燃气轮机燃油三通阀阀芯卡涩分析及预防

     1 概况
        宝钢电厂罗泾发电分厂装备有1台美国GE公司PG9171E改型燃气轮机，为世界上第一台燃烧COREX中热值煤气的9E机组，单机功率101.25MW（扣除煤气压缩机耗功）。机组主要燃料为COREX煤气，轻油作为启动燃料和后备燃料，为了使燃气轮机既能燃烧液体燃料，又能燃烧气体燃料，在雾化空气系统中专门装备了一套雾化空气旁路系统和液体燃料喷嘴的吹扫系统[1]。为保证在煤气系统出现故障时，能紧急切换到备用轻油运行，实现机组的不停机，GE公司将燃料喷嘴前的常规燃油逆止阀改为轻油再循环三通阀（简称燃油三通阀），该阀门类似一个错油门，机组在启动时，该阀门阀芯利用轻油自身压力而移动，轻油从进口进入，从轻油出口出来进入燃料喷嘴和火焰筒燃烧；当机组正常燃烧煤气时，轻油通过此阀门实现再循环，从轻油进口进入，从再循环出口出来循环回到轻油罐，以满足紧急切换之用。
        燃油三通阀总共有五个接口，分别为轻油进口，轻油出口，轻油再循环出口，轻吹空气进口，仪用气进口，排污口，见图1所示。

图1 燃油三通阀总体结构

        2 事故经过
        事故发生在当晚9点20分，机组启动，经过14.4min吹扫，机组转速降到480r/min点火转速后，主燃油泵电磁离合器带电，主燃油泵启动，出口压力急剧升高到71bar（正常点火压力7.5bar），但轻油再循环三通阀没有动作，流量分配器无任何流量，在机组发出点火指令后30s后，仍然探测不到火焰，机组脱扣，启动失败。
        经排查，测试了轻油再循环状态下（轻油不进燃机）的流量分配器，结果显示流量数据正常，14个轻油分支管压力均匀。主燃油泵也无异常。手动强制燃油三通阀的控制电磁阀20PL-3带电，在仪用气的压力下，14个燃油三通阀也无任何动作，在更换了一个新的燃油三通阀后，仪用气能够将该阀门打开，这说明，14个燃油三通阀阀芯全部卡涩。
        将其中一个燃油三通阀解体，发现有如下重大问题：
        1）燃油三通阀阀芯结焦严重，结焦发生在轻吹空气侧。
        2）阀门橡胶密封全部高温烧毁，卡在阀门内部。
        事故发生后，主要采取如下措施：
        1）阀芯和阀体清洗。将所有阀芯和阀体注好标记后，放入到柴油桶中浸泡清洗，清洗完的阀芯表面再用沙皮纸反面打磨干净，保证表面光滑。
        2）更换密封件。燃油三通阀内防止内漏的密封件主材为杜邦公司生产的VespelPolyimide特种塑料，该树脂材料在耐温，耐磨，抗蠕变中有突出的表现。
        3）阀门组装和回装。安装完之后，轻油系统进行严密性试验，燃油三通阀灵活性试验（20PL-3动作，利用仪用气动作，查看阀芯移动速度），试验完成后，交付生产方准备启动。
        机组于第二天早晨5点10分一次启动成功。本次抢修前后历时近8h。总经济损失为全部钢厂购电（近100万kWh）和COREX煤气大量放散（近100万m3），损失巨大。

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        3 事故分析
        轻油燃料在罗泾CCPP承担着启动和后备燃料的重要功能，主燃油泵电磁离合器啮合后，轻油压力升高，燃油三通阀利用轻油压力使得阀芯移动到通向燃料喷嘴的位置，轻油进入燃机燃烧，在燃机从轻油向COREX煤气切换完之后，轻油压力消失，阀芯利用头部的弹簧力回移到燃料喷嘴关位置，同时轻油再循环三通阀轻吹空气启动，该吹扫空气来自雾化空气，雾化空气持续地吹扫燃油三通阀-燃料喷嘴通道，防止残留的轻油喷嘴结焦。
        雾化空气的吹扫通过上游的轻吹阀VA19-1实现隔绝，轻吹阀VA19-1也为三通阀型式，该三通阀有轻吹空气进口，轻吹空气出口和排污口三个接口。机组在燃油时，轻吹进口与出口隔绝，出口与排污口相通，以排泄掉启动时部分轻油（这些轻油来自于启动燃油三通阀的内漏）。燃油切换为燃气后，轻吹阀VA19-1的控制电磁阀20PL-1动作，阀门打开。
        然而，一旦机组在燃烧煤气运行时，轻吹阀出现内漏，雾化空气有大部分流量通过该排污口喷出，就会导致吹扫压力不足，燃烧室压力（接近但略低于压气机排气压力）就会出现高温回流，回流的高温会破坏轻油再循环三通阀内的塑料密封，导致残油结焦。从而导致阀芯全部卡涩。前述的杜邦公司VespelPolyimide特种塑料的耐温能力也仅有450℃。
        该事故发生前的6天，轻吹阀VA19-1确实发生过内漏事件，由于VA19-1下游的压力开关没有出现低报警，燃机控制系统MARKVI对此也无任何保护，使得该内漏事件发生6天后出现14个燃油三通阀全部卡涩的情况。
        4 系统设计缺陷分析
        机组在燃气时，为防止燃油三通阀和轻油喷嘴内的残油结焦，需要有轻吹空气持续地吹扫燃油三通阀和燃料喷嘴，而且轻吹空气压力要大于燃烧室压力，吹扫才能持续进行。
        然而，如果轻吹阀VA19-1本身发生内漏，即出现轻吹阀的控制电磁阀20PL-1动作后，轻吹阀没有开到位，使得轻吹空气从排污口大量排出，造成轻吹阀出口压力低于燃烧室压力，燃烧室高温热源会回流到燃料喷嘴和燃油三通阀内，从而破坏这些设备的密封件，并导致残留轻油碳化结焦。轻吹阀VA19-1只有控制电磁阀，而无阀门位置反馈信号，导致了阀门状态的不可控。
        轻吹阀VA19-1后装设有低报警压力开关63PL-1，按照GE的设计意图，该压力开关在轻吹阀内漏时，应该出现压力低报警，然而，有燃烧室的高温回热，该压力低报警并没有出现，因为，燃烧室内的压力接近于压气机排气压力（CPD）。经查，该压力开关的设定值仅为6bar，而且，当压力下降到4.6bar时，才会出现压力低报警。而在正常燃烧COREX煤气时，特别是机组负荷较高时，燃烧室的压力高达12bar，导致系统不可能出现压力低报警问题。
        另一方面，轻吹阀VA19-1的仪用气来自于压气机排气（CPD），一旦机组停机或者紧急脱扣，CPD压力急剧降低，会造成一定时间后转速逐步降低，CPD压力无法打开轻吹阀VA19-1，一旦轻吹阀关闭，燃烧室内的残留热源会直接加热轻油喷嘴和燃油三通阀，造成喷嘴和阀门内的结焦。
        以上设计上的缺陷，构成了机组轻吹系统的不受控，增加了人为判断的难度。
        5 轻吹系统改进措施
        针对轻吹阀控制上的不受控性，提出如下改进措施：
        （1）将轻吹阀VA19-1出口的压力开关改为压力变送器，利用该变送器监测雾化空气压力，如果出现轻吹阀泄漏，而且雾化空气压力降到接近于CPD压力，需要机组停机或者机组切换到轻油运行。压力变送器设置3个，MARKVI系统取中值，该中值与CPD压力比较，如果轻吹空气压力减去CPD压力低于1bar，需要直接停机处理或者机组切换到轻油状态运行。
        （2）轻吹阀VA19-1加装位置开关。目前轻吹阀的OEM英国HALEHAMILTON公司已经推出带位置开关的轻吹阀。带位置开关后可以很容易判断VA19-1的阀位状态。
        （3）机组发生紧急脱扣，CPD压力开始下降，当转速降到2500转后，CPD压力不足以打开轻吹阀VA19-1，使其立即关闭，而燃烧室内仍有高温存在，该状态需要加上外围全厂仪用气来控制VA19-1，在机组停机或者紧急脱扣时，VA19-1能确保常开，以保证燃油三通阀的持续吹扫和冷却。
        6 结论
        燃油三通阀紧靠燃烧器，燃烧器处于正压燃烧状态，要保证无高温回流，只要保证上游压力（油压或者气压）高于燃烧压力即可。上述措施正是围绕这个原则来制定的。
        燃油三通阀为GE公司新设计产品，还需要在进一步的生产实践中加以完善和优化。
        参考文献
        [1]杨顺虎.燃气—蒸汽联合循环发电设备及运行[M].北京：中国电力出版社，2003.213.