6FA燃气轮机进气加热系统跳机故障分析处理

金向阳，梁华锋，俞立凡，丁智华

（杭州华电下沙热电有限公司，杭州 310018）

0 引言

燃气轮机的IBH（进气加热系统）通常用于防止冬季压气机进口结冰[1]，具有扩限制压比超限的作用，在压气机进口可转导叶的配合下，可以有效解决干式低NOX燃烧室预混燃烧工作范围狭窄的问题[2]。

通常GE燃机具有10%的通流余量，通过IBH可使6F机组的压气机喘振余量达到12%。在实际运行中，IBH不仅会影响燃机的功率和热效率；而且在IBH故障时，还可能影响机组的安全运行。因此，下面就6FA燃机IBH的一次故障跳机原因进行分析探讨，提出了提高燃机机组可靠性的管理及技术建议，为燃气轮机机组的安全运行提供参考。

1 概况

1.1 IBH的原理

6FA燃机IBH的原理如图1所示，该系统通过将少量压气机排气抽出，回送到压气机进口，实现对压气机进气加热[3]。即：IBH是压气机进口—出口间的再循环，利用它可以将出口大于300℃的排气引到进口，以提高进口温度（防冰）；在燃烧初期，虽然IGV（压气机进口导叶）开度已经在最小，但可以作为减少燃烧空气量的手段；另外，也是在低负荷阶段控制燃烧排放的手段[4]。

图1 燃气轮机进气加热系统原理

IBH控制阀是由仪用气压力调节阀和具有I/P（电流-气动压力）转换的气动执行机构驱动组成的系统，气源来自机组的仪用空气系统。当控制系统输出不同的电流时，经I/P转换后，控制阀在不同的气压作用下开度不同[5-6]。根据GE资料，IBH动作特性见表1。

表1 6FA型燃机IBH动作特性

1.2 IBH的主要保护

IBH设置了进气加热系统故障报警和进气加热控制阀保护开启[7]，其中：燃气轮机全速后在以下3种情况下，将发出进气加热系统故障信号（IBH指令反馈不跟踪报警）：

（1）控制阀反馈未能跟踪命令值，偏差大于15%，且持续15 s以上。

（2）IBH手动控制阀未开。

（3）进气加热系统控制阀后压力变送器故障。

以下3种情况会使进气加热控制阀保护开启（IBH故障，自动保持全开状态）：

（1）大气压力变送器指示在高限值，即变送器指示达到 822.96 mmHg。

（2）机组全速情况下，控制阀反馈未能跟踪命令值，偏差大于15%，且持续15 s以上。

（3）压气机压比超过最大允许极限持续超过规定时间。

2 IBH故障引起跳机事件分析与处理

正常情况下，IBH控制阀跟踪控制命令输出。如果一段时间内，阀门的实际位置偏离阀门命令设定点Ⅰ值（一般为10%）时将报警；偏离设定点Ⅱ值（一般为15%）15 s后进气加热保护动作（IBH全开）。IBH系统用来监控压气机入口空气流的温升，温度的升高作为排气流量的指示值。如果在一个设定的时间内没有检测到一个足够的温升，那IBH也会保护动作全开[8-10]。

2.1 跳机事件经过

2017-03-03 T 07：14：50 机组并网后负荷为18 MW，07：24：59 IBH 控制阀反馈偏差大于10%、偏差大于15%报警，IBH控制阀电磁阀跳指令触发， 07：25：00 3 号、 4 号火焰探测信号丢失， 07：25：01发电机逆功率动作跳闸，燃机全速空载，07：25：10燃机燃烧分散度高跳机（燃机报警界面首次出现）。

2.2 事件后检查

查阅历史记录，IBH进气加热控制阀反馈与指令偏差大于15%且开度大于50%，IBH控制阀电磁阀动作指令触发，仪用气控制阀失电，IBH阀全开，L83GVMN（IBH故障IGV最小允许）信号动作，IGV开度43.5%升至55%。在IBH、IGV开启过程中，燃烧出现异常，燃机分散度开始上升、负荷不断波动并骤降（18 MW降到0 MW）至燃机全速空载，发电机解列动作。随后，排气分散度升至跳机值，最终触发燃机主保护动作。

检查IBH进气加热控制阀，指令-1%，反馈-7.8%。现场检查IBH进气控制阀反馈指示位置偏离，模拟给定IBH进气加热控制阀指令20%，盘面显示反馈为2.7%，模拟给定指令开度40%，盘面显示反馈为17.8%，模拟给定指令开度90%，盘面显示反馈为64.8%；检查就地IBH阀门传动杆下部固定螺栓松动，如图2所示，造成位置反馈电位器受传动杆被压，反馈上限约70%，连杆受归位弹簧作用，会跟着阀门的变化，但存在较大偏差。

图2 IBH阀阀位传动、反馈机构照片

2.3 原因分析

检查发现事件是传动杆固定螺栓松动，造成位置反馈电位器与阀位传动杆脱离，导致阀位指令与阀位反馈偏差较大，当偏差大于10%时报警；大于15%且持续15 s后IBH全开。位置反馈电位器与阀位传动杆脱开情况可以分成以下两种可能：

（1）脱开时位于传动杆的上部，由于位置反馈电位器上有归位弹簧，所以，位置反馈应一直显示100%。

（2）脱开在传动杆的下部，位置反馈电位器受传动杆压着，开到约70%就上不去了，又受归位弹簧作用，会跟着阀门的变化，但会存在偏差。此外，由于阀门反馈跟不上（偏小），会造成IBH实际开度过大，一则再循环降低压气机出口空气量；二则再循环提高压气机空气温度，降低压气机效率，还将降低压气机出口空气量，即燃机燃烧的空气量不够，引起排气温度会偏高。

2.4 结论

根据上述分析，跳机原因为IBH进气控制阀传动杆反馈固定螺母松动，引起反馈偏差大于15%，触发IBH控制阀开度故障报警并全开，同时IBH故障信号致IGV开度瞬间从43.5%开大到55%，导致燃烧不稳定，3号、4号火焰探测器探测到火焰丢失，燃机负荷同时快速下降至0 MW后，发电机逆功率保护动作，跳发电机断路器，随后，燃机在全速空载过程中，因分散度高导致跳机。

事件后，紧固IBH控制阀传动部件松动的螺母，采取防松动措施，校对控制阀指令与反馈在标准范围内，机组运行正常。

3 提高燃机机组可靠性措施

随着国内燃机发电机组数量不断增加，控制系统运行维护的可靠性对机组的安全运行已日趋重要[11-12]，如上述事件仅仅是IBH进气控制阀传动杆反馈固定螺母松动引起，如果检修维护到位本应可以避免。为减少类似事件的发生，提出以下防范措施供参考。

（1）IBH在燃机系统中虽然属于辅助系统，但安全可靠性也影响机组的安全。因此，通过跳机案例的分析，引起机组运维人员的重视。今后启动试验增加IBH阀位试验；每周维护增加IBH现场阀位反馈机构的检查。

（2）热控原因导致燃机机组跳闸事件时有发生，虽然因素很多，但主要还是与各类人员自身安全意识淡薄、安装调试把关不严、工作不严谨、检修维护不到位等有关[13-14]。因此，应通过收集热控系统典型故障分析处理案例，统计、总结和提炼经验与教训，再有针对性的对热控人员进行培训，以提高专业人员的安全意识、故障分析处理能力和操作技能。

（3）为贯彻落实“坚持预防为主，落实安全措施，确保安全生产”的方针，提高热控系统的可靠性和机组运行的安全稳定性，应收集并针对燃机电厂热控系统曾经发生故障的原因，事故的教训和运行检修维护管理工作中的问题，专题研究后，提出燃机电厂热控系统可靠性优化要求与事故预控技术措施，指导现场人员查找设备缺陷和潜在隐患，制定有效措施加以预控[15]。

（4）迄今为止，我国尚无适合燃机机组热控系统与设备检修运行维护的规程，一直以来以参考DL/T 774进行，但该规程中相当部份内容不满足燃机机组热工设备运行检修的需要，且一些重要设备与系统的检修运行维护规程中没有给出。因此应在消化吸收国外技术管理经验的基础上，收集、总结、提炼国内燃机机组自动化设备运行检修和管理经验和事故教训，制定一部燃气轮机热工设备检修运行维护相关的规程，可为规范燃机控制系统的检修维护工作提供标准指导，以提高燃机机组检修运行维护质量。

4 结语

燃气轮机自动化程度高，机组的启动、运行、停机过程全程按逻辑自动执行，除了对控制系统的稳定性有很高的要求外，现场设备的任一环节出现异常都可能导致运行中断，出现类似非停事故。技术人员在注重现场设备巡查、检修外，还需慎重的审查保护逻辑，加强管理，提高对设备状态的把握能力，确保机组的安全、稳定运行。

当然，加强与设备厂家的沟通也非常必要，如设备制造商若能对控制逻辑（在IGV开度小于55%工况下，因IBH故障，将导致IGV迅速开大造成的燃烧脉动，并由此触发保护动作）进行优化，则更合理。