时发现LVDT1被禁用，只有LVDT2作为IGV的反馈。当LVDT2故障，在频繁波动时，由于LVDT1被禁用IGV反馈角度无法选到LVDT1；处理方法：重新设置组态释放LVDT1，将两个LVDT进行高选，最大值作为IGV的反馈角度。一个LVDT故障时另外一个LVDT作为IGV的反馈角度。