刘洋 张煜
摘 要：针对AE64.3A型燃气轮机在调试期间和商运初期多次点火失败的情况，通过对其点火系统结构及点火过程的分析，总结了该类型燃气轮机点火失败的原因，并提出了相应的预防和改进措施，使该机组目前点火成功率达到100%。
关键词：AE64.3A型燃气轮机；
点火失败；
故障分析；
优化
中图分类号：TK477 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2023）13-0073-05
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.019
0 引言
潮州某联合循环电厂选用AE64.3A型燃气轮机，是上海电气国产化小F级燃气轮机的首次应用，其配套汽轮机、锅炉、发电机等也均为首台（套）新型设备。该套机组投用后，有效缓解了潮州市及周边地区供电紧张的压力，满足了潮州电网应急调峰需求，在进一步优化潮州市能源结构、助力其绿色高质量发展方面发挥了重要作用。
作为燃气轮机机组，需具备紧急备调、电网调峰、快速启停的功能，为满足上述功能，要求燃气轮机一次点火的成功率达100%。然而，AE64.3A型燃气轮机在启动时多次出现点火失败的情况，导致机组启动延误，达不到电网应急调峰的需求；
且点火失败将导致电厂发电气耗和厂用电率上升，经济性下降，并存在被电网考核的风险。
本文通过对AE64.3A型燃气轮机启动点火过程的介绍和点火失败原因的分析，提出相应的优化改进措施，以期提高该类型机组点火成功率，并为同类型机组提供借鉴参考。
1 点火系统介绍
1.1 点火系统组成
AE64.3A型燃气轮机采用环形燃烧室，配置24个周向均匀分布的混合双燃料燃烧器，燃烧室布置情况如图1所示。
如图2所示，对于燃气模式，燃烧器有两个不同的喷嘴系统：预混和值班燃烧器喷嘴。其中值班燃烧器喷嘴用于点火，在每个值班环腔配备有两个点火电极（图3），220 V厂用电经点火变压器升压至5 000 V，通过点火电极前端放电产生持续的电弧以点燃燃气混合物。
如图4所示，国内AE64.3A型燃气轮机主要以天然气为燃料，天然气经紧急关断阀（FG STOP VALVE），通过预混阀（PREMIX VALVE）和值班阀（PILOT VALVE）的流量控制调节，分别送入每个燃烧器的预混喷嘴和值班喷嘴参与燃烧。
1.2 点火过程
燃气轮机接收启动指令后，通过SFC（静态励磁启动装置）升速进入高盘清吹模式，清吹8 min后降速至220 r/min，启动点火程序。控制系统将点火需求流量（0.015 kg/s）通过阀门流量特性曲线计算转化为开度指令，再通过伺服阀和执行机构对值班阀进行调节打开至点火开度。随即ESV阀打开，点火变压器带电12 s，在电极末端放電打火。ESV阀打开3 s后值班燃料以0.01 kg/s的速度增加质量流量，7 s后增至总点火流量0.085 kg/s。在ESV阀打开12 s内，若至少1个火焰探测器（共2个）检测到火焰，则认为点火成功，否则判定失败[1]。点火过程中的各项参数均由调试期间多次冷态和热态点火启动试验获得，通过测试能成功点火的值班燃料流量和点火转速等参数范围，得到最佳参数组作为点火参数设定值，以有效提高机组点火成功率[2]。
参与修正值班气流量的因素还有压气机入口温度、压气机出口温度、天然气热值（目前为预设值）、IGV开度和透平排气温度修正值（TETC）。AE64.3A型燃气轮机在压气机出口温度低于15 ℃时，通过压气机出口温度与值班气流量函数进行计算修正作为值班气的点火质量流量设定值，再通过值班燃料控制器输出转化为值班阀的开度信号。当压气机出口温度测量不准或热电偶故障时，可在控制系统组态中切换为TETC与值班气点火流量修正函数。
2 点火失败原因分析及处理措施
通过总结调试期间及商运后AE64.3A型燃气轮机点火失败案例，结合调试、运行经验，并从AE64.3A型燃气轮机点火系统组成和点火过程出发对点火失败原因进行分析，点火失败一般可能存在以下故障：
1）点火系统故障：点火变压器故障、点火电极故障；
2）火焰监测系统故障：石英透镜故障、火焰监测控制器故障；
3）天然气参数不满足要求：热值波动、纯度不足；
4）燃料供应系统故障：管线积水、滤网脏污、值班环管堵塞、燃料阀门卡涩。
当发生点火失败时，需对上述故障进行逐一排查，尽快恢复点火条件。
2.1 点火系统故障
2.1.1 点火变压器故障
点火变压器故障一般指变压器产生的电压达不到点火要求、点火电缆短路或接触不良、变压器故障不工作。AE64.3A型燃气轮机配有24个燃烧器和24个点火变压器，但仅在1、4、7、10、13、16、19、22号值班燃烧器喷嘴末端开有点火孔（图5、图6）。点火时，值班燃料从点火孔处流出与空气混合，在点火电极放电产生的电火花下发生燃烧反应，因此实际点火过程中仅开有点火孔的燃烧器参与点火。当点火变压器故障时，为排除变压器的干扰，可将不参与点火的点火变压器的电缆解除。经实际测试，剩余8个点火变压器完全满足点火要求，且解除的点火变压器可作为备件，当有点火变压器故障时直接更换。
2.1.2 点火电极故障
点火电极故障一般指点火电极本体损坏或点火电极的放电间隙不当。AE64.3A型燃气轮机所配点火电极外壳为陶瓷材质，现场安装时极易破损、折断。在燃烧器组装过程中需加强对电极的保护，或者在燃烧器安装完成后，再进行点火电极安装。在安装结束后，需对点火电极外部进行检查，并进入燃烧室内部进行冷态放电打火试验，如果能观测到明显的电火花，则点火电极安装合格，否则应通过弯曲电极来调整两个点火电极之间的间隙，直至能产生持续的电火花。
2.2 火焰监测系统故障
AE64.3A型燃气轮机设有两个在燃烧室周向不同位置的火焰探测器监测火焰，通过感光玻璃片采集光信号，经信号转换器、信号传输电缆及火焰放大器传至控制系统。当两套火焰监测装置均未检测到火焰时，触发燃气轮机熄火保护。火焰信号在传输的任一环节出现问题都可能导致无法监测燃烧状态，从而造成系统误判、点火失败。
火焰探测器中用于感光的石英镜片在运行时间增长后易出现脏污甚至产生裂纹[3]，石墨垫片材质偏软易碎，破损后的石墨渣会影响石英镜片的透光率。因此，需定期对火检玻璃进行检查和清理并进行光感试验，保证火焰探测器的正常工作。
火焰探测器的信号转换器与信号传输电缆通过6针航空插头连接，若电缆固定不牢，插头处易松动且针头可能弯曲折断导致信号传输不良。且若燃气轮机本体保温效果较差，高温环境会加速信号电缆的老化，老化后的电缆易短路并导致火焰放大器内部保险熔断或卡件故障。因此，在安装阶段应对电缆做好固定、屏蔽和隔熱措施。
火焰探头采集的火焰脉冲信号达到一定强度时会触发火焰继电器动作，同时火焰信号的强度可在火焰放大器控制面板（图7）的条形图（Flame Signal）上看到。当出现内部故障或火焰信号强度低时，火焰继电器断开并导致熄火调机。为使火焰监测设备正确工作，必须按技术要求调节火焰放大器的感光灵敏度（Sensitivity）。
2.3 天然气参数不满足要求
燃气轮机点火参数的确定意味着空燃比的确定，空气进气量或燃料量发生变化，都可能影响点火成功率。
2.3.1 空气量变化
在点火转速确认的情况下，空气进气量主要受环境温度、湿度、IGV角度的影响。在夏季和冬季工况下，受环境影响，夏季空气的质量流量小于冬季，因此需要在每年夏季和冬季分别进行一次燃烧调整，以排除环境变化带来的干扰。
AE64.3A型燃气轮机在30%负荷前，IGV始终维持在最小开度。为排除IGV角度对空气量的影响，新机启动前、机组检修后均需对IGV的角度进行复测并进行冷态调节，确保其角度正确。
2.3.2 天然气组分变化
因天然气供应紧张，为保证气源的稳定性，燃气轮机电厂一般设计有多路气源，不同的气源成分有差异，即使是同一气源，在气站上游也无法保证天然气热值的稳定性，经常出现管道气和LNG掺混使用的情况。在点火参数不变的情况下，气源的切换会导致天然气沃泊指数（Wobbe Index）变化。当沃泊指数变化较大时，预设点火参数下的当量比偏离较大，易导致点火失败[4]。为防止热值变化对点火成功率的影响，某电厂在天然气入口母管设有天然气色谱仪[1]，实时监测天然气成分、热值，当参数发生变化时，及时做出调整。同时，可以将色谱仪采集数据引入燃气轮机燃料控制系统，建立函数关系。AE64.3A型燃气轮机控制系统中预留有天然气成分参数接口，后期可经调试实现燃烧参数的在线调整。
为保证进入燃烧器的天然气烷烃浓度100%，在燃气轮机检修或氮气置换后，运行人员应在前置模块排污口通过手持天然气检漏仪检测天然气浓度，当浓度不足时，重新进行天然气置换，防止出现天然气管道置换不彻底的情况。
2.4 燃料供应系统故障
燃气轮机电厂所需天然气经上游分输站进入电厂调压站过滤、调压后，再经前置模块二次加热、过滤，由燃气模块阀门调节后经天然气环管分配至各燃烧室参与燃烧。整条供应管路管线长、关节多，为保证点火成功率，需要燃气供应系统可靠、稳定运行。
2.4.1 天然气管线积水
根据各地区的实际建设情况，上游天然气分输站与电厂的距离有所差异，若距离远会导致天然气输送管道长。且电厂调压站、前置模块、燃气模块均为模块化设计，这也导致空间狭小、管路支路和弯头较多。当环境温度低、湿度大时，特别是在高海拔地区，天然气会在管道内生成凝结水，凝结水量增大会对点火造成影响[5]。因此，建议定期对调压站、前置模块内过滤器进行疏水，必要时启动电加热或通过水浴加热器提高天然气温度。
2.4.2 管线堵塞
天然气进入燃气轮机前需经多级过滤，粗、精过滤器均装有压差指示器和压差变送器，可通过压差示值判断过滤器是否堵塞。但燃气模块入口为一Y型过滤器，无任何监测仪表，随着运行时间增长，无法判断其脏污情况。为防止其堵塞对燃烧产生影响，建议定期对滤芯进行检查，脏污时进行清洁、更换。
在燃气轮机新机组调试时，还会通过冷、热反吹对新安装燃烧器、燃料环管进行吹扫，确保管线清洁、畅通。
2.4.3 燃气阀门卡涩、行程漂移
AE64.3A型燃气轮机采用单独液压油箱供油至燃气阀门油动机，若油质不合格，会造成各液压阀的滤网堵塞、伺服阀卡涩等情况，从而引起天然气流量失调导致点火失败。因此，阀门的精确调节需要满足规范要求的液压油，AE64.3A型燃气轮机选用壳牌L-HM 46抗磨液压油，在阀门调试前需进行滤油工作，直至油质合格[6]。
同样，值班阀行程漂移、异物堵塞、阀笼（控制阀中用于流量调节的结构，如图8所示）错位也会使得天然气流量控制失准而导致点火失败。AE64.3A型燃气轮机燃气阀门选用Pruss阀体和Rexroth液压执行机构。在进行调试前，需先确认值班控制阀阀笼是否安装正确，某电厂调试时就出现值班阀阀笼选用了非调节型和阀笼安装错位的问题而导致点火一直失败。然后通过对值班控制阀进行冷态校验标定零位与满位。在热态调试时，通过比对值班控制阀后的流量计测得的数值，对预设的阀门流量特性曲线进行修正。当出现点火失败故障后，可与之前点火成功时值班控制阀后的流量计数据进行比对来判断值班阀行程是否漂移。
3 结束语
燃气轮机的点火性能是燃气轮机启动过程中一项关键技术指标，可靠稳定地点火是确保燃气轮机能够正常运行的重要环节。本文从AE64.3A型燃气轮机点火系统结构和点火过程出发对影响其点火成功率的因素进行分析，总结调试经验并提出相关设备管理措施和故障排查建议，可供同类型机组在解决类似故障时借鉴参考。
涉及燃气轮机点火成功率的因素较多，日常工作中应加强设备管理和定期维护，在发生点火故障时应对相关数据进行分析，对常见因素进行详细排查，快速找出故障点，尽快恢复点火条件，保障机组按时并网。
[参考文献]
[1] 王鑫.V94.3A型燃气轮机燃烧控制分析[J].发电设备，2010，24（6）：453-456.
[2] 李忠义，崔耀欣，虎煜.燃气轮机燃烧调整和自动燃烧调整技术探讨[J].热力透平，2015，44（3）：183-187.
[3] 李家松，谢亚军.V94.3A型燃气轮机火检装置烧毁原因分析及改进[J].发电设备，2014，28（5）：373-375.
[4] 何翔宇.气态燃料燃烧室点火及燃烧特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2021.
[5] 宋馨.V94.3A型燃气轮机点火失败原因分析及解决方案[J].华电技术，2019，41（8）：24-26.
[6] 彭勇.关于A燃气轮机电厂建设期油质监督管理的探讨[J].能源与节能，2022（6）：148-151.
收稿日期：2023-03-14
作者简介：刘洋（1994—），男，安徽人，助理工程师，研究方向：燃气-蒸汽联合循环电厂生产运行。
张煜（1976—），男，广东人，工程师，研究方向：燃气-蒸汽联合循环电厂生产运行。
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