北京京能高安屯燃气热电有限责任公司 牛兴伟 库国亮 丁 哲

燃气轮机内部配备轴流式压气机、燃烧室、透平等子系统，将燃料的能量转变为内燃式动力机械能，最终带动发电机转化为电能，同时具有高效率和低排放，运行环保的优点。

1 燃气轮机排气温度对设备运转的影响

燃气轮机是在空气动力学原理和能源学基础上诞生的，最初按照等容加热循环工作，效率仅有13%左右，后期设计、制造技术发生极大改观，设备装置效率、功率均有显著提升。燃气轮机开启运作环节，压气机抽取大量空气压缩并送入燃烧室，在燃气涡轮作用下膨胀，并推动涡轮叶轮旋转，设备内部温度极高，燃烧室温度高达1240℃、排气段温度可以达到大约585℃。作为燃气轮机的主要被控对象，如果监视保护不及时有可能造成运行缺陷及故障，并且进一步导致燃烧器喷嘴、动静叶部件等设备损伤，最终导致故障停机及安全事故风险。

基于此，一些燃气轮机配备了监视保护功能，可以在监控内部温度上限的同时，把握排气温度分散度变化情况。分散度参数主要负责描述独立燃烧室中的均匀状况，燃烧分布越均匀，显示的分散度数值就越小。就案例所采用的SGT5-4000F燃气轮机来说，当机组进入满负荷状态时，分散数值进入稳定状态，一般应在0～30℃，若内部构件出现故障，该数值有可能上涨。分散度的监视是非常有必要的，分散度异常增大时，可能间接反映了如下几种情况。

1.1 天然气分配孔道异常

分散度增加说明燃烧室燃烧均匀度下降，究其原因可能出现在空气、燃料供应通道上，要及时检查燃烧器以及进气通道是否有污染或者杂物等，其会随着气流进入从而导致旋流器孔堵塞，或者是否存在运行异常、相关设备磨损差异等问题。

1.2 燃烧器或过渡段裂纹

燃烧器、过渡段是燃气传送、转换的必经通道，当构件中出现裂纹情况时，会造成冷却空气进入燃烧空间、热通道温度下降，分散度升高，严重时会给机组安全运行带来安全隐患。

1.3 压气机以及燃烧器的安装情况

其运行状态对于燃气轮机燃烧效率的提升是至关重要的，安装不良，会造成燃烧动态不稳定、温度场分布不均衡等问题[1]。因此，只有通过自动化、动态化的监测防护，才能最大限度保证故障响应时效性，降低燃气轮机部件损坏概率，减少因热通道部件更换造成的经济损失。

2 燃气轮机排气温度监视与保护算法设计

2.1 SGT5-4000F燃气轮机排气温度保护逻辑

受燃气轮机制造工艺、工作环境的限制，通常无法使用直接测量手段，对燃烧室温度进行监控保护，因此需要借助专门的温控系统观测，SGT5-4000F燃气轮机中，主要由SPPA-T3000执行控制操作，从24个元件中选择6个代表性测点，配备相应的保护措施，当任意3个测点温度达到658℃以上时，就会触动保护机制。作为自动控制系统核心，温控子系统由OTC（排气温度）控制器、IGV（可转导叶）控制器组成，前者负责进料量调节，仅在IGV全关、全开状态下，才会进入工作状态，后者负责空气量调节，二者互为配合，确保燃气轮机排气温度始终处于允许范围内。

2.2 OTC控制器温度监视及控制运行

燃气轮机发生故障危害较大、影响广泛，有的故障初始表现并不明显，但会在载荷持续影响下出现恶化趋势，由量变转化为质变后，才会引发明显的排气温度、分散度异常问题，因此对其开展运行监测时，不可采用静态化、刻板化思路，而是要加强跟踪和分析，争取在系统保护动作发生前、设备停运前，对相关故障进行筛查、排除，最大限度发挥监视、保护功能效用。

基于此，SGT5-4000F燃气轮机控制逻辑中，引入了温控模式，当排气温度达到设定值时，系统会自动切换到OTC模式，对排气温度进行控制调整，防止超温问题的发生，控制流程图如图1所示。其中，设置的“切换条件1”主要指燃机并网协调投入，此时的IGV阀开度应当为最小。当燃气轮机冷态启动且余热锅炉、汽轮机工作温度均呈上升趋势，那么系统切换并对温升曲线、排气温度设定值进行调节。

2.3 OTC控制器参数补偿运算

此外，燃气轮机工况变更也会影响监视、保护系统运行稳定性，如设备启动之初，燃料供应系统会经过一段时间的快速变化调整，此时监测保护更容易导致频繁报警、跳闸等问题，燃机转速、大气环境露点温度等，同样会影响透平膨胀比，因此在排气温度采集过程中，还需要引入OTC补偿机制，对相关数据进行修正。在SGT5-4000F燃气轮机中，共配备了24个双支热电偶元件，系统测得平均温度后，对数值开展修正补偿，补偿过程如下：

其中，Z0,S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7均代表中间变量，Z代表燃气轮机转速，T代表排气机入口温度，T0则表示环境露点温度，最终计算得出的TC即为补偿值，将其与平均温度值相加，即可得到修正后的温度值。

2.4 IGV控制器温度监视及控制运行

为确保燃气轮机温控系统适用性、高效性，SGT5-4000F燃气轮机除了配备OTC控制器外，还增加了IGV控制器，通过调节进入燃烧室的空气质量流量来控制燃气轮机排气温度。当燃机运行在部分负荷阶段，IGV温度控制器将控制空气质量流量随着燃料量成比例变化，将燃机排气温度控制在有效设定值。同时，压比控制器和冷风限制控制一定情况下也会作用于IGV温度控制器，环境影响因素，如大气压力，大气温度对其控制进行实时矫正，从而确保排气温度对当前燃机的适用性及安全性。进气压力的影响：（1+（PVI-1,01|3bar）×PPVO01）；进气温度的影响：（1-（TV-15K）×TTVO01-（TV-15K）2×TTVO03）。

2.5 热电偶元件故障监视功能

在SGT5-4000F燃气轮机中，以环形结构布设了24个燃烧器，配备多个热电偶监测元件负责数据监控，采集燃气轮机排气温度。排气温度数据采集完毕后，直接按照既定算法进行统筹运算，得到的单个参数可以用于判断温度上限是否达标，出现异常后可以自动发出报警、跳机等指令，正常数据传递给下一环节，用于进一步分析计算。在排气温度计算回路中，热电偶元件采集的数据筛选出质量不佳数值后，对余下数值展开平均值运算，所有计算结果同步、记录在系统中，可以生成事件提醒、报警信号等，为后续的状态监视、闭环控制、保护控制以及后期分析评估提供可靠依据。

作为燃机重要运行数据，热电偶元件的状态至关重要，会直接影响控制的精确性、可靠性，因此燃气轮机排气温度计算过程中，需要配备元件检测逻辑，通过控制器卡件获取相关验证信息，通过逻辑运算对变化幅度、变化率的波动进行分析判断，不同故障情况对应差异化模拟值。

控制保护项目主要包含以下三种，一是燃气轮机排气温度高保护，量程为0～700℃，汽轮机的热负荷和热应力与燃料总量紧密相关，为防止燃气轮机过烧而给热部件带来风险，排气温度选取6个具有代表性的测点进行保护配置，燃气轮机排气温度离散值低的情况下，当6个测量值中超过3个超过限制值时，就会触发报警或者燃气轮机跳闸事件。

二是冷点保护，通过监测透平出口温度分布的对称性来检测燃烧器熄火现象。其数量决定了燃烧器熄火的数量。为此，将每支热电偶B和C与24个测点平均值作比较，连续比较过程中，若发现相邻2个相邻测点均低于定值，则发生警报。若相邻3支测量值低于定值，则燃气轮机停运。如果有连续4支电偶低于定值，燃机触发跳闸保护。

三是热点保护，热点的识别是通过检测燃气轮机出口温度分布来实现的。燃机运行过程中，每支热电偶的B和C通道测量值与燃机出口温度平均值比较，当结果超过限值后，系统将发出报警或者保护跳闸。燃气轮机运行工况复杂，并且各个运行阶段存在较大差异，因此燃机排气温度场的分布非常不规则，各限制值针对性加入动态爱偏差。

3 燃气轮机排气温度监视与保护功能运行案例

为直观说明燃气轮机排气温度监视保护功能运用方法，提升数据分析和故障响应能力，引入某电厂运行案例辅助论述，该厂装配三台SGT5-4000F燃气轮机，从2020年6月开始，三台设备相继出现排气温度异常问题，冷热点均超出了设定限值参数，最高达到了54℃，控制系统频繁报警，机组因为冷热点引起燃烧不稳定，进而导致机组降负荷事件。咨询厂商技术人员之后，将跳机值升至70℃，并对24个热电偶元件参数进行分析比较，发现负荷达到120MW时，这种偏差可以达到56℃，远超出偏差保护上限。

3.1 故障定位及分析

对该问题进行深度排查分析，发现无论是启停阶段，还是正常负荷阶段，目标燃气机均存在冷热点偏差分布问题，难以通过参数调整来排除，现场调查后初步考虑燃烧器堵塞的可能，基于此对3号燃气轮机开展内窥镜检查，结果发现预混燃烧器硬件损伤较为明显，多处可见结垢、结焦，伴随轻微锈蚀，在燃烧器压缩空气流量测试中，发现值班燃烧器整体状况较好，但预混燃烧器偏差过大，多个节点出现了偏差超限问题，对流量测试值进行分析后，发现平均值为1.878cm2，最小值为1.431cm2，相比较之下，新燃烧器流量测定值大约为2.3cm2，整体差异较大。在此基础上对一、二号机展开同样的检查、测试工作，均发现了结垢情况，据此确认燃烧器堵塞是冷热点不均的重要诱因。

3.2 故障成因探究

对结垢成因进行探究，发现部分设备为连续运行、部分则为调峰运行方式，因此不能简单将之归结为长时间停机，且SGT5-4000F燃气轮机中，装配了精细滤网构件，设备中的精过滤器、ESV阀状态也并无异常，据此推断，堵塞物质并非外力带入，而是内部自发燃烧产生。对堵塞物进行取样化验，发现其中硫化铁占比较高，已有的气源报告中，显示硫化氢含量在10ppm以下，且总硫在20ppm以下，基本符合设备燃料要求。对预混燃烧器喷口进行检测，发现其喷口部分中，采用了镍基高温合金，其中铬、镍的含量明确，分别为17.09%和75.04%，对环形腔室内部检测后，定位为碳钢，而结垢物检测中多数成分为氧化皮，据此可以推断，是腔室材质与燃烧模式不适配，加剧了燃气轮机内部腐蚀进程，进一步导致了堵塞问题的发生。至于氧化皮脱落的具体原因，可以归结为以下三点。

一是组件材质配备不当。可能在高温区域以外的部分，配备了抗氧化性能较差的材料；二是机组养护不当。调峰运行环节部分机组长时间停机，控制阀内部残留天然气未排泄干净，温度下降后凝结生成水分子，并诱发锈蚀问题。三是天然气成分影响。气源中残留有微量硫元素，燃气轮机运行环节，设备进入高温状态，与硫元素配合加剧装置腐蚀。

3.3 故障处理及成果验收

确定故障类型、成因之后，采用超声波清洗方式，对三台SGT5-4000F燃气轮机展开系统化的故障处理和清洁，先启动加热炉开关，预热至430℃左右停止，待其自然冷却到室温后，用压缩空气简单吹扫，随后开展柠檬酸池超声波清洗，按照规定流程执行清洁操作，完成后依次开展水洗、钝化处理和干燥工序，最后再次进行内窥镜检查，并手动清理剩余的残留附着物，流量测试合格方可验收。为防止后续运行过程中，再次出现类似的堵塞问题，制定了系统的保养、改善措施，错峰运行环节，要求对停机时间较长的设备进行干燥养护，确保进口空气湿度始终处于较低水准，设备停机后，采用氮气置换技术，对预混管道、值班管道进行养护，排出其中残余的天然气。对于ESV阀前天然气管道，则要加强疏水管控，防止水分随气流涌入，同时强化对排烟温度的监视，出现冷热点分布不均、差异扩大等情况时，及时开展内窥镜探测及异物清理工作。

4 结论

综上所述，燃气轮机排气温度监视及保护功能适配度高、时效性强，能够较好地适应固定工况、变工况下的燃气轮机安全运行和控制需求，为企业生产的平稳运行提供助力。