崔永軍，潘千里，楊君君，羅建超，何垚年，吳國瑞

(華能北京熱電有限責(zé)任公司，北京 100023)

0 引言

對于三菱M701F4型燃氣輪機來說，為了使燃氣輪機的透平熱部件在高溫環(huán)境下安全穩(wěn)定地工作，就必須對透平動葉和轉(zhuǎn)子輪盤進行冷卻。冷卻轉(zhuǎn)子和透平動葉的空氣來自軸流式壓氣機部分排氣。壓氣機的排氣經(jīng)過透平冷卻空氣(turbine cooling air，TCA)系統(tǒng)并被過濾后通過內(nèi)部通道冷卻轉(zhuǎn)子輪盤和透平動葉。TCA系統(tǒng)是三菱機組的特色技術(shù)[1]。

1 TCA系統(tǒng)冷卻水流程

TCA系統(tǒng)冷卻水來自高壓給水泵，取自低壓汽包。高壓給水吸收了燃機壓氣機排氣的熱量后分為兩路，一路回水至凝汽器，通過氣動流量調(diào)閥FCV1控制；另一路通過氣動流量調(diào)閥FCV2與高壓省煤器出口管路匯合后經(jīng)過上水調(diào)門回至高壓汽包，如圖1所示。由于熱量在整個循環(huán)過程中基本上沒有損耗，因此大大提高了整個聯(lián)合循環(huán)效率[2]。通過調(diào)節(jié)FCV1，F(xiàn)CV2，控制TCA系統(tǒng)冷卻水的流量降低透平冷卻空氣溫度，使冷卻空氣維持在符合運行要求的溫度范圍內(nèi)。兩個TCA系統(tǒng)冷卻水流量調(diào)節(jié)閥均在透平控制系統(tǒng)(turbine control system，TCS)中控制。

圖1 TCA系統(tǒng)冷卻水流程

2 TCA系統(tǒng)冷卻水控制邏輯及存在問題

由于TCA系統(tǒng)直接影響著燃機透平轉(zhuǎn)子和輪盤的壽命，因此M701F4型燃機設(shè)置了TCA系統(tǒng)冷卻水流量低保護：TCA系統(tǒng)冷卻水流量低，延時10 s燃機跳閘，來防止高溫部件的損壞。保護定值由邏輯設(shè)定，分為并網(wǎng)前和并網(wǎng)后。

因此，TCA系統(tǒng)冷卻水流量的控制好壞程度直接影響著燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行，尤其是在燃機啟動過程中，系統(tǒng)并不是穩(wěn)態(tài)的情況下。

在燃機啟動初期，TCA系統(tǒng)冷卻水回水至凝汽器，TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)節(jié)閥控制流量(閉環(huán)控制) 88 t/h，燃機定速后流量設(shè)定80 t/h。燃機并網(wǎng)后，TCA系統(tǒng)冷卻水流量設(shè)定值由80 t/h轉(zhuǎn)為燃機負荷對應(yīng)的函數(shù)值(50 MW時TCA系統(tǒng)冷卻水流量約26 t/h，保護值18 t/h)，因此TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)節(jié)閥會迅速關(guān)小，此時TCA系統(tǒng)回高壓汽包調(diào)節(jié)閥最小15 %開度限制又被解除，TCA系統(tǒng)回高壓汽包調(diào)節(jié)閥也會逐漸關(guān)小，這就導(dǎo)致TCA系統(tǒng)流量會迅速下降，很容易導(dǎo)致跳機事故的發(fā)生。

為了控制并網(wǎng)后TCA系統(tǒng)流量較低的危險工況，通常會稍開TCA系統(tǒng)回水至高壓汽包調(diào)節(jié)閥旁路手動門，同時保證高壓汽包上水調(diào)門維持10 %～20 %開度，來保證控制TCA系統(tǒng)流量不低于80 t/h。但是這樣卻造成低負荷階段高壓汽包水位較高，需要經(jīng)常排放，浪費除鹽水。而且由于旁路手動門的開啟，TCA系統(tǒng)回水至高壓汽包調(diào)節(jié)閥前后差壓極小(僅有0.02～0.06 MPa),造成TCA系統(tǒng)回高壓汽包調(diào)節(jié)閥修正系數(shù)超過設(shè)計值(正常系數(shù)的2倍)，使TCA系統(tǒng)冷卻水回高壓汽包調(diào)節(jié)閥長期處于100 %開度，TCA系統(tǒng)冷卻水實際流量過大(超過120 t/h滿量程)，也使通過高壓省煤器的流量偏小，經(jīng)濟性降低。

針對流量不穩(wěn)定造成跳機的問題，部分電廠采取大幅提高TCA系統(tǒng)冷卻水流量、手動進行閥門切換的方式，來保證冷卻水流量在波動時不低至保護值，但該方式造成了機組出力及效率的下降[3]。

3 TCA系統(tǒng)冷卻水流量控制優(yōu)化

因此，對上述TCA系統(tǒng)冷卻水流量的控制邏輯進行了以下優(yōu)化，提高燃氣輪機在啟動過程中和大負荷運行時的經(jīng)濟性和安全性。

(1) 將0～150 MW期間TCA系統(tǒng)冷卻水流量設(shè)定值提高，一是保持燃機并網(wǎng)前后TCA系統(tǒng)流量設(shè)定值變化不大，二是設(shè)定值提高后離保護值較遠，避免燃機并網(wǎng)后TCA系統(tǒng)冷卻水調(diào)節(jié)閥快速關(guān)小時，導(dǎo)致流量迅速降低造成燃機跳閘。TCA系統(tǒng)回凝汽器氣動門流量曲線設(shè)定值優(yōu)化如圖2所示。

圖2 TCA系統(tǒng)回凝汽器氣動門流量曲線設(shè)定值優(yōu)化

(2) 在上一條中將啟動過程中TCA系統(tǒng)冷卻水流量控制值提高后，原先的TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)節(jié)閥快開系數(shù)0.85還遠遠大于TCA系統(tǒng)流量低報警值。為了減小由于系統(tǒng)擾動造成調(diào)節(jié)閥不必要的頻繁快開，將該值修改為0.8。當(dāng)燃機負荷100 MW時，以設(shè)定值70 t/h為例，流量低于70×0.8=56 t/h時TCA系統(tǒng)冷卻水回凝汽器調(diào)節(jié)閥觸發(fā)快開，此時TCA系統(tǒng)流量低報警值27 t/h，保護值25 t/h。

(3) 原DCS邏輯中，燃機負荷大于30 %總負荷(90 MW)且TCA系統(tǒng)冷卻水回高壓汽包調(diào)節(jié)閥開度大于5 %時，高壓汽包上水調(diào)門最小開度由0 %設(shè)定為20 %。這樣做的目的是防止由于高壓汽包水位高，上水調(diào)門關(guān)小，導(dǎo)致TCA系統(tǒng)冷卻水流量低。該邏輯雖然有效保證了TCA系統(tǒng)冷卻水流量，但由于燃機負荷依然較低，高壓汽水系統(tǒng)產(chǎn)汽量還很低，導(dǎo)致高包水位持續(xù)上漲，不得不頻繁開啟事故放水門和定排門對高包進行放水，造成工質(zhì)的大量浪費。因此優(yōu)化該條邏輯，在燃機負荷80～150 MW時上水調(diào)門最小開度15 % (可根據(jù)運行情況調(diào)整)，當(dāng)燃機負荷大于50 %總負荷時最小開度20 %。優(yōu)化之后，有效減少由于高壓汽包水位高而造成不必要的排污，減少工質(zhì)的浪費。

(4) 將TCA系統(tǒng)兩路冷卻水流量調(diào)節(jié)閥切換的結(jié)束負荷由80 MW修改為140 MW，即TCA系統(tǒng)冷卻水全部回至高壓汽包(在邏輯頁M-D351_HLH02中將H改為80)，也就是當(dāng)燃機負荷大于140 MW后,燃機TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)門PI調(diào)節(jié)的低限由20 %變?yōu)? %，速率為20 %/min，TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)門將根據(jù)PI控制逐步關(guān)小至0。TCA系統(tǒng)回高壓汽包氣動門曲線設(shè)定值優(yōu)化如圖3所示。

圖3 TCA系統(tǒng)回鍋爐氣動門流量曲線設(shè)定值優(yōu)化

(5) 修改TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)節(jié)閥PID控制參數(shù)，將積分由50改為35；手自動切換過程中，流量設(shè)定值切換速率M-D352_TR01：Roff由30 %/min改為100 000 %/min (即：放開速率限制)。

（6）增加TCA系統(tǒng)冷卻水回凝汽器調(diào)節(jié)閥投入自動后立即具備快開功能。在邏輯中，將延時時間M-D352_OND02由180 s改為0 s；快開速率當(dāng)前值為100 000 %/min (即：放開速率限制)，關(guān)速率為50 %/min；延時時間M-D352_OND03由2 s改為1 s。

(7) 燃機TCA系統(tǒng)冷卻水流量低報警值與保護值非?？拷?，為了避免燃機TCA系統(tǒng)冷卻水流量低保護動作，增加了TCA系統(tǒng)冷卻水流量低到達報警值時觸發(fā)快開邏輯，具體為：TCA系統(tǒng)冷卻水流量低報警觸發(fā)后延時0 s，快開TCA系統(tǒng)冷卻水回凝汽器調(diào)節(jié)閥，同時TCS發(fā)TCA系統(tǒng)冷卻水流量低報警。

(8) 原有邏輯中，當(dāng)TCA系統(tǒng)冷卻水供水壓力低于10 MPa時，將閉鎖TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)門快開。而通常情況下，供水壓力低都會導(dǎo)致TCA系統(tǒng)流量低，此時TCA系統(tǒng)回凝汽器調(diào)門無法實現(xiàn)快開，將直接威脅機組的安全運行。因此將TCA系統(tǒng)冷卻水供水壓力低閉鎖快開值修改為7 MPa，提高TCA系統(tǒng)系統(tǒng)安全性。

4 結(jié)束語

通過以上對TCA系統(tǒng)冷卻水流量調(diào)節(jié)閥的邏輯優(yōu)化后，有效地使M701F4型燃氣輪機TCA系統(tǒng)冷卻水控制得更加穩(wěn)定；在保證了機組安全性的同時，還提高了經(jīng)濟性；不再需要值班員為了TCA系統(tǒng)冷卻水流量的穩(wěn)定而頻繁地將TCA系統(tǒng)冷卻水流量調(diào)節(jié)閥解為手動操作或者開大旁路手動門。