燃氣電廠啟動鍋爐燃燒系統可靠性優化
摘 要：本文通過分析燃氣電廠啟動鍋爐燃燒器控制時序圖，採取主燃氣閥電源迴路優化、燃燒器火焰探測器穩定性提升等措施，有效提高啟動鍋爐的啟動成功率和穩定性，保證燃氣聯合循環機組啟動初期所需要輔助蒸汽的蒸汽品質，提高機組啟動成功率和併網準點率。
關鍵詞：啟動鍋爐；燃燒器；控制系統；改造；優化
0 前言
某GE 9F 燃氣電廠配套了2 台荷蘭HKB 公司的SHP-D啟動鍋爐，兩台鍋爐一用一備，燃料來源為天然氣。該鍋爐為採用三回程全濕背結構的火管快裝鍋爐，三回程全濕背結構可使煙氣溫度降到合理的範圍，從而煙氣與鍋爐爐水的熱量轉換達到最佳效果，具有較高的熱效率。
該鍋爐採用雙爐膛布置，配置雙燃燒器，每個燃燒器手動可單獨啟動，但僅作為應急啟動，不可長時間運行。
正常運行時，燃燒器處於自動控制狀態，接受控制系統的負荷指令，自動調節燃料量和空氣量，同時兩個燃燒器之間互為聯鎖跳閘，其中一台燃燒器故障跳閘時，另外一台燃燒器聯鎖跳閘。
燃燒器的運行調整包含燃氣進口壓力調整、空氣量調整，務必使爐膛內保持正常的穩定燃燒，火焰中心應呈明亮的藍色，爐內保持正壓，煙囪不冒黑煙，在初期調試階段，應使用延期分析儀，分析排煙成份，使排煙達到排放標準。
1 啟動鍋爐的設計可靠性要求
對於GE 9F 級單軸聯合循環機組來說，機組啟動和停止時必須給汽輪機提供軸封用汽、低壓缸冷卻用汽，所以機組啟動和停止完全依賴於啟動鍋爐的正常工作。
同時燃機機組的頻繁快速啟停對啟動鍋爐可靠性有很高的要求[1]。
啟動鍋爐對可靠性的要求至少包括3 個方面：故障率低；維護簡單，可維修性好；使用壽命長，能在燃機機組的設計壽命期內可靠運行。
對於燃機機組，可以用啟動成功率指標來較好反映啟動鍋爐的可靠性，其定義如下：啟動成功率= 啟動成功次數/啟動總次數，一般要求啟動成功率應該保證在95% 以上[2]。
2 啟動鍋爐燃燒系統控制原理
2.1 燃燒器系統組成
啟動鍋爐燃燒器系統組成見圖1。天然氣經過過濾器過濾後，進入調壓關斷組合閥，組合閥起到燃氣降壓和閥前後差壓大保護遮斷作用。經過調壓後的天然氣主路經過主燃氣閥1 和主燃氣閥2 後，通過燃料閥調節燃料量，最後進入燃燒器進行燃燒。燃燒器點火初期時，在主路配置有點火分支，通過開啟點火閥1 和點火閥2，將小流量的點火燃料送入燃燒器進行小火焰點火[3]。
圖1 燃燒器系統組成
Fig.1 Burner system
2.2 燃燒系統控制過程
燃燒控制系統設置本地、遠程控制切換開關，本地控制模式為PLC 控制柜上啟動和停止，遠程控制模式為PLC控制。燃燒控制功能全部在Etamatic 電子複合調節器中實現，一個調節器單獨控制單個燃燒器，同時電子負荷調節器將工作狀態、點火過程、保護動作信號、運行、故障信號送入PLC 控制系統。
當鍋爐從冷態到熱態啟動時, 先由電子複合調節器的點火程序自動完成點火前的安全啟動連鎖檢查、風機啟動、風壓驗證、閥門檢漏、爐膛吹掃、點燃小火，火焰檢測器檢測火焰正常後引燃大火直到運行正常, 運行正常後, 鍋爐投入正常運行。此時, 燃燒控制（自動/ 手動可切換）切至由鍋爐壓力來控制，此系統可根據鍋爐壓力的設定值的大小，再通過PLC 的PID 運算，運算結果輸出至燃燒器上的伺服機構以帶動燃料量和風量的驅動裝置控制鍋爐的燃燒負荷, 以滿足鍋爐熱負荷的需要。
2.3 燃燒系統控制時序分析
燃燒系統控制時序圖見圖2。
圖2 燃燒系統控制時序圖
Fig.2 Control of combustion system sequence diagram
程序時序圖時間說明：
燃氣安全迴路空氣壓力低開關掃描時間，設定值：任意值。
檢漏測試時壓力建立時間，設定值：2s。
伺服馬達驅動運行時間，設定值：30 ～ 60s。
再循環檔板延遲時間，設定值：0 ～ t5。
通風時間，設定值：30~999s 可調。
變壓器預先通電時間，設定值：3s。
第一安全周期，設定值：4s。
穩定周期，設定值：3s。
第二安全周期，設定值：3s。
運行相位，設定值：任意。
控制模式，設定值：任意。
燃氣測試管路上的壓力緩減時間，設定值：3s。
吹掃時間，設定值：0~999s 可調。
基本負荷控制單元。
燃燒後時間，設定值：0~20s 可調。
火焰熄滅檢查，設定值：5s。
檢漏燃氣閥2，設定值：30s。
自檢。
程序時序分析：
1) 鍋爐安全互鎖電路為PLC 聯鎖迴路，此信號為1 時，燃燒器允許運行。
2) 燃氣安全互鎖電路為燃燒器間聯鎖迴路，當另外一個燃燒器跳閘時，聯鎖跳閘本燃燒器，避免單燃燒器長時間運行。
3) 點火前爐膛吹掃：爐膛點火前必須進行爐內吹掃，避免爐膛點火時出現爆燃。當燃燒器接收到啟動指令時，風機立即啟動，空氣擋板在t3 時間開到最大位置後，持續t5 吹掃時間後，關小至點火位置；燃料閥在t3 時間開到最大位置後,立即關小至點火位置；再循環擋板在t5 吹掃時間內從關閉狀態開啟至最大位置，吹掃時間結束後，關小至點火位置。
4) 點火前燃氣主閥泄漏試驗：燃燒器啟動時，打開燃氣主閥1，持續2s，在燃氣主閥1 和燃氣主閥2 之間建立起檢漏壓力，進行閥門泄漏試驗。在30s 內，如果檢漏壓力開關狀態未發生變化，則閥門泄漏試驗成功，進入點火階段，否則燃燒器跳閘。
5) 燃燒器點火階段：空氣擋板、燃料閥、再循環擋板在吹掃時間t5 結束後，處於點火位置時，點火變壓器預先通電3s，持續至第一安全周期4s。在點火變壓器通電的同時，燃氣主閥1 和點火電磁閥打開，通過點火管線向燃燒器通入點火燃氣進行燃燒。在第一安全周期和穩定周期結束後，燃氣主閥2 打開，向燃燒器通入運行燃氣進行燃燒。在第二安全周期結束後，點火電磁閥關閉。在點火和運行階段，火焰信號應從穩定周期開始處於穩定檢測狀態，否則將會
跳閘燃燒器。
6) 燃燒器運行階段：燃燒器在t10 內，根據PLC 給定的負荷指令，由電子複合調節器計算出空氣擋板、燃料閥、再循環擋板的調節指令，驅動執行機構，控制合適的空氣燃料比例。
3 啟動鍋爐燃燒器穩定性問題分析
某燃氣電廠自投運以來，啟動鍋爐啟動成功率偏低，影響機組的安全運行。以下分析幾起啟動失敗事件。
3.1 #1、#2 啟動鍋爐啟動失敗事件
2012 年6 月12 日，#1、#2 啟動鍋爐啟動時點火失敗。經就地檢查，#1、#2 啟動鍋爐4 台燃燒器啟動故障代碼均為H601，此故障代碼對應的故障描述為：檢漏失敗、燃氣壓力一直存在。
檢查處理過程：
1) 檢查燃燒器主燃氣閥1 和主燃氣閥2 之間的燃氣壓力低開關，開關動作正常，可排除壓力開關故障。
2) 檢查燃燒器主燃氣閥1 和主燃氣閥2。當燃燒器啟動時，發現兩個燃氣閥均未動作。根據燃燒器控制時序圖分析，燃燒器啟動時，首先打開主燃氣閥1 進行檢漏壓力建立，然後進行30 秒的閥門泄漏試驗，所以燃燒器啟動故障跟主燃氣閥1 未動作有直接聯繫。根據圖紙檢查主燃氣閥1 的工作電源，發現PLC1 控制櫃內編號為Q7 的空氣開關在分位，送上空氣開關後，#1 啟動鍋爐啟動正常，接著#2 啟動鍋爐也啟動正常。
分析認為：空氣開關額定電流容量為4A，此開關控制#1 啟動鍋爐、#2 啟動鍋爐的#1 和#2 燃燒器共4 台主燃氣閥1，而主燃氣閥1 電磁閥工作電流為2A，當同時啟動兩台啟動鍋爐時，4 個主燃氣閥1 電磁閥工作電流為8A，超過空氣開關額定電流容量，所以導致跳閘。
改進措施：增加2 台啟動鍋爐的8 個主燃氣閥電磁閥工作電源單獨分開，每台啟動鍋爐中每個燃燒器的主燃氣閥1、主燃氣閥2 增加獨立的額定電流2A 空氣開關, 此兩個空氣開關上游增加額定電流4A 的空氣開關。優化後的燃燒控制器接線圖紙見圖3。
圖3 燃燒控制器接線圖
Fig.3 Ignition controller wiring diagram
3.2 提高燃燒器火焰探測器信號檢測穩定性
統計2014 年啟動鍋爐啟動故障問題，有20 起左右的啟動失敗事件與燃燒器火焰探測器信號檢測不穩定有直接關係。燃燒器火焰檢測器在鍋爐啟動初期頻繁出現檢測不到火焰的現象。分析認為啟動初期火焰強度較小，火焰檢測二次表判斷為無火焰，導致啟動失敗。因此制定了一系列措施提高火焰檢測穩定性。
1) 對火檢進行微調。啟動初期火焰強度小，對火檢安裝位置及角度要求高，可對火檢進行反覆微調，儘可能達到檢測最佳效果。
2) 論證是否可以提高點火管線的通流管徑，增加點火時的天然氣流量，增加點火火焰強度。
3) 廠家燃燒調整時，要求廠家通過調整穩焰盤和風門擋板等手段，儘可能將啟動初期的火焰強度調整到最大。
4) 增加火焰探測器。採用同為紫外檢測原理的燃機火檢探頭，安裝在燃燒器上，火焰信號引入PLC 進行觀察。如果火焰信號滿足啟動初期檢測效果的話，可取消原有的火檢。安裝燃機火檢探頭時，需要加工相應的配套安裝底座。
實施效果：
在實施措施1) 後，火檢安裝位置反覆調整，但未達到最佳檢測效果，火檢信號檢測穩定性未有明顯提高。
措施2) 經過技術論證，認為點火管線的通流直徑與燃燒器的點火特性有關，不可隨意變更管線直徑。
措施3) 廠家對燃燒器燃燒狀態進行空氣燃料比例調整，適當調整了燃料閥、空氣擋板、再循環擋板，而且儘可能將火焰強度調整到最大狀態，但是火焰信號穩定性未能得到明顯改善。
在實施措施4) 過程中，由於燃機火檢探頭檢測為大火焰信號，而啟動鍋爐為小火焰信號，基本無法採集到火焰。
而在火檢探頭反覆試驗過程中，發現可以將火檢信號做一定的延遲處理以提高穩定性。經過分析，決定進行邏輯優化：將火焰模擬量信號及火檢繼電器輸出的開關量信號引入PLC 控制器中，將火檢強度大於30% 的模擬量信號和火檢繼電器開關量信號形成邏輯關係，並輸出1s 延時後返回燃燒控制器。邏輯優化後，啟動鍋爐未發生因火焰信號問題而導致的跳閘。
3.3 提高燃燒器前壓力穩定性
燃燒器調壓閥後壓力是否穩定決定燃燒狀況，壓力波動大時，可能導致調壓閥跳閘或直接熄火等狀況。因此在啟動鍋爐的調壓閥後增加安全閥，閥後壓力高於安全閥整定值時進行放散，起到穩壓作用。
3.4 增加啟動鍋爐故障分析手段
啟動鍋爐跳閘時，故障信息顯示在燃燒控制器上，而故障信息只能顯示故障代碼。故障代碼出現後，對照相應的報警信息再進行排查，故障分析手段較少，可增加相應的壓力測點，在畫面實時顯示，並進入歷史趨勢。
1) 增加燃燒器調壓閥前、閥後壓力變送器：當壓力出現較大波動時，調壓閥可能跳閘關閉、燃燒器有可能熄火等，可以判斷出燃燒器熄火是否是調壓閥問題。
2) 增加燃燒器關斷閥間、閥後壓力變送器：可檢測關斷閥泄漏情況，可判斷出啟動初期是哪個閥門引起的檢漏故障。
3.5 密切監視鍋爐燃燒情況，適時進行燃燒調整和定期工作
在鍋爐啟動、帶負荷運行各個階段，通過觀察孔密切監視燃燒器火焰強度及顏色，可判斷燃燒器的空燃比是否正常。燃燒異常時，適時進行燃燒調整。同時加強定期工作，定期檢查燃燒器燃氣閥、空氣擋板、再循環擋板是否卡澀，定期給油脂，執行機構指令與反饋跟蹤良好。
4 結語
啟動鍋爐作為燃氣電廠重要的公用系統，為電廠啟動初期提供輔助蒸汽，可靠性和穩定性對主機安全穩定運行起到至關重要的作用，特別是當機組冷態啟動時，啟動鍋爐能否穩定提供品質合格的蒸汽決定著機組的啟動成功率和併網準點率。通過對燃燒器控制時序圖的分析、燃燒器主燃氣閥電源迴路優化、燃燒器火焰探測器穩定性提升等一系列措施，有效地提高了啟動鍋爐的啟動成功率和穩定性，有力地保證了燃氣聯合循環機組的安全穩定運行。
作者簡介：
王小江（1979-），男，福建南安人，本科，福能集團 晉江天然氣發電有限公司，高級工程師，長期從事大型發電機組熱工技術管理工作。
參考文獻：
【1】章素華主編. 燃氣輪機發電機組控制系統[M]. 北京: 中國電力出版社,2012.
【2】國家能源局. 防止電力生產事故的二十五項重點要求及編製釋義[M]. 北京: 中國電力出版社,2014.
【3】中國華電集團公司編. 大型燃氣- 蒸汽聯合循環發電技術叢書. 設備及系統分冊[M]. 北京: 中國電力出版社,2009.
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