双碳目标下新能源消纳能力提升方法研究

郝再兴 邱  奇  魏星琦

北京京能国际能源技术有限公司

摘  要：

基于某电厂SGT5-4000F燃气轮机调试现场情况，研究了该型号燃气轮机在采用俄罗斯天然气为燃料时的点火冲转过程。现详细描述了该燃机在冬季工况下采用俄罗斯天然气点火冲转失败的过程以及现场应急处理措施；利用燃料供给总量不足的线索，找到了燃机控制系统中的限制条件，提出并验证了对症解决方案；阐明了引起燃料供给不足的根本原因是俄罗斯天然气相比原燃料华白数过低，并据此提出了对因解决方案。

0  引言

燃气轮机是对大气环境十分敏感的动力装置，其性能很大程度上随压气机进口空气状态变化而变化[1]。北京地区冬季环境温度很低，空气密度比标准工况大，压气机吸入相同体积流量空气时，空气质量流量更大，压气机消耗的功更多。若燃机点火冲转的控制参数不合适，则很可能在冬季出现冷态启动失败的情况。

当燃气轮机使用热值低于天然气或轻油的气体为燃料时，将对燃气轮机及其联合循环的出力和效率产生显著影响[2]。北京地区的燃机电厂近年来开始尝试使用产自俄罗斯的天然气为燃料，其热值与国产天然气相近，但华白数（又称“发热指数”）低了10%左右，这意味着使用俄罗斯天然气的燃气轮机输出相同负荷，可能需要更多的燃料。

本文研究了使用俄罗斯天然气的北京某电厂燃机冬季低温冲转的实际过程，找到了冲转失败的直接原因是燃机控制系统中的HL130函数限制了燃料供给总量（Y-min），提出并验证了针对直接原因的对症解决方案；阐明了引起燃料供给不足的根本原因是俄罗斯天然气相比原燃料华白数过低，并据此提出了对因解决方案。

1  冲转故障和应急处理过程

2021年冬季，北京室外温度-1 ℃，某电厂SGT5-4000F型燃气轮机从盘车状态以自动顺控方式启机，进行到主顺控第10步时，燃机未能在监视时间内达到设定转速，触发顺控超时跳机，启动失败。

经过初步判断，认为当日环境温度较低，且燃机停机时间过长，燃烧室、透平等热部件温度过低，未能充分输出功率。结合本台燃机过往运行时出现过的冬季工况首次点火超时经验，决定在具备启动条件后立即再次冲转。

为提高启动成功率，第二次点火前，修改了燃机控制参数V41、V42，以增加燃机冲转时的燃料供给速率，并且放宽了主顺控第8步和第9步的监视时间，但是燃机仍然没有能在顺控时间内冲到50.25 Hz的切换转速，超时跳机。冲转过程如图1所示。

第三次冲转前，调试工程师又一次增加了V4、V41、V42的数值。第三次冲转时，在燃机转速接近49.5 Hz时，电厂操作员手动将目标转速设置为50 Hz，燃机随即进入转速控制模式，稳转运行了一段时间后，成功并网。

2  冲转失败原因分析

该燃机曾于2020年冬季发生过类似事件，停机一周后点火冲转失败，当时采取了修改V4、V41、V42参数值的措施，提高了燃料的供给速率，在多次尝试后，冲转成功。电厂运行人员也在此次经历中积累了手动切换目标转速的操作经验。

本次点火冲转时，沿用了之前的启动参数，而且环境温度比之前高，理论上更利于燃机启动，但还是发生了冲转失败现象。

对比2020年冬季与本次的燃机运行工况，最大的区别在于，本次使用的燃料为俄罗斯天然气，其华白数（Wobbe）相对标准值低了近10%——单位体积的热值降低了，所以想要达到相同工况就需要更多的燃料。

以此为出发点，从燃料供给总量不足的角度分析，笔者发现，引起冲转失败的直接原因是：启动模式（RUN-UP function）下的燃料供给总量（Y-min）被限制。

如图1所示，在第二次冲转失败的最后阶段，燃料供给总量（Y-min）达到30%后便不再上涨，图1中标注为“燃料供给无法上升”，蓝色的Y-min曲线斜率变为0。

此过程大约持续了13 s，其间预混气流量（premix mass flow）受VBNTM函数控制缓慢增加，而值班气流量（pilot mass flow）等于燃气供给总量（Y-min）与预混气流量（premix mass flow）之差，因此持续减小。

在燃机启动点火阶段，燃气轮机采取的是扩散燃烧方式[3]，值班气比预混气对转速的影响更大，所以此时燃机转速没有继续上升，反而下降了。而随着转速下降，Y-min也开始下降，值班气继续减小，形成了负反馈控制，转速进一步下滑，最终超时跳机。

为了找到Y-min被限制的原因，笔者研究了启动升速控制器（RUN-UP controller）的输出原理，如图2所示。

启动升速控制器的核心功能块是一个斜坡函数发生器。理论上，随着时间的推移，启动升速控制器的输出会按照V4、V41、V42等参数给定的分段速率不停地增加，直至达到100%。

造成Y-min达到30%就被限制的原因是保护曲线HL130函数在起作用，RUN-UP function与HL130经过功能块MIS21F进行比较，选择数值较小的一项输出。

而冲转时，HL130函数的上限值就是30%，所以即使RUN-UP function累积的时间再长，数值再高，最后启动升速控制器的输出还是HL130函数的输出值30%。

为验证这一结论，笔者对比了这三次冲转时的燃料供给（Y-min）数据与HL130保护函数的设定值，如表1所示。

从表1可以看出，在转速达到35 Hz后，实际的Y-min输出值均非常接近HL130的限定值。这表明，在这三次冲转过程中，燃机达到35 Hz后，RUN-UP function的输出大于HL130的限制，因此启动升速控制器选择了较小的HL130进行输出。

虽然之后两次冲转增加了燃料供给速率，但并没有改变对应转速下的燃料供给总量。所以，要想实现燃机的顺利冲转，必须解除HL130的限制，增加燃料供给总量。

3  解决方案

3.1  对症解决方案

从直接原因入手，修改HL130函数限制是最合适的方案。

为确保燃机能够一次点火成功，考虑将HL130函数的35 Hz后半段完全放开，参数全部设置为100%，以保证燃料供给充足。待燃机定速后，再将冲转过程中Y-min的实际输出值填入HL130函数，以此确定为燃机冲转的最后参数。修改方案如图3所示。

同时考虑到之前为了冲转成功，修改了V41、V42等参数，提高了燃料供给速度，在燃料供给量充足的情况下，势必会缩短燃机冲转时间，所以在点火前也相应减小了V41和V42的值。

参数修改完成后，燃机冲转成功。为保证之后遇到极冷工况时燃机仍然能够正常启动，综合考虑之前冲转的实际工况，将HL130设定上限修改为35%。

3.2  对因解决方案

放开HL130函数上限，是从直接原因解决问题，要想彻底消除这一故障，需要从根本原因出发，将燃机控制系统的设定值与燃料热值互相匹配。

笔者在研究了俄罗斯天然气的成分后，提出了对燃机冲转阶段预混气流量和燃料热值进行修改的方案，如表2、表3所示。

参数修改完成后，对该燃机进行了全负荷段的燃烧调整，燃机运行稳定，没有再发生冲转故障。

4  结语

 本文研究了西门子SGT5-4000F型燃气轮机切换低热值燃料（如俄罗斯天然气）运行后，在冬季低温环境下出现的冲转故障，分析了故障原因，并提出了对症的应急处理措施和后续的对因处理措施，为采用启动升速控制器冲转的西门子燃气轮机切换低热值燃料后出现冲转故障提供了思考路径和解决办法，也对大规模采用俄罗斯天然气作为主要燃料的北京地区燃机电厂具有现实的指导意义。

审核编辑：汤梓红