GE9FB级燃气轮机由于寿命累积导致IBH进入压气机防喘模式的事件分析

GE9FB级燃气轮机由于寿命累积导致IBH进入压气机防喘模式的事件分析

王旭

（大唐国际发电股份有限公司北京高井热电厂100041）

摘要：某电厂发生了单台燃气轮机在完成离线水洗压气机效率最高时反而出力受阻的事件，根据这个事件，该厂技术人员进行了分析与研究，确认了具体的原因，并指出了IBH控制中关于防喘振功能所存在的局限性。

关键词：IBH；防喘振；压气机压比；压气机压比限制值

某电厂安装有三台GE公司生产的PG9371FB级燃气轮机，分别命名为GT1、GT2、GT3。其中GT1、GT2与汽轮机ST3组成分轴形式的二拖一燃气-蒸汽联合循环机组；GT3与汽轮机ST4组成分轴形式的一拖一燃气-蒸汽联合循环机组。两套机组均于2014年下半年投入商业运行，目前三台燃气轮机的点火时间均为约20K小时。

2017年06月16日，某电厂三台燃气轮机均进入了基本负荷状态，达到机组在当时工况下的最大出力。GT3于2017年05月进行了C级检修，并进行了压气机离线水洗，理论上在外部工况一致的前提下，GT3的出力能力是最高的，但是监视发现，GT3的最大出力比GT1、GT2的低了约7MW。针对这个异常现象，某电厂的热控技术人员开展了分析。

一、事件过程简述

2017年06月16日，某电厂三台燃气轮机GT1、GT2、GT3均处于正常运行状态，取同一时刻（2017.06.1610：30）的主要运行数据详见下表1：

表1：某一时刻三台燃气轮机的主要运行数据

通过上表1可以看出，GT1、GT2、GT3均处在基本负荷状态下，且所处的外部工况几乎一致，但是GT3的有功负荷偏低约7MW。通过三台机组的主要运行参数进行分析，造成GT3负荷偏低的原因主要是：

1.IBH存在一定的开度，使部分能量损失，造成GT3的带负荷能力的下降；

2.由于IBH的开启，使压气机入口温度升高，近一步降低了GT3的带负荷能力；

IBH的作用主要是提供压气机的防冰保护与防喘振保护，并能够通过对压气机进气进行回流加热，来提升燃烧的预混工作范围。按照正常的运行经验来看，燃气轮机在高负荷状态下，IBH应该处于全关的状态，但是GT3的IBH开启了约8%的开度，这不仅是对机组能量的损失，也有可能预示着机组存在着运行方面的隐患，所以急需技术人员去分析、研究。

二、针对GT3的IBH进入到OLL模式的响应过程

GT3在基本负荷下运行时，虽然IBH处于防喘振保护模式，但是监测机组的其余运行参数未发现异常，从原理上来说，对于压气机，IBH的开启导致了部分能量的损失，同时也形成了气流回流的过程，相当于再循环，对于压气机来说反而处于更安全的运行状态。监测GT3的控制系统无诊断报警，所以某电厂开展了以下几方面的响应，对这个事件进行分析。

1、GT3于2017年06月10日完成了燃烧调整，属于机组检修结束后燃烧调整功能的第一次投入，所以初步怀疑是否是由于燃烧调整的原因导致了IBH的防喘振保护功能动作。2017.06.1615：00，GT3仍然处于基本负荷状态，联系操作员退出GT3的自动燃烧调整功能，由Autotune模式退回到Backup模式运行，观察5分钟，对于IBH的防喘模式没有影响，重新投入Autotune功能，确认自动燃烧调整不是造成这个事件的原因。

2、联系GMOC（数据分析与诊断）中心，协助查找2017.06.16，三台燃气轮机的效率值，结果详见下表2：

表2：三台燃机的压气机效率值（@2017.06.16）

从表2中可以看出，由于GT3刚刚完成机组检修与压气机离线水洗，所以效率值最高。

3、在GT3正常运行期间，检查涉及性能检测的变送器，变送器均结合机组检修刚刚完成定期校准，在逻辑中未发现诊断报警，ISP（传感器模型）逻辑中均没有显示异常状态，就地使用喷壶对接头进行查漏，未发现变送器泄露的情况，对于三重冗余的变送器，在逻辑中进行核对，三个变送器之间的偏差量均在0.1%范围内，符合要求。

4、对于三台燃气轮机控制逻辑中涉及AFPAP（大气环境压力）、CPR（压气机压比）、CPRLIM（压气机压比限制值）计算的常数与设计进行对比，经过确认，三台燃机的常数均与设计值一致。

5、确认GT3的IGV与IBH的控制情况均正确，查找2016年的标定数据与2017年机组检修后的试验数据，IGV、IBH的控制均能满足现场要求。

三、引起GT3的IBH进入到OLL模式的原因确认

通过上述的事件响应可以看出，造成GT3的IBH进入到防喘振保护模式有两种可能，即CPR（压气机压比）偏高或CPRLIM（压气机压比限制值）偏低，使IBH更容易进入到防喘振控制区域。

1.对几个参与压比逻辑的中间变量进行解释：

1.1CPR（CompressorPressureRatio）压气机的压比

压气机的压比=压气机出口排气的绝对压力与压气机入口进气绝对压力的比值

CPDABS：压气机排气绝对压力；AFPIP：压气机入口垂直段处的压力；

CPKRAP：转换系数；CPD：压气机排气；AFPAP：大气环境压力；

afpcs：压气机进气到垂直段处的压力损失；

1.2CPRLIM（CompressorPressureRatioOperatingLimit）压气机压比的限制值

CPRLEM=（CPRLIMNC*CPRLK*CPRSMD*CPREFM）+CA_OLL_FD_B

●CPRLIMNC（CompressorPressureRatioOpLimit-New&Clean）全新的机组的压气机压比限制值，与IGV的开度和修正转速有关，具体的计算方法已被GE封装，无法查看；

●CPRLK（CPELIMDegradationFactor）CPRLIM的折旧系数，和燃烧小时数成反比，随着燃烧小时的累积，CPRLK逐渐减小；

●CPRSMD（TransientCLRBasedOLLDegradationFactor）与OLL功能折旧系数相关的压气机瞬时间隙折算系数；

●CPREFM（OLLScalarforEFM）通过抽气量冷却系统折算的OLL修正系数；

1.3CPRIBHOMN（MinAllowableCPRLIMIBHOffset）CPR与CPRLIM之间的裕量值

CPRIBHOMN=CPKIBHOBL*CPROFFFAC+1-CPROFFFAC*CPKIBHOPL

当负荷越高、IGV开度越大时，CPRIBHOMN越小，即CPR防喘区间的裕量越小。CPRERR（CompressorPressRatioError）压气机压比与压比限制值之间的阈值

CPRERR=CPRLIM-CPR-CPRIBHOMN

2.GT3的IBH进入到防喘振保护模式的原因分析

通过对GT3的控制逻辑进行分析，IBH的防喘振控制符合以下的逻辑：

2.1当CPRERR小于0%时，IBH进入OLL模式，说明CPR与CPRLIM的偏差已经低于允许值，输出量被限位在3%-100%之间，即IBH的OLL模式下的最小开度为3%，随着CPR与CPRLIM的接近，IBH不断开大；

2.2当CPRERR回升到0.13%时（死区为0.13%），IBH退出OLL模式，IBH全关；

3.查询逻辑与历史趋势记录，GT3的IBH进入到防喘振保护模式的过程与上述的逻辑相符。

四、引起GT3的IBH进入到OLL模式的原因分析

经过对于逻辑的梳理与分析，已经确认了引起GT3的IBH进入到OLL模式属于正常的逻辑动作响应，对于机组的运行来说是安全可靠地，但是需要找出GT3与GT1、GT2运行对比、与历年历史运行数据对比之间存在的差异，进行确切的原因分析。

1.为什么同样的外界工况下，GT3进入了OLL模式，而GT1、GT2没有进入？

GT3刚刚经历了检修，且在检修前进行了压气机离线水洗，使GT3的压气机效率最高（GT1：86.3%、GT2：86.3%、GT3：88.0%），所以GT3的压气机的排气压力最高，更容易接近CPRLIM；

2.是否夏季工况下更容易发生IBH进入OLL的情况？

是，由于夏季工况下环境温度高，空气比重低，所以压气机的压缩能力提升，查询历史曲线，同样负荷下，压气机在夏季工况下的压比比冬季工况下的压比高约0.2-%0.25%，所以IBH更容易进入OLL模式；

3.燃机压气机进入到OLL模式有什么好处？有什么损失？

燃机的IBH进入到OLL模式，相当于对压气机增加了一个再循环的过程，降低了压气机发生喘振的可能性，但是由于打开了IBH，造成了部分压气能量的损失，同时加热了压气机进气，综合影响下降低了燃机的带负荷能力，使出力受阻。

4.为什么2015年、2016年三台燃机在夏天均没有这个情况出现？

查询历史趋势，三台燃机在夏季工况下的压气机压比变化不大，出现变化的主要是在CPRLIM上，即压气机压比的限制值变小了，所以压气机压比更容易进入到保护区间内。

CPRLIM为什么会变小？主要取决于CPRLK：CPRLK是与燃烧小时数相关的折算系数，以GT3为例，发生该事件时，燃烧小时数约为17252小时，折算系数约为0.988，以2017.06.16的运行工况为例，GT3的CPRLIM为16.557，若不进行折旧，会提升至16.758，所以历年来IBH均不会进入到OLL模式。关于燃烧小时数的累积对于压气机压比的影响，可参照下图4中的曲线，通过曲线可以看出，在点火小时数小于9200小时，压气机压比限制值（CPRLIM）不进行折算；当点火小时数超过9200小时，随着点火小时数的累积，压气机压比的限制值会逐渐的降低，即压气机压比更容易达到压比限制值，造成机组的IBH控制进入到防喘振保护模式。

图4——压气机压比限制值与点火小时数的修正关系曲线

五、GT3的IBH进入到OLL模式事件的后续跟踪

虽然已经对着整个事件进行了详细的分析，并且找到了引起GT3的IBH进入到OLL模式的原因，但是这个事件需要继续去跟进。

压气机效率是反映一台燃气轮机组带负荷能力的重要指标，某电厂地处北京，运行所处的大气环境较差，所以需要在条件允许的时候，安排进行压气机离线水洗，提升机组的出力，但是通过这个分析可以看出，机组在度过磨合期，在各种折旧的逻辑限制下，压气机效率高，反而会引起压气机能量的损失，造成不必要的负荷受限制。

GE公司对于压气机压比限制值CPRLIM随运行时间的累积而不断降低的设计是合理的，这样设计的目的是，随着机组的运行，压气机的性能不断的衰减，需要跟随着来降低压气机压比保护的限制值，使压气机的压比随时工作在安全的区间内。但是通过某电厂现场的实际情况来看，该厂燃气轮机压气机效率衰减的速度比GE预期的要慢，压气机的性能优于同期的预期，所以更容易进入到防喘的保护区间，且预估随着运行小时数的增加，OLL动作的情况会越来越剧烈。

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