M701 S(D A)機(jī)組空氣壓縮機(jī)喘振裕度低急降負(fù)荷的分析

林玉忠 張?jiān)A

（鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口 115007）

1 引言

鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司聯(lián)合循環(huán)機(jī)組從2009年投入運(yùn)行以來，狀況良好，機(jī)組原有熱值設(shè)定為4396 kJ/m3,后期為了擴(kuò)大機(jī)組熱值的范圍,對(duì)機(jī)組控制進(jìn)行了改進(jìn)，加入了低熱值運(yùn)行模式，根據(jù)環(huán)境溫度等因素，機(jī)組的熱值運(yùn)行范圍可以在3400～4396 kJ/m3之間運(yùn)行，同時(shí)也可以根據(jù)高、焦?fàn)t煤氣富裕量進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的成本及效益比。投入低熱值運(yùn)行模式后，改變了原有的焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)故障時(shí)引起的事故停機(jī)，而改為機(jī)組急降負(fù)荷至70MW，減少了事故停機(jī)。

2 問題起因

低熱值模式投入后，2010年10月機(jī)組多次發(fā)生“空氣壓縮機(jī)喘振裕度低急降負(fù)荷“的事件，按常規(guī)考慮，發(fā)生該事件時(shí)空氣溫度較低（約15℃左右），空氣更易于壓縮，不應(yīng)該出現(xiàn)喘振裕度低的情況。

我們當(dāng)時(shí)認(rèn)為可能是控制邏輯中，空壓機(jī)喘振裕度值做的過大，導(dǎo)致機(jī)組剛剛進(jìn)入低熱值運(yùn)行模式，就發(fā)生急降負(fù)荷的情況，我們與設(shè)計(jì)人員溝通，對(duì)方設(shè)計(jì)部門反饋設(shè)定值是合理的，不予修改，我門對(duì)當(dāng)時(shí)的機(jī)組工況也進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，其主要因素如下：

（1）由于設(shè)備備件不及時(shí)等原因，空氣過濾器長(zhǎng)期運(yùn)行，各級(jí)過濾器差壓早已超過報(bào)警值，空氣過濾器旁路門全部開啟，入口側(cè)負(fù)壓達(dá)-4.5kPa。

(2)空氣過濾器旁路門開啟導(dǎo)致大量樹葉等雜物進(jìn)入空氣過濾器下部空氣導(dǎo)流孔，雜物堵在孔板上導(dǎo)致差壓升高，同時(shí)空氣未經(jīng)過濾直接進(jìn)入將導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)結(jié)垢，間接導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)效率的下降。

(3)對(duì)空氣過濾器更換及內(nèi)部清掃，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)葉片的清洗次數(shù)。

3 問題的分析過程

喘振裕度的邏輯控制（見圖1），是低熱值運(yùn)行模式的運(yùn)行控制保護(hù)方式之一，其主要原理為，在低熱值運(yùn)行模式下，根據(jù)空氣壓縮機(jī)的壓比來監(jiān)視喘振裕度，從而避免燃機(jī)發(fā)生喘振，當(dāng)燃料熱值降低后，為了達(dá)到同樣的負(fù)荷進(jìn)入溫控，燃燒室的殼體壓力會(huì)隨著煤氣流量的增加而增大，導(dǎo)致了空氣壓縮機(jī)喘振裕度的降低，為了防止由于熱值降低而導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)喘振的發(fā)生，增加了Runback（即急降負(fù)荷）功能以保護(hù)燃機(jī)的安全運(yùn)行。

從機(jī)組的控制方面，通過分析邏輯找出了喘振裕度的計(jì)算方法，即通過比較空氣壓縮機(jī)開度所對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)壓比，與燃燒室殼體壓比相比較，當(dāng)空氣壓縮機(jī)壓比低于燃燒室殼體壓比時(shí)，機(jī)組就會(huì)延時(shí)600 s觸發(fā)該事件。

圖1燃機(jī)空氣壓縮機(jī)喘振裕度低邏輯圖

通過分析，我們找到了以下影響喘振裕度的因素。

（1）IGV 開度換算后的壓比函數(shù)FX1（見表1）

表1 函數(shù)F X 1設(shè)定值

從函數(shù)可知，IGV開度越大，壓縮機(jī)壓比越大，可以通過提高該設(shè)定值提高壓縮機(jī)壓比，但該值計(jì)算比較復(fù)雜需經(jīng)過試驗(yàn)確定。

（2）壓縮機(jī)入口空氣溫度對(duì)壓比修正函數(shù)FX2（見表2）

表2 函數(shù)F X 2設(shè)定值

從函數(shù)可知，溫度越低對(duì)壓縮機(jī)的壓比修正越大。其中15.9℃是一個(gè)分界點(diǎn)，溫度大于15.9℃后，大氣溫度對(duì)壓縮機(jī)壓比的修正即變?yōu)樨?fù)值，即溫度升高將導(dǎo)致壓縮機(jī)壓比的降低。

（3）燃燒室殼體絕對(duì)壓力

（4）空氣壓縮機(jī)入口負(fù)壓

由壓縮機(jī)喘振邏輯可以看出，壓縮機(jī)入口負(fù)壓越低，燃燒室殼體壓力對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)入口壓力的壓比越大，而空氣壓縮機(jī)的壓比不變導(dǎo)致喘振裕度降低。

問題1：機(jī)組正常運(yùn)行的熱值范圍為4198～4650 kJ/m3,發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱值設(shè)定值低于4394 kJ/m3后，機(jī)組才會(huì)發(fā)生該事件，，當(dāng)在非低熱值運(yùn)行模式（即熱值設(shè)定為4396 kJ/m3），即使機(jī)組實(shí)際運(yùn)行熱值小于4394 kJ/m3，并不發(fā)生急降負(fù)荷的事件，而在低熱值運(yùn)行模式（即熱值設(shè)定小于4394 kJ/m3），當(dāng)喘振裕度小于零就會(huì)觸發(fā)急降負(fù)荷

問題2：通過低熱值運(yùn)行模式的多次運(yùn)行觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱值設(shè)定小于4300 kJ/m3時(shí)負(fù)荷鎖定，進(jìn)行IGV開度設(shè)定值的切換，若環(huán)境溫度大于25℃，IGV在前后開度還是100%無變化，后來偶然的機(jī)會(huì)在21℃時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)進(jìn)行熱值設(shè)定后，IGV開度會(huì)從70%打開至全開，這引起了我們的思考，是否是因?yàn)樵?5℃左右IGV沒有全開，而導(dǎo)致壓縮機(jī)喘振裕度低。但是通過對(duì)邏輯前后關(guān)系的查找，IGV還沒有在設(shè)定值切換時(shí)，就已經(jīng)發(fā)生了急降負(fù)荷。至此，我們找到了該問題發(fā)生的真正原因。熱值設(shè)定從4396改為4271 kJ/m3相關(guān)參數(shù)變化曲線見圖2。

如圖2，曲線左側(cè)從上至下分別為1）負(fù)荷 2）熱值設(shè)定3）IGV開度4）喘振裕度5）實(shí)時(shí)熱值 6）煤氣壓縮機(jī)出口壓力

從圖2曲線可以看出，進(jìn)行熱值切換過程中，由于熱值的降低，機(jī)組會(huì)提高輸入的熱量以補(bǔ)償，故通過增加煤氣壓縮機(jī)VV（可變導(dǎo)葉）開度來增加煤氣量供給，同時(shí)煤氣壓縮機(jī)的出口煤氣壓力升高，而大量的煤氣進(jìn)入燃燒室后導(dǎo)致燃燒室殼體壓力升高，而壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉（IGV）打開的速度滯后于燃燒室殼體壓力的升高，從而導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)的喘振裕度值急劇減小，待IGV全開后，喘振裕度值才提高。對(duì)以往低溫時(shí)參數(shù)的觀察，例如環(huán)境溫度低于15℃，GT IGV開度函數(shù)設(shè)定為70%，而煤氣壓縮機(jī)導(dǎo)葉開度較大，其出口壓力亦較高,約在 1.25～1.27 MPa，煤氣量較氣溫在25℃時(shí)增加約3萬m3（冬季約為30萬m3），故燃燒室殼體壓力亦較夏季高，正常運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)喘振裕度值已接近0，一旦投入低熱值（即熱值設(shè)定值低于4394 kJ/m3），即馬上發(fā)生喘振裕度低急降負(fù)荷，機(jī)組還沒等進(jìn)入IGV設(shè)定值的切換過程，就已經(jīng)發(fā)生急降負(fù)荷。

通過上述分析，也驗(yàn)證了曾經(jīng)發(fā)生過一次喘振裕度低急降負(fù)荷的事件，氣溫15.7℃、熱值設(shè)定在4371kJ/m3時(shí)，機(jī)組發(fā)生了喘振，后分析發(fā)現(xiàn)，正是由于熱值設(shè)定在4300 kJ/m3以上時(shí)，IGV并不進(jìn)行切換，當(dāng)空氣過濾器差壓大或溫度低時(shí)，由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度低，機(jī)組CSO（控制信號(hào)輸出）較高，燃燒器殼體壓力較高而導(dǎo)致了喘振裕度低，這也驗(yàn)證了熱值設(shè)定的一個(gè)死區(qū)，即4300～4394 kJ/m3，如果熱值設(shè)定在該區(qū)段，由于IGV并不進(jìn)行開度的切換（從70%全開至100%），當(dāng)氣溫較低、低熱值模式等條件發(fā)生時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致喘振裕度的降低。

4 存在的問題

1）對(duì)于熱值設(shè)定值小于4394 kJ/m3才投入喘振裕度，我們覺得不合理，例如熱值設(shè)定值大于4394 kJ/m3，而實(shí)際運(yùn)行熱值較低時(shí)，機(jī)組也會(huì)增加煤氣量，導(dǎo)致燃燒室殼體壓力升高，由于實(shí)際熱值與熱值設(shè)定并不完全一致，空壓機(jī)的喘振裕度也有可能到報(bào)警極限。

2）邏輯的設(shè)定為熱值設(shè)定值小于4300 kJ/m3時(shí)開始切換IGV開度，以提高喘振裕度，但為時(shí)已晚，已經(jīng)觸發(fā)急降負(fù)荷。

3)喘振裕度邏輯中各函數(shù)設(shè)定值是否合理？

5 解決方法

針對(duì)第一個(gè)問題，我們認(rèn)為該控制邏輯應(yīng)不以熱值設(shè)定為主要因素，熱值設(shè)定低于4394 kJ/m3就投入該邏輯，熱值設(shè)定值大于4394 kJ/m3就取消，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行熱值、壓縮機(jī)的壓比和燃?xì)馐覛んw對(duì)應(yīng)壓比的差值作為主要因素。

第二個(gè)問題，通過邏輯可知為了提高空氣壓縮機(jī)的壓比，可以通過增加壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉的開度和修改壓縮機(jī)葉型，另一種方法就是在低熱值模式投入時(shí)，盡快進(jìn)行IGV設(shè)定值的切換，提高入口導(dǎo)葉的開度，提高空氣壓縮機(jī)壓比。 基于上述原則，我們提出了以下3種方法：

1）修改壓縮機(jī)入口空氣溫度對(duì)應(yīng)的IGV開度設(shè)定值函數(shù)，以提高喘振裕度。

從表3可以看出，修改了在0℃以上的IGV開度，通過提高空氣壓縮機(jī)的壓比來提高喘振裕度，避免裕度低引起急降負(fù)荷，由于該方案僅需要修改壓縮機(jī)入口溫度與IGV開度的函數(shù)設(shè)定值，比較簡(jiǎn)單，故優(yōu)先選用該方案。

表3 壓縮機(jī)入口溫度與I G V開度的函數(shù)

2）現(xiàn)有IGV開度函數(shù)不變，及早進(jìn)行IGV設(shè)定值的切換，而現(xiàn)有IGV設(shè)定值的切換是在熱值設(shè)定值小于4300 kJ/m3時(shí)，延時(shí)300 s后進(jìn)行，如果提前切換的話，可以提高IGV切換的熱值設(shè)定值，提高至4394 kJ/m3或更高，當(dāng)投入低熱值運(yùn)行后，使IGV及早進(jìn)行切換，開大IGV提高喘振裕度，從而防止急降負(fù)荷的發(fā)生。該方案僅需要修改IGV設(shè)定值的切換時(shí)機(jī)，簡(jiǎn)單易行，故該方案也可以選用。

3）喘振裕度低急降負(fù)荷控制邏輯不變，但增加控制邏輯，即當(dāng)發(fā)生燃機(jī)空氣壓縮機(jī)喘振裕度低報(bào)警時(shí)，立即減少10MW出力，直到確認(rèn)該報(bào)警消失后再人為調(diào)整，該措施需要增加邏輯的設(shè)計(jì)并且對(duì)發(fā)電量有一定的影響，故該方案可作為機(jī)組保護(hù)的一種輔助措施。

6 結(jié)語

綜上，通過對(duì)空氣壓縮機(jī)喘振裕度低急降負(fù)荷問題的分析，找出了問題的根源，從多方面提出了解決該問題的方法，解決了長(zhǎng)期困擾機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的問題。由于喘振裕度邏輯中相關(guān)函數(shù)的設(shè)定值計(jì)算復(fù)雜，故未能驗(yàn)證其合理性。