翟洪柱　蔡?hào)|升

摘? 要：為了避免燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)在濕度較高溫度較低的環(huán)境下發(fā)生結(jié)霜結(jié)冰所引起的影響燃機(jī)穩(wěn)定安全穩(wěn)定運(yùn)行等問題，根據(jù)進(jìn)氣濾芯的結(jié)冰情況、環(huán)境的惡劣程度以及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，全面地分析總結(jié)了燃機(jī)防冰激活條件?；谒治龅募せ顥l件，設(shè)計(jì)了防冰執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作邏輯以及防冰控制閥開度控制器。根據(jù)防冰過程中機(jī)組可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)，闡述了報(bào)警及卸負(fù)載停機(jī)的保護(hù)條件。以某品牌大功率燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對(duì)象，進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試。實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行，可以有效地避免進(jìn)氣過濾系統(tǒng)發(fā)生的結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)? ?高濕低溫? ?進(jìn)氣過濾? ?防冰系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）09（b）-0057-05

Application and Analysis of Gas Turbine Inlet Anti-icing System

ZHAI Hongzhu? CAI Dongsheng

（Tianjin Branch of CNOOC（china） co.， Ltd.， Tianjin， 300459 China）

Abstract： In order to avoid the problems caused by frost and icing of the gas turbine inlet filtration system in the environment of high humidity and low temperature， which will affect the stability， safety and stable operation of gas turbine， based on the severity of environment at low temperature and unit operation condition， the activation conditions of anti-icing is comprehensively analyzed and summarized. Based on the analyzed conditions， the anti-icing actuator operation logic and anti-icing valve opening position controller are designed. According to the risk that the unit may face in the process of anti-icing， the protection conditions of alarming and stopping load unloading are expounded. Taking high power gas turbine as the research object， the relevant performance test is carried out. The results show that the anti-icing system can operate stably and efficiently， and avoid the occurrence of freezing and blocking of the inlet filter element.

Key Words： Gas turbine; High humidity and low temperature; Air intake; Anti-icing system

目前，燃?xì)廨啓C(jī)廣泛地應(yīng)用于航空、航海、電力、石油化工等各個(gè)領(lǐng)域[1]。然而，在我國北方低溫高濕地區(qū)及海域，冬季燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣入口都會(huì)出現(xiàn)不同程度的結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象，增大了進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失，給燃機(jī)的正常運(yùn)行帶來了很高的風(fēng)險(xiǎn)。配套合理的進(jìn)氣防冰裝置和設(shè)計(jì)安全可靠的控制邏輯是防止燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣入口結(jié)霜結(jié)冰的根本辦法。目前，比較常見的防冰方式有蒸汽（熱水）加熱、電加熱、排氣再循環(huán)加熱和壓氣機(jī)的抽氣加熱等幾種方式[2]。蒸汽加熱與電加熱方式需要額外配備加熱裝置以及系統(tǒng)，從而影響了系統(tǒng)布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而排氣再循環(huán)加熱方法因排氣溫度較高，在安全性和可控性上也存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)[3]。目前，國內(nèi)外機(jī)組最廣泛采用的還是將高壓壓氣機(jī)中的一部分高溫高壓熱空氣引入到燃機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)過濾器入口處，通過空/空換熱的方式將進(jìn)氣系統(tǒng)中的空氣加熱。這種方式不需要額外增加加熱熱源設(shè)備、具有工程造價(jià)較低、且抽氣量較小等優(yōu)點(diǎn)。北京太陽宮燃?xì)鉄犭姽舅褂玫腉E9351FA燃機(jī)所配套的抽氣加熱除冰系統(tǒng)，在空氣濕度達(dá)到90%左右時(shí)，效果不佳，進(jìn)氣過濾極易出現(xiàn)濕堵，引氣進(jìn)氣系統(tǒng)壓損快速增加，造成機(jī)組被迫降負(fù)荷甚至停機(jī)[4]。中石化塔河油田電站的Titan130索拉燃?xì)廨啓C(jī)將高溫高壓空氣引入到濾芯之后消音器之前，只考慮了消音器和一級(jí)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的防冰，并不能完全解決過濾器濾芯表面的防霜問題。

該文基于廣泛應(yīng)用的壓氣機(jī)抽氣加熱的防冰方式，詳細(xì)地介紹了所設(shè)計(jì)進(jìn)氣防冰控制系統(tǒng)的組成。根據(jù)高濕低溫環(huán)境的惡劣程度以及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，全面分析并量化總結(jié)了防冰激活條件?；诓煌募せ顥l件，設(shè)計(jì)了防冰執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作邏輯、自動(dòng)擬合輸入設(shè)定值以及防冰控制閥開度控制器[5]。結(jié)合防冰控制過程中機(jī)組可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)及故障，闡述了報(bào)警及卸負(fù)載停機(jī)的保護(hù)條件。以某品牌大功率燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對(duì)象，進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試。實(shí)踐表明，該防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行，有效地避免了進(jìn)氣濾芯濕堵現(xiàn)象的發(fā)生。

1? 進(jìn)氣防冰系統(tǒng)介紹

某品牌大功率燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖如圖1所示。進(jìn)氣系統(tǒng)由過濾裝置（兩級(jí)濾芯）、消音器、防冰裝置（防冰控制閥、噴嘴）及各儀表組成。當(dāng)相關(guān)的防冰條件滿足時(shí)，機(jī)組自動(dòng)從壓氣機(jī)的最后一段抽出空氣（由防結(jié)冰氣動(dòng)控制蝶閥（BV3）進(jìn)行控制），通過熱空氣噴嘴注入進(jìn)氣口進(jìn)行防冰加熱。

下面對(duì)圖1中防冰控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要用到的一些測(cè)量、控制裝置及變量進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，具體如下。

TT101為外界環(huán)境溫度，由安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)外部的溫濕度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

MT101為外界環(huán)境濕度，由安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)外部的溫濕度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

TE103、TE104為濾芯根部的溫度，由濾芯根部的2只熱電阻測(cè)量，用于測(cè)定加熱后空氣到達(dá)濾芯時(shí)的溫度，防止溫度過高造成濾芯損壞或者影響濾芯壽命。

ZC101為防冰控制閥BV3的開度指令，即控制系統(tǒng)的控制輸入，用于控制和切斷流向進(jìn)氣噴嘴的熱空氣流量。

TE201、TE202、TE203為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度，由安裝在壓氣機(jī)入口的3個(gè)熱電阻測(cè)量。

T2min為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度TE201、TE202、TE203的最小值。

T7為燃?xì)廨啓C(jī)排氣平均溫度。

AIMV為防冰控制器測(cè)量值，即控制系統(tǒng)輸出，定義為T2min與外界環(huán)境溫度的差值：

101（1）

AIsp為防冰控制器的設(shè)定值，即控制系統(tǒng)輸出的控制目標(biāo)值，也就是在防冰控制器的作用下，隨著溫度的上升，AIMV預(yù)期所能達(dá)到的值。

?AI為防冰控制器的控制偏差量，定義AIMV與AIsp之間的差值。

T2T為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度最小值的目標(biāo)值，根據(jù)AIsp的定義可知T2T可以通過式（2）計(jì)算得出。該變量主要用于描述防冰系統(tǒng)報(bào)警及停機(jī)保護(hù)功能的條件，將在3.1節(jié)進(jìn)行具體闡述。

101（2）

防冰系統(tǒng)閉環(huán)控制目標(biāo)為設(shè)計(jì)防冰控制閥的控制規(guī)律使系統(tǒng)輸出AIMV（壓氣機(jī)入口溫度與環(huán)境溫度的差值）穩(wěn)定地跟蹤設(shè)定值A(chǔ)Isp，其閉環(huán)控制流程如圖2所示。

2? 防冰控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 防冰系統(tǒng)的激活條件

基于外界空氣溫濕度測(cè)量值所設(shè)定的防冰激活條件具體如下。

激活條件：機(jī)組在運(yùn)行時(shí)（機(jī)組起動(dòng)/停止功能塊置位或壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速大于900 r/min），環(huán)境相對(duì)濕度MT101高于80%（在70%將解除激活），且外部環(huán)境溫度TT101在-5 °C和+5 °C之間（低于-6 °C或高于+6 °C將解除激活），具體見圖3。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作邏輯

當(dāng)滿足上述激活條件時(shí)，防冰控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將做出以下響應(yīng)。

當(dāng)滿足激活條件時(shí)，為了盡快提高進(jìn)氣溫度以避免結(jié)冰，防冰執(zhí)行機(jī)構(gòu)先用最大加熱能力（防冰控制閥BV3開到最大值ZC101MAX）加熱進(jìn)氣系統(tǒng)10 min，此控制過程為開環(huán)控制[6]?？紤]到高負(fù)荷下若 BV3開度過大易導(dǎo)致透平燃燒排氣溫度突升，所以需要根據(jù)機(jī)組所帶的負(fù)荷高低來設(shè)計(jì)防冰控制閥開度的最大值ZC101MAX。該文以額定功率為33 MW的某型燃?xì)廨啓C(jī)為例，設(shè)計(jì)該階段ZC101MAX的規(guī)律為：

（3）

按照以上規(guī)律以最大加熱能力進(jìn)行開環(huán)控制10 min后，系統(tǒng)開始執(zhí)行閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的輸入設(shè)定值可以根據(jù)外界環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，設(shè)計(jì)規(guī)律見表1。

其中，外界環(huán)境溫度-5 °C和+5 °C之間所對(duì)應(yīng)的輸入設(shè)定值A(chǔ)Isp和壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度目標(biāo)值T2T可以通過對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性差值而得到。

根據(jù)擬合的輸入設(shè)定值，防冰閥開度控制器采用PCS軟件中PIDConL模塊進(jìn)行閉環(huán)控制，該模塊對(duì)經(jīng)典的PID算法進(jìn)行了優(yōu)化，能夠滿足更多的控制要求，其控制基本算法如式（4）所示，其中GainEff為模塊中的等效比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間，TD為微分系數(shù)，ER為控制器輸出誤差，即?AI，MV為控制器的計(jì)算輸入，即控制閥開度ZC101。

（4）

需要注意的是，在閉環(huán)調(diào)節(jié)防冰控制閥時(shí)，為了避免BV3動(dòng)作過快對(duì)透平T7排氣溫度的影響而導(dǎo)致機(jī)組卸載停機(jī)，應(yīng)適當(dāng)減小比例GainEff增益，增加積分系數(shù)TI，可以使得防冰控制得更為穩(wěn)定平滑。

3? 系統(tǒng)性能及應(yīng)用分析

3.1 保護(hù)功能

防冰系統(tǒng)的控制效果可以依據(jù)壓氣機(jī)入口空氣各溫度傳感器的測(cè)量值與擬合的防冰控制的進(jìn)氣溫度目標(biāo)值T2T的差值大小來評(píng)估。

3.1.1 報(bào)警條件

以下3種情況均會(huì)觸發(fā)防冰系統(tǒng)報(bào)警條件。

（1）防冰系統(tǒng)激活條件持續(xù)激活5 min后，T2T-T2AVR>1 °C（延時(shí)5 min）。

（2）防冰系統(tǒng)未成功啟動(dòng)：即當(dāng)激活條件被激活2 min內(nèi)防冰控制閥BV3的開度小于30%（延時(shí)1 min）。

（3）加熱后空氣到達(dá)濾芯時(shí)的溫度TE103和TE104至少有一個(gè)大于60 °C（防止高溫造成濾芯損壞）。

其中T2AVE為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度TE201、TE202、TE203的平均值。

3.1.2 卸負(fù)載停機(jī)條件

（1）防冰系統(tǒng)激活條件持續(xù)激活5 min后，對(duì)于測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的3個(gè)傳感器溫度與目標(biāo)溫度的差值T2T-TE201>3 °C，T2T-TE202>3 °C，T2T-TE203>3 °C，其中至少有兩個(gè)不等式成立（延時(shí)5 min）。

（2）這3個(gè)測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的傳感器至少有兩個(gè)及以上故障。

3.2 防冰系統(tǒng)應(yīng)用效果

該套進(jìn)氣防冰系統(tǒng)于2019年11月份應(yīng)用在某工廠的燃?xì)馔钙綑C(jī)組上。圖4為基于WINCC軟件設(shè)計(jì)的進(jìn)氣防冰系統(tǒng)及控制設(shè)定人機(jī)交互界面。圖5為2020年2月份防冰系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、外界溫濕度以及防冰控制閥動(dòng)作的曲線。從圖4、圖5中可以看出，當(dāng)防冰條件滿足時(shí)（外界溫度1.8 °C左右，濕度81%左右時(shí)），防冰閥以最大加熱能力開啟10 min后，然后防冰控制閥轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制。從運(yùn)行曲線中可以看出，該系統(tǒng)在幾個(gè)月的實(shí)踐中運(yùn)行穩(wěn)定，在冬季高寒及高濕的環(huán)境下防冰效果非常明顯。

4? 結(jié)語

根據(jù)高濕低溫環(huán)境的惡劣程度以及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)可能存在的冰霜風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和舉措，全面分析并量化總結(jié)了防冰激活條件?；谒治龅募せ顥l件，設(shè)計(jì)了防冰執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作邏輯以及防冰控制閥開度控制器。結(jié)合大功率燃?xì)廨啓C(jī)防冰系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，闡述了報(bào)警及卸負(fù)載停機(jī)的保護(hù)條件。實(shí)踐表明，該防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行，有效地避免了進(jìn)氣濾芯濕堵現(xiàn)象的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：翟洪柱（1984—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笫驮O(shè)備設(shè)施。