海上平台燃气轮机的启动过程及点火故障分析

邓红涛

中国海洋石油国际有限公司 北京 100027

燃气轮机具有结构紧凑、维护成本低、碳排放低以及燃料多样性的优点，因而被用作海上平台的主力发电机组[1]。压气机、燃烧室、透平是燃气轮机做功过程中的重要组成部件。压气机吸入一定的空气并压缩到一定的压力,在燃烧室中，压缩后的空气与燃气混合点火后变为高温燃气，具有了做功能力，燃气在透平中所做的功大于压气机所耗的功，使燃气轮机能输出功率来带动负载。透平的功能是将高温高压燃气中的能量转变为机械能，其中约2/ 3 的能量用以带动自身压气机压缩空气，其余的能量则作为燃气轮机的输出功率带动负载。

以海上平台较常见的小型燃气轮机为例，介绍燃气轮机的启动过程及点火故障分析。SOLAR C40 机组是卡特皮勒旗下的SOLAR 公司生产的适用于海上平台孤立电网的双燃料燃气轮机机组，机组可以使用天然气和柴油2 种燃料。在一般情况下，因为油田生产会产生大量伴生气，可以作为燃气轮机机组的燃料，机组以烧天然气为主，只有当气体燃料系统出现故障或者需要检修，或者气体燃料的压力不足时，才使用柴油做燃料。再则就是油田投产之初或者油田停产大修，工艺流程无法提供天然气作为燃料时，机组运行必须使用柴油。天然气与柴油的转换采用了自动和手动兼有的操作方式，即由天然气工况转换为柴油工况，既可以由控制系统自动实现转换（当燃气压力低于设定值），也可以通过柴油燃料选择开关手动操作来实现转换。然而由柴油返回到天然气时，只能通过气体燃料选择开关手动操作来完成，不能实现自动转换，因为此时需要操作人员确认气体燃料系统已完全恢复正常，燃气轮机在进行燃料切换时会出现短暂的燃油和燃气同时使用的情况，此时需注意燃气轮机的失速现象。

1 燃气轮机的启动过程

从燃气轮机的工作原理可以知道，燃气轮机不具备自启动能力，必须用启动机来带动它旋转加速，在气体通道中建立气流，进行系统吹扫，吹扫完成后进行点火，点火成功后由启动马达和透平共同驱动，燃烧稳定之后，在控制系统的控制下增大燃料，透平的输出功率迅速增大，当透平本身的做功能力增至大于压气机和摩擦耗功后，燃气轮机具备了独立运行的条件，启动机脱扣，燃气轮机靠自身加速至空载工况。

燃气轮机的启动一般可以分为3 个阶段。第一阶段是冷加速，燃气轮机依靠启动机带动从静止状态加速到N1，通常N1=(15%～20%)N0(N0 为额定转速)。对于使用气体燃料的机组，中间包括一次阀门密闭性检测和清吹过程以吹走机体内可能存有的可燃气体，避免点火或者运行过程中可能产生的爆炸等危险状况。第二阶段是热加速，机组从N1 加速至N2(45%～60%)N0,过程中燃气温度显著升高，透平输出功率不断增大，机组靠启动机和透平的力矩来共同克服阻力矩加速，加速至自持转速后，就为启动机脱扣创造了条件，通常N2> 自持转速一定数值，以确保可靠的启动。一般来说燃气轮机转速越高，机组达到自持状态的透平入口温度越低。环境温度越高，达到自持状态的透平入口温度越高[7]。第三阶段是继续热加速，从N2 到额定转速，这段时间内全靠透平的力矩克服阻力矩来加速。在此阶段特定时刻，驱动发电机组的燃气轮机会开始投入励磁，让发电机开始建立磁场，最终建立电压，保持额定的电压和频率。

SOLAR 机组的启动过程同样如此。在使用燃气时，SOALR 机组经过阀门检测、清扫循环、点火程序、加速阶段后实现启动，而使用燃油时，则通过清扫循环、点火程序、加速阶段后到启动成功状态，点火程序在启动工程中是必不可少的一个过程，也是燃气轮机从冷态到热态的一个转换过程。由于海上油气田孤立电网的特殊性，燃气轮机必须保障使用燃油和燃气都能够顺利点火，而点火故障也是燃气轮机启动过程中较常见的一种和频繁出现的一种。

2 索拉机组的点火故障分析

以SOLAR C40 机组为例，使用燃气和燃油的点火控制流程是使用燃气时燃料气系统的主要部件包括燃气过滤器、2 个由仪表风驱动电磁阀控制的失败安全型关断阀（V2P933 和V2P934）、1 个燃气控制阀（EGF344）、燃气分配环管等组成，另从两级关断阀之间引出一股燃气经过两级减压后用作点火燃气。当燃气轮机达到设定的盘车转速，控制系统控制进行清扫循环，完成清扫循环完成后，燃气轮机控制系统控制燃气系统进入点火状态，燃气点火阀（L340－l）将打开，点火变压器（G340）充电，燃气一级关断阀（V2P933）和燃气控制阀（EGF344）打开，燃料气经过两级减压后进入点火头，此时二级关断阀尚未打开，只有点火头内有燃气进入。火花塞（G340）点火，时间为10S），点火成功后，点火头火焰引燃环形燃烧室内的混合气体。燃气流量由燃气控制阀（EGF344）调节。

使用燃油时燃油系统由三级过滤器系统，二级增压系统和燃油关断阀，燃油流量阀，点火管线等组成。清扫循环结束后，控制系统稍开燃油控制阀（ELF344）、燃油压力调节阀（PCV938），部分燃油进入到燃油点火回路，火花塞（G340）充电，燃油启动开始。雾化的燃油被点火头引燃。同时，主油路的喷嘴里充满燃油。压缩空气也进入喷嘴来充分雾化燃油，然后被点火回路已经点着的火引燃。如果透平第三级喷嘴出口的温度检测T5>400oF，则机组控制程序认为机组已经点火成功，进入到加速过程，燃油点火时间设置一般比燃气点火设置时间稍长，为15s。

3 点火系统故障

无论使用燃油还是燃气，点火程序都是必不可少的一个环节。点火系统故障是点火故障中较常见的故障之一。SOALR 机组的点火火花塞电源从控制系统的保险F2061A 接出，接出后经过继电器K2060- 0 的常开点到点火火花塞，到达点火时序后，程序导通发出点火指令，促使继电器K2060- 0 吸合动作，继电器K2060- 0 线圈得电，线圈得电后，常开触点导通，到点火火花塞的24V 电源导通，火花塞动作点火。点火火花塞电路系统常见的故障是火花塞（G340）的损坏，可以通过在程序内强制点火，测试点火线路是否工作正常和点火火花塞是否完好，强制点火时，现场拆除火花塞进行测试，需要做好防护措施，旁通透平区域平台火气系统，机组火气系统火焰探头用黑色胶袋包裹，防止机组火气系统误动作。

点火系统另外一种故障较为少见，点火混合装置的堵塞，燃油或者燃气与点火助燃空气在进入点火时序后都会进入环形燃烧室内的点火混合装置内，形成可燃性混合气体，在火花塞产生的火花作用下燃烧，点火混合装置的堵塞会导致可燃气体无法进入点火腔室内或进入的量不够而无法点火成功。点火混合装置内的燃气和助燃空气通道都设计的极为精细，需要定期使用仪表风强力吹扫确保通畅，或定期进行超声波清洗。

4 助燃空气系统故障

点火助燃空从仪表风系统接入的仪表风经过电磁阀L350- 1，压力控制阀PCV933，单向阀VCH932，电磁阀L348- 2 后进入点火装置，压力控制阀PCV933 压力设点为如4.5- 17PSIG(31- 48.3KPA)ABOVE PCD。另有一路主助燃空气经过压力控制阀PCV952 后供给各燃烧喷嘴助燃空气。

助燃空气系统常见2 种故障，一是由于压力控制节流导致的仪表风中的水蒸气凝结成液态水集聚在助燃空气管线内，导致点火混合物湿度大从而导致点火效果不佳[8]，需要定期拆开点火助燃空气管线进行清理。另外一种是由于压力控制阀设点漂移造成的助燃空气供气不足，此种情况主要发生于PCV952 或者PCV933，处理方法为对2 个阀门进行校验或者更换新的压力控制阀。助燃空气系统中的电磁阀故障不能打开同样会造成点火失败，电磁阀的故障可以通过在PLC 程序中强制电磁阀动作来验证电磁阀是否完好。助燃空气系统中的压力控制阀故障对柴油雾化效果的影响，是造成柴油点火故障的重要原因之一。

5 燃料系统故障

SOLAR 机组是双燃料机组，主要使用油田伴生天然气为燃料，柴油为备用燃料。使用天然气或柴油点火不成功时需要分别检查天然气系统或柴油系统。

5.1 天然气系统故障

点火燃气从主燃料气管线的二次关断阀V2P932 和燃料气控制阀EGF388 之间引出，经过两级减压PCV930- 1 和PCV930- 2 以及关断阀V2P940 及单向阀VCS933- 2 后进入点火混合装置。其中经过二级减压阀后的压力根据PCV930- 2 的设点判断约为35kPa 左右。燃气系统造成的点火故障在机组运转中较为少见，燃气系统的关断和压力控制阀均具有较高的稳定可靠性。如遇燃气系统故障可外在点火器处外接压力传感器来判断具体是哪个阀门产生的故障。一般燃气点火故障可以从点火头是否堵塞，点火燃气两级减压后的压力是否符合要求等方面着手，点火器堵塞会造成点火器内燃气进入量过少，而两级减压阀失效会造成进入点火器内的燃料过多，2 种情况都不利于燃气轮机的点火。

5.2 柴油系统故障

燃油点火流程与主燃油流程在关断阀V2P949 之前相同，在关断阀之后，点火燃油线路经过电磁阀L348- 1，单向阀VCS933，经过单向阀VCS933 之后，点火燃油一路经过孔板FO936 到点火装置，多余的燃油经过孔板FO934 到废油箱。

主燃油系统中增压泵，高压泵工作正常与否，双联过滤器，高压过滤器是否堵塞都是影响柴油能否顺利点火的重要因素，需定期检查更换过滤器。在点火过程中要观察燃油增压泵和高压泵出口压力，增压泵出口压100～200kPa，高压泵出口压力为2000～3000kPa, 如压力异常，需要检查柴油增压泵和高压泵。

柴油系统中常见的引起点火失败故障的两个部件为孔板FO936 和孔板FO934，前一个的堵塞容易造成进入点火混合装置内的柴油不足，无法点燃，而后一个的堵塞容易造成进入点火装置内的柴油过量，同样会造成无法点火，对这2 个孔板需要定期的清理清洗或更换。

控制系统中与柴油系统相关的2 个重要参数也会影响点火的成功率，一个是点火时的喷油量，一个点火成功后的递减量。喷油量过小导致不易点火，递减量过大有可能导致点火后熄火，合理调整这2 个参数也是机组使用柴油成功点火的关键因素。

6 结语

燃气轮机的点火故障根据燃烧的基本原理进行排查。可燃物，氧气，点火源是燃烧的3 个要素，缺一不可。在燃气轮机点火过程中，可燃物是柴油和天然气，氧气是仪表风助燃系统，点火源是火花塞。根据各自的流程图对故障可以追根溯源，逐步进行排查。同时日常运行中的经验和一些方法也可以加速故障查找的过程，节约时间，燃油燃气都无法点火成功时，需要首先考虑点火系统的故障原因，仅是燃油点火故障时则可以先从燃油系统故障开始排查。