魏鵬鑫， 韋 煒， 王 巍， 胡悅豐

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所 燃?xì)廨啓C(jī)事業(yè)部, 哈爾濱 150078)

目前，隨著國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和各核心技術(shù)的日趨成熟，燃?xì)廨啓C(jī)廣泛地應(yīng)用到航空、航海、電力、石油化工等各個領(lǐng)域。然而，在我國北方低溫高濕的地區(qū)及海域，冬季燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣入口都會出現(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，甚至?xí)霈F(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)“吞冰”的現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片及機(jī)器損壞，給燃?xì)廨啓C(jī)的正常運行帶來了很高的風(fēng)險。GB/T 15736—2016《燃?xì)廨啓C(jī)輔助設(shè)備通用技術(shù)要術(shù)》明確規(guī)定: 為了防止濾芯結(jié)冰堵塞，在低溫高濕的地區(qū)應(yīng)設(shè)計配套高效濾芯進(jìn)氣加熱防冰裝置[1]。

配套合理的進(jìn)氣防冰裝置和設(shè)計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：電加熱、蒸汽(熱水)加熱、排氣再循環(huán)加熱(flue gas recirculation,FGR)和壓氣機(jī)的抽氣加熱(compressor inlet bleeds heating, CIBH)等[2]。電加熱及蒸汽加熱方式[3-4]原理簡單，需要額外配備加熱裝置及系統(tǒng)，影響了系統(tǒng)布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計。排氣再循環(huán)加熱因排氣溫度較高，在安全性和可控性上存在著一定的風(fēng)險。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空氣引入到燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)過濾器入口處，通過氣氣換熱的方式將進(jìn)氣系統(tǒng)中的空氣加熱[5-7]。這種方式不需要額外增加設(shè)備，具有工程造價較低、抽氣量較小等優(yōu)點，但這種方式耗費一定的燃?xì)廨啓C(jī)功率以及會引起透平平均排氣溫度的明顯變化，在控制系統(tǒng)設(shè)計時需加以考慮。

國內(nèi)外學(xué)者對引壓氣機(jī)熱空氣到進(jìn)氣系統(tǒng)的除冰方式已有大量研究。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進(jìn)氣濾芯之后消音器之前，只考慮了消音器和一級可轉(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[8]。Wilcox等人認(rèn)為不需要對進(jìn)氣濾芯進(jìn)行防冰，用脈沖反沖洗就可以清除掉濾芯的結(jié)冰[9]。但由于濾芯中的冰霜一部分是由于其本身的節(jié)流降溫所形成的，非常牢固地嵌在濾芯上，這種方法是不能完全清除冰霜的[10]。北京太陽宮燃?xì)鉄犭姽舅褂玫腉E 9351FA燃?xì)廨啓C(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，效果不佳，進(jìn)氣過濾濾芯極易出現(xiàn)濕堵，引起進(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)[11]。

本文基于廣泛應(yīng)用的壓氣機(jī)抽氣加熱的防冰方式，詳細(xì)地介紹了進(jìn)氣防冰控制系統(tǒng)的組成，從“防”和“除”兩個層面進(jìn)行分析，不僅考慮了對系統(tǒng)防冰，而且考慮了意外結(jié)冰后對過濾器的除冰。根據(jù)低溫高濕環(huán)境的惡劣程度、進(jìn)氣濾芯的結(jié)冰情況以及機(jī)組運行狀態(tài)，全面分析并量化總結(jié)了防冰激活條件及除冰激活條件?；诓煌募せ顥l件，設(shè)計了防冰執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作邏輯、自動擬合輸入設(shè)定值以及防冰控制閥開度控制器。結(jié)合防冰控制過程中機(jī)組可能面臨的風(fēng)險及故障，闡述了報警及卸負(fù)載停機(jī)的保護(hù)條件。以33 MW燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對象，進(jìn)行了相關(guān)的性能測試。實踐表明，該防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運行，提高了進(jìn)氣溫度，降低了進(jìn)氣濕度，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

某型燃?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(兩級濾芯)、消音器、防冰裝置(防冰控制閥、噴嘴)組成。當(dāng)相關(guān)的防冰條件滿足時，機(jī)組自動從壓氣機(jī)的最后一級抽出空氣(由防冰控制閥BV3進(jìn)行控制)，通過防冰噴嘴注入進(jìn)氣口進(jìn)行防冰加熱。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖

下面對圖1中防冰控制系統(tǒng)設(shè)計需要用到的一些測量、控制裝置及變量進(jìn)行簡要描述：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TT101進(jìn)行測量；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MT101進(jìn)行測量；TE103和TE104為濾芯根部的溫度，分別由濾芯根部的2只熱電阻TE103、TE104測量，用于測定加熱后空氣到達(dá)濾芯時的溫度，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)的輸入，用于控制和切斷流向進(jìn)氣噴嘴的熱空氣流量；PDT101為一級過濾器壓差變送器PDT101測量的壓差，作為除冰條件壓差損失的判斷依據(jù)；TE201、TE202和TE203為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度，由安裝在壓氣機(jī)入口的三個熱電阻TE201、TE202、TE203測量；T2min為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度TE201、TE202和TE203的最小值；T7為燃?xì)廨啓C(jī)排氣平均溫度；IMV為防冰控制器測量值，即控制系統(tǒng)輸出，定義其為T2min與外界環(huán)境溫度的差值。

IMV=T2min-TT101

(1)

ISP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，IMV預(yù)期所能達(dá)到的值；ΔI為防冰控制器的控制偏差量，定義為IMV與ISP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)ISP的定義可知T2T可以通過式(2)計算得出，該變量主要用于描述防冰系統(tǒng)報警及停機(jī)保護(hù)功能的條件，將在本文3.1節(jié)進(jìn)行具體闡述。

T2T=ISP-TT101

(2)

防冰系統(tǒng)閉環(huán)控制目標(biāo)為設(shè)計防冰控制閥的控制規(guī)律使系統(tǒng)輸出IMV(壓氣機(jī)入口溫度三個傳感器測量的最小值與環(huán)境溫度的差值)穩(wěn)定地跟蹤設(shè)定值ISP，其閉環(huán)控制流程如圖2所示。

圖2 防冰閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖

2 防冰控制系統(tǒng)邏輯介紹

2.1 防冰系統(tǒng)的激活條件

為了全面涵蓋所有激活防冰系統(tǒng)的條件，本文對可能存在的冰霜風(fēng)險從“防”和“除”兩個層面進(jìn)行分析，將激活條件分為兩種：條件1為基于外界空氣溫濕度測量值所設(shè)定的防冰激活條件；條件2為判斷濾芯是否結(jié)冰、基于第一段過濾器壓差值及透平平均排氣溫度變化速度等所設(shè)定的除冰激活條件。

2.1.1 激活條件1——防冰條件

機(jī)組在運行(機(jī)組起動/停止功能塊開啟或壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速NGG大于900 r/min)時，外界環(huán)境濕度MT101高于80%(在70%將解除激活)且外界環(huán)境溫度TT101在-5 ℃和+5 ℃之間(低于-6 ℃或高于+ 6 ℃將解除激活)，機(jī)組的防冰條件被激活，如圖3所示。

圖3 防冰系統(tǒng)激活條件1邏輯圖

2.1.2 激活條件2——除冰條件

外部環(huán)境溫度TT101小于+10 ℃且透平平均排氣溫度變化率ΔT7大于2 ℃/min(延時60 s)，同時一級濾芯差壓PDT101>1 kPa或者一級濾芯差壓變化率ΔPDT101大于0.1 kPa/min (延時60 s)，機(jī)組的除冰條件被激活，如圖4所示。

圖4 防冰系統(tǒng)激活條件2邏輯圖

2.2 防冰和除冰系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作邏輯

當(dāng)滿足上述激活條件時，防冰控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將分別根據(jù)不同的激活條件作出以下響應(yīng)。

2.2.1 滿足激活條件1——防冰條件

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?？紤]到高負(fù)荷下若 BV3開度過大易導(dǎo)致透平平均排氣溫度突升，所以需要根據(jù)機(jī)組所帶的負(fù)荷高低來設(shè)計防冰控制閥開度的最大值ZC101MAX。本文以額定功率為33 MW的某型燃?xì)廨啓C(jī)為例，設(shè)計該階段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)行自動計算，設(shè)計規(guī)律如表1所示。

表1 閉環(huán)控制輸入設(shè)定值的計算

其中，外界環(huán)境溫度在-5 ℃和+5 ℃之間所對應(yīng)的輸入設(shè)定值ISP和壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度目標(biāo)值T2T可以通過對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性差值而得到，所擬合的曲線如圖5所示。

圖5 不同外界環(huán)境溫度所對應(yīng)的設(shè)定值

根據(jù)擬合的輸入設(shè)定值，防冰閥開度控制器采用PCS7軟件中PIDConL模塊進(jìn)行閉環(huán)控制，該模塊對經(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。

(4)

式中：G為模塊中的等效比例系數(shù)；TI為積分時間；TD為微分系數(shù)；D為微分系數(shù)標(biāo)稱化常數(shù)，PCS7軟件中默認(rèn)為5；s為拉普拉斯的變量符號；ER為控制器輸出誤差，即ΔI；MV為控制器的計算輸入，即控制閥開度ZC101。

需要注意的是，在閉環(huán)調(diào)節(jié)防冰控制閥時，為了避免BV3動作過快對透平平均排氣溫度T7的影響而導(dǎo)致機(jī)組卸載停機(jī)，應(yīng)適當(dāng)減小比例G增益，增加積分時間TI，可以使得防冰控制更為穩(wěn)定平滑。

2.2.2 滿足激活條件2——除冰條件

上述的激活條件1被激活10 min之后，若控制閥BV3不在閉合位置，說明之前防冰控制閥對于防冰條件1的響應(yīng)可能因各種原因未達(dá)到最佳加熱效果，進(jìn)氣濾芯處已經(jīng)結(jié)霜結(jié)冰。此時防冰控制閥不能繼續(xù)按照激活條件1的響應(yīng)進(jìn)入到閉環(huán)控制中，而是仍然需要以最大的加熱能力繼續(xù)加熱進(jìn)氣系統(tǒng)，以達(dá)到去除濾芯上冰霜的效果。所以在除冰條件被激活后(延時10 s)，防冰系統(tǒng)以最大的加熱能力即BV3開度到100%持續(xù)加熱進(jìn)氣過濾系統(tǒng)30 min，該階段控制閥動作的優(yōu)先級高于條件1被激活時的控制響應(yīng)。

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 防冰系統(tǒng)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量值與圖5擬合的防冰控制的進(jìn)氣溫度目標(biāo)值T2T的差值大小來評估。以下3種情況均會觸發(fā)防冰系統(tǒng)報警條件：

(1) 防冰系統(tǒng)激活條件持續(xù)激活5 min后，T2T-T2AVE>1 ℃(延時5 min)。其中T2AVE為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度TE201、TE202和TE203的平均值。

(2) 防冰系統(tǒng)未成功啟動即當(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1 min)。

(3) 加熱后空氣到達(dá)濾芯時的溫度TE103和TE104有一個大于60 ℃(防止高溫造成濾芯損壞)。

當(dāng)防冰效果不佳，對機(jī)組安全運行產(chǎn)生影響時，會觸發(fā)防冰系統(tǒng)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，測量壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的3個傳感器溫度與目標(biāo)溫度的差值T2T-TE201>3 ℃、T2T-TE202>3 ℃、T2T-TE203>3 ℃，其中有兩個不等式成立(延時5 min)。

(2) 3個測量壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的傳感器有兩個及以上故障。

3.2 防冰系統(tǒng)應(yīng)用效果

進(jìn)氣防冰系統(tǒng)于2019年11月份應(yīng)用在北方某海上平臺的33 MW級燃?xì)馔钙綑C(jī)組上。當(dāng)防冰條件(外界溫度1.8 ℃左右，濕度81%左右)滿足時，防冰閥以最大加熱能力開啟10 min后，防冰控制閥轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制。當(dāng)外界環(huán)境(外界溫度1.0 ℃左右，濕度91.7%)更為惡劣時，過濾器上仍有冰霜，激活了除冰條件。防冰閥仍繼續(xù)以最大加熱能力加熱30 min，然后轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制。根據(jù)機(jī)組的運行記錄，該系統(tǒng)在幾個月的實踐中運行穩(wěn)定，在冬季低溫高濕的環(huán)境下防冰及除冰效果非常明顯。

另外，需要注意的是，在防冰條件被激活后，由于進(jìn)氣溫度在防冰控制的作用下得到了提升，透平平均排氣溫度有可能出現(xiàn)小幅突升的現(xiàn)象，在高工況情況下甚至?xí)_(dá)到限制保護(hù)值，導(dǎo)致機(jī)組卸負(fù)載。所以在高工況下運行的防冰控制系統(tǒng)設(shè)計還要兼顧透平平均排氣溫度的變化。一般在防冰系統(tǒng)啟動后，控制系統(tǒng)也需要根據(jù)設(shè)計，自動合理地修改透平平均排氣溫度的上限值。以該機(jī)組為例，激活防冰系統(tǒng)的同時，機(jī)組也會同時進(jìn)入極限負(fù)荷模式(該模式不同于正常模式，其排氣溫度限制值及計算等效工作時長的機(jī)組磨損系數(shù)都會自動增大)，這樣可以有效地避免高工況下的排氣溫度升高所引起的載荷限制。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)低溫高濕環(huán)境的惡劣程度、進(jìn)氣濾芯的結(jié)冰情況以及機(jī)組運行狀態(tài)，從防冰和除冰兩個層面分析并量化總結(jié)了防冰激活條件及除冰激活條件。

(2) 基于不同的激活條件，設(shè)計了防冰執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作邏輯、輸入設(shè)定值擬合以及防冰控制閥開度控制器。

(3) 結(jié)合33 MW燃?xì)廨啓C(jī)防冰系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，闡述了報警及卸負(fù)載停機(jī)的保護(hù)條件。實踐表明，該防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運行，有效地避免了進(jìn)氣濾芯濕堵現(xiàn)象的發(fā)生。

(4) 在高工況下運行的防冰控制系統(tǒng)設(shè)計還需要兼顧透平平均排氣溫度的變化，避免高工況下的排氣溫度升高所引起的載荷限制。如何將透平平均排氣溫度作為反饋變量引入到防冰控制算法中，也是后續(xù)有待進(jìn)一步研究的一個方向。