PG9171E燃气轮机防喘电磁阀20CB-1故障分析及技术改进

PG9171E燃气轮机防喘电磁阀20CB-1故障分析及技术改进周建，李晓柯（华能金陵燃机热电有限公司，江苏南京210034）摘要：本文叙述了压气机喘振的原因，介绍了9E机组防喘放气阀工作原理及相关保护逻辑分析，以及说明对防喘放气阀的控制电磁阀20CB-1的技术改进措施。关键词：燃气轮机；IGV；防喘电磁阀20CB-1；防喘阀；技术改进0引言华能金陵燃机热电有限公司拥有两套9E燃气轮机联合循环热电联产机组。两套机组分别于2013年4月6日和2013年5月28日通过72+24h考核运行，主机设备由南京汽轮电机集团总承包提供，燃气轮机采用南汽与GE公司联合生产的PG9171E型重型燃机，汽轮机为南汽生产的单缸、双压、无再热、下排汽、单轴抽汽凝汽式供热机组，型号LCZ60-5.8/1.1/0.58；燃机发电机与汽机发电机为南汽生产箱式结构、旋转无刷励磁、空气冷却，型号分别为QFR-135-2和QFW-63-2；余热锅炉为中国船舶重工集团公司第七零三所研制生产的卧式、无补燃、水平烟气流、双压、自然循环锅炉，型号为Q1178.6/546.4-190.3-6.0/521；DCS为艾默生公司的OVATION系统。自投运以来，相继发生了2起运行中压气机防喘放气阀控制电磁阀20CB-1失电，机组运行中防喘阀开启，燃机排气温度高机组跳闸。基于9E燃气轮机的防喘放气阀工作原理及相关保护逻辑分析，对原防喘阀控制电磁阀控制进行技术改造，排除隐患确保机组安全运行。1压气机发生喘振的原因压气机在设计工况下运行时，各级气流的冲角一般为零或接近于零，这时压气机的效率最高。当空气流量减少到一定的限度下，压气机运行工况点移到喘振边界线的左侧，整台压气机就不能稳定地工作，产生失速和喘振。在机组运行中，绝对不允许压气机在喘振工况下工作，否则在很短的时间内会使整个机组遭到破坏。喘振的先兆是失速，因此首先讨论失速的机理。失速现象在轴流式和离心式压气机中都会发生，机理也相似。因此，轴流式压气机失速的讨论，原则上对离心式压气机也是适用的。失速现象的产生，来源于压气机叶栅气流的分离。压气机的运行设计工况，当流量增大而转速不变（轮周速度不变）时，就出现负冲角0。当负冲角增大到一定程度时，在叶面凹面上会出现附面层分离。大量实验证明，叶面凹面上的附面层分离不会无限制地发展。所以，在负冲角的工况下，压气机的增压比有所下降，也会产生局部的气流分离区，但不至于发展成气流倒流的不稳定状态。当流量减少而压气机轮周速度不变时，则情况迥然不同。这时出现正冲角0。附面层分离区产生在叶面的凸面上。气流分离区一旦在凸面上出现，就有持续发展的趋势，这时级的升压比升高。当正冲角增大到一定程度时，气流分离区充满了大部分或整个通道。这就是失速的现象。严重时，还会产生气流的倒流，即从出口边倒流回入口边。在变工况运行时，如压气机转速下降时最容易出现前几级产生旋转失速和喘振问题。9E燃气轮机采取了两条防止压气机喘振的措施：压气机设置进口可调导叶IGV和压气机11级抽气防喘放气阀。2防喘放气阀工作原理及其控制保护逻辑GE公司防喘放气阀是靠弹簧和压气机排气压力（AD-1）来控制其开闭的。由压气机排气接头AD-1引出的空气经隔离阀、过滤器、和电磁阀20CB-1送入放气阀的下端，弹簧作用在放气阀的上端。若弹簧的力量大于压气机的排气压力（没有压气机的排气送入放气阀或压气机的排气压力很低的情况）则放气阀开启，允许防喘阀开启放气；若压气机的排气压力能够克服弹簧的力量，则放喘阀关闭，停止放气。在启动之前及机组并网之前的这一段时间内，电磁阀20CB-1不带电，在弹簧力的作用下，放气阀开启，压气机实现放气的功能。在并网之后，电磁阀20CB-1带电，此时压气机的排气压力AD-1已达0.6--0.7MPa，能够克服弹簧的压力而将4个放气阀关闭。在机组并网运行期间，防喘放气阀应处于关闭状态。为了便于机组启动前对防喘阀进行活动试验，本厂在基建时对防喘阀的控制气源进行技改增加一路仪用空气作为控制气源，正常运行中防喘阀气源使用仪用空气供给，压气机排气AD-1处于关闭状态，压气机防喘阀详细控制气源见图二。GE公司对9E燃气轮机防喘阀控制和保护逻辑总结归纳如下：（1）防喘放气阀在启动前（或停机后）任一个没有完全回到开启位置，该位置开关就处于接点打开状态。这种情况下，燃气轮机将禁止启动（L86CB上电）。（2）在燃气轮机并网后，20CB-1上电，随着L20CBX的置1，11s后L20CBY置0，若此时仍有防喘放气阀关的位置开关未动作或到位，燃气轮机就会自动降负荷解列。（3）在燃气轮机解列后，20CB-1失电，随着L20CBX的置0，11s后L20CBY置1，若此时仍有防喘放气阀开的位置开关未动作或到位，燃气轮机就会终止降速程序，延时120s后，若防喘阀仍未打开，则燃气轮机跳闸。3防喘电磁阀20CB-1故障案例分析3.1事件经过2013年6月9日某厂#5燃机BASELOAD，115MW，09:49:44压气机防喘阀4只运行中开启，发“#5燃机防喘放气阀位置故障”，“防喘放气阀开启限负荷”报警，9:49:46发“overtemperaturetrip”（排气温度高保护动作）报警，#5燃机跳闸及联跳#6汽机。3.2原因分析查看#5燃机的历史记录，发现09:49:44四只压气机防喘放气阀均开启，机组降负荷。由于燃机防喘抽气阀查防喘放气阀开启后，造成压气机出口空气流量急剧下降，虽然机组降负荷指令已发出，但燃料量变化滞后，2秒钟后，致使#5燃机排气温度由1042华氏度突升为1083华氏度，超过燃机排气温控基准40华氏度，#5燃机跳闸。因此造成此次#5燃机跳闸的原因是防喘抽气阀故障开启，防喘抽气阀开启可能的原因：1、防喘抽气阀控制气源电磁阀20CB-1电磁线圈烧毁或电源中断，电磁阀关闭，导致防喘抽气阀失气打开。2、防喘抽气阀气源过滤器堵塞，控制气源压力低导致防喘抽气阀失气打开。3、防喘抽气阀气源过滤器底部堵头脱漏。4、防喘抽气阀控制气源管道出现漏点（管道断裂、法兰处脱落、砂眼等）致使供气压力低。3.3处理情况1、热控人员在MARKVI中强制20CB-1开启，现场检查20CB-1动作正常。同时检查四只压气机防喘放气阀关闭正常。2、更换了#5燃机20CB-1控制卡件3、更换了控制卡件至20CB-1的电缆4、更换20CB-1电磁阀3.4暴露问题GE公司曾经发过的的TIL1871文件中提醒制造厂，序列号为SC6889–SC7642的20CB-1电磁阀被列入不合格产品，经GE现场TA对#5燃机20CB-1电磁阀检查发现，该电磁阀的序列号是SC7180，在不合格产品范围内。图一：现场故障电磁阀的序列号4、防喘电磁阀20CB-1技术改进9E燃气轮机共有四个防喘放气阀，目前这四个防喘阀的气源由同一个电磁阀控制。在机组运行过程中如果该气源控制电磁阀由于意外失电等原因使得四个防喘阀排气打开，将导致机组非停。为了降低机组并网后防喘阀误动的概率，对9E燃机压气机防喘阀控制电磁阀作技术改进，具体方案如下：（1）在燃机防喘阀原气源电磁阀后加装一个同类型电磁阀参与控制，管路连接如图三所示。当需要进气关闭防喘阀时，同时使主辅电磁阀得电，如需打开防喘阀，同时使主辅电磁阀失电排气即可。机组运行中主辅电磁阀任一电磁阀失电不会影响防喘阀气源供给。（2）选择轮控盘1D2A卡件的第十路继电器通道作为新增电磁阀的信号输出通道，并在MarkVI控制系统中新建信号点G2\l20cb2x关联该硬件通道，修改相应逻辑，在G2\l20cb1x出口逻辑处并联增加G2\l20cb2x。图二：电磁阀改造前原理图图三：电磁阀改造后原理图4、防止9E燃机防喘阀故障的技术措施随着机组运行时间和启停次数的不断增加，燃气轮机本体金属材料趋向老化、锈蚀，肯定还会出现许多意想不到的问题，给机组长期连续运行带来很大的压力，但只要对可能发生的问题有一定的前瞻性，通过故障原因分析，举一反三，有针对性提出技术防范措施，就能避免同类事件的再次发生。例如：（1）加强设备检查、维护，缩短检修周期。将燃气轮机重要电磁阀（如20CB-1）进行解体检查列入燃气轮机年度检修和临检必修项目。（2）利用燃气轮机年度检修和临检机会，对燃气轮机所有抽气管路滤网检查清洗,防止滤网堵塞；并对控制气源管路隔离阀检查关闭严密性。（3）运行值班员熟知相关电磁阀及逻辑技改内容。（4）每次机组启动前做好防喘阀活动试验。5、结论介绍了华能金陵燃机热电有限公司9E燃气轮机发电机组投运以来涉及防喘放气阀电磁阀故障的相关技改情况。随着机组运行时间的增加，设备频繁故障问题将成为影响机组可靠运行的重要因素，因此在日常维护工作中，对设备缺陷及隐患都应进行及时分析、处理，避免故障扩大；同时应加强对MarkVI控制系统盘面的监视，对故障点或卡件应及时更换；对系统的电磁阀及气源进行定期检查，周期性进行更换，对不合理逻辑进行研究，并做出相应技改，以确保9E燃气轮机的安全稳定、可靠运行。参考文献：[1]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M]．北京：机械工业出版社，2000.[2]GE公司运行与维护手册GE资料.[3]杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行[M]．北京：中国电力出版社，2003.作者介绍：周建（1982--），男，江苏盐城人，华能金陵燃机热电有限公司运行值长，从事燃气轮机运行工作。李晓柯（1986--），男，安徽宿州，华能金陵燃机热电有限公司运行主值，从事燃气轮机运行工作。