S109FA機組IGV 溫控基準優(yōu)化探討

薛志敏，羅以勇

(中山嘉明電力有限公司，廣東中山528437)

1 IGV溫控基準(TTRXGV)

IGV 溫控基準 TTRXGV［2］，從 Mark VI邏輯中可整理出以下的計算式:

式中，OUT為TTRXGV1對壓氣機進氣溫度、壓氣機排氣溫度和IGV角度修正后的基準值，單位為℉;TTRXGV1為IGV溫控基準1#，單位為℉;ctim為壓氣機進氣溫度，單位為℉;kctimo為IGV溫控基準壓氣機進氣溫度偏置設定值，取常數(shù)59℉;kctimg為IGV溫控基準壓氣機進氣溫度偏置系數(shù)，取常數(shù)0;ctda為壓氣機排氣溫度，單位為℉;ktcdo為IGV溫控基準壓氣機排氣溫度偏置設定值，取常數(shù)765.242℉;ktcdg為IGV溫控基準壓氣機排氣溫度偏置系數(shù)，取常數(shù)0.65;csgv為IGV角度，單位為°;kgvo為IGV溫控基準IGV角度偏置設定值，取常數(shù)42°;kgvg為IGV溫控基準IGV角度偏置系數(shù)，取常數(shù)0。

式(1)中后3項是對TTRXGV1的修正，實質上對壓氣機進氣溫度和IGV角度的修正量為0，所以只是對壓氣機排氣溫度進行修正，目前國內9FA機組都只修正這一項。因此對式(1)簡化后代入相關系數(shù)有:

IGV溫控基準1#(TTRXGV1)與壓氣機壓比CPR的關系曲線如圖1所示，表1表示壓氣機壓比CPR與TTRXGV1對應所在直線中的關系值。

圖1 IGV溫控基準#1(TTRXGV1)與壓比CPR的關系

根據(jù)式(3)與表2，從計算IGV溫控排氣溫度最小選擇(TTGVP)中，溫度控制壓比CPR拐點ttk_c［n］與溫控線壓比CPR偏置斜率ttk_s［n］的系數(shù)關系可以看出，TTGVP與不考慮其他修正的CPR偏置溫控基準(TTRXP)的算式和系數(shù)是一樣的。不同的是CPR偏置溫控TTRXP中的等溫線TTK_I［n］可以設置為每段區(qū)間不是定值1 200℉(648.9℃)，而某臺S109FA機組的CPR偏置溫度控制基準TTRXP中的TTK_I［n］都為1 200℉(648.9℃)。因此，TTGVP可以看成是CPR偏置溫控基準TTRXP。

表1 壓氣機壓比CPR與TTRXGV1對應所在直線中的關系值

表2 計算TTGVP中ttk_c［n］與ttk_s［n］的系數(shù)關系

圖2 IGV溫控基準TTRXGV

從圖2中可以看出:TTRXGV為120:OUT與TTGVP兩者中的最小值。從式(1)和式(2)中可以看出:TTRXGV主要考慮了壓氣機排氣溫度的修正，而壓氣機進氣溫度和IGV角度的修正都為0。從考慮壓氣機排氣溫度修正可以看出:一般情況下，兩臺壓氣機在相同的進氣溫度下，壓氣機等熵效率高，則壓氣機排氣溫度較低，那么TTRXGV從1 200℉(648.9℃)開始下降時，IGV的角度提前，即燃氣輪機維持TTXM為1 200℉(648.9℃)的IGV角度區(qū)域變小。然而參與計算120:OUT的CTDA的最大值只能輸入765.242℉(407.4℃)，而壓氣機排氣溫度CTDA的顯示值在-80℉(-62.2℃)與850℉(454.4℃)之間，當壓氣機排氣溫度CTDA大于或等于765.242℉(407.4℃)時，TTRXGV的壓氣機排氣溫度修正都為0，只要從壓氣機壓比CPR就能計算出TTRXGV。一般來說，當壓氣機進氣溫度較高或壓氣機等熵壓縮效率偏低時較容易出現(xiàn)壓氣機排氣溫度CTDA大于或等于765.242℉(407.4℃)的情況。

視物模糊是由于光學系統(tǒng)受到污染，首先要判斷出污物存在的位置，才能有效排除。視野中出現(xiàn)異物有3種情況：物鏡上、目鏡上和載玻片上。（1）移動載玻片異物不動，說明污物不在載玻片上；（2）轉動轉換器，換上高倍鏡后，仍可觀察到，說明污物不在物鏡上，只可能存在于目鏡上；（3）如果轉動目鏡頭，污物也隨之轉動，則說明在目鏡頭上。

2 壓氣機模型

在熱工計算中，工程中常用的氣體如O2、H2、N2、CO2、CO等，及其混合物都可看作理想氣體。對于包含在大氣或燃氣中的少量水蒸汽，因其分壓力甚小，分子濃度很低，也可當作理想氣體處理［3］。

空氣在壓氣機內為絕熱壓縮過程壓縮比:

式中，p2為壓氣機排氣總壓，p1為壓氣機進氣總壓。

壓氣機進口的空氣比焓i1(kJ/kg):

式中，T1為壓氣機進氣溫度，單位為K。

壓氣機進口空氣熵函數(shù)值e1(kJ/(kg·K)):

壓氣機出口的空氣比焓i2(kJ/kg):

式中，T2為壓氣機排氣溫度，單位為K。

空氣在壓氣機的壓縮過程為可逆絕熱壓縮過程，文獻［4］中提出，熵函數(shù)表征了絕熱過程的壓比與該絕熱過程所對應的等熵過程函數(shù)值間的對應關系，如式(8):

式中，R 為氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)。

由式(8)轉化為式(9)可求出壓氣機排氣熵函數(shù)值e2(kJ/(kg·K)):

由e2=e( T2s) =f2( T2s)求得壓氣機等熵壓縮后排氣溫度T2s，再通過公式求得壓氣機絕熱壓縮后的排氣比焓i2s(kJ/kg):

壓氣機絕熱壓縮效率η:

文中已知壓氣機進氣溫度CTIM和壓氣機絕熱壓縮效率η，利用上述公式可計算出不同壓比CPR下的IGV溫控基準TTRXGV。

3 IGV溫控基準曲線化

3.1 啟用VB軟件將IGV溫控基準程序化

通過空氣熱力性質計算方法、相關的擬合算式和壓氣機模型分析，結合IGV溫控基準的計算，應用VB軟件將IGV溫控基準程序化。在VB程序界面輸入各種壓氣機進氣溫度和壓氣機效率，計算不同壓氣機壓比CPR下的IGV溫控基準TTRXGV。圖3所示為VB程序化IGV溫控基準優(yōu)化計算界面，界面中“IGV溫控基準TTRXGV優(yōu)化”為計算命令按鈕，輸入壓氣機進氣溫度、壓比CPR、壓氣機等熵效率后，點擊該計算命令按鈕即可計算出圖3中其他3個參數(shù)值;取消為退出該計算模型命令按鈕。

圖3 VB程序化IGV溫控基準優(yōu)化計算界面

由于IGV溫控基準TTRXGV考慮了壓氣機排氣溫度CTDA的修正，故很難把IGV溫控基準TTRXGV與壓比CPR的關系曲線化。文中從壓氣機絕熱壓縮效率出發(fā)，提出假設壓氣機進口溫度CTIM和壓氣機絕熱效率η已知條件下，利用VB程序化IGV溫控基準計算出不同壓比CPR下的IGV溫控基準TTRXGV?？紤]到某臺S109FA機組實際運行數(shù)據(jù):壓氣機進氣溫度在40～100℉(4.4～37.8℃)之間，壓氣機絕熱效率為87%左右(利用變比熱法從各種工況下計算得到)。文中利用VB程序化IGV溫控基準計算出壓氣機進氣溫度CTIM、壓氣機絕熱效率η在實際運行數(shù)據(jù)范圍內不同壓比CPR下的IGV溫控基準TTRXGV。表3所示為壓氣機進氣溫度CTIM=40℉(4.4℃)，4種壓氣機效率η下不同壓比CPR下的TTRXGV;表4所示為壓氣機進氣溫度CTIM=68℉(20℃)，4種壓氣機效率η下不同壓比CPR下的TTRXGV;表5所示為壓氣機進氣溫度CTIM=100℉(37.8℃)，4種壓氣機效率η下不同壓比CPR下的TTRXGV。

表3 壓氣機進氣溫度CTIM=40℉，4種壓氣機效率η下不同壓比CPR下的TTRXGV

表4 壓氣機進氣溫度CTIM=68℉，4種壓氣機效率η下不同壓比CPR下的TTRXGV

表5 壓氣機進氣溫度CTIM=100℉，4種壓氣機效率η下不同壓比CPR下的TTRXGV

3.2 IGV溫控基準曲線

利用OriginPro 7.5三次多項式擬合，將表3、表4和表5中的IGV溫控基準TTRXGV曲線化，可得如圖4所示的不同工況下的IGV溫控基準TTRXGV曲線。

圖4 不同工況下的IGV溫控基準TTRXGV曲線

如圖4所示:壓氣機進氣溫度CTIM越高、絕熱效率η越低，IGV溫控基準TTRXGV越靠近溫控基準TTRX;而壓氣機進氣溫度CTIM越低、絕熱效率η越高，IGV溫控基準TTRXGV越遠離溫控基準TTRX。

4 IGV溫控基準優(yōu)化

4.1 IGV溫控基準優(yōu)化的背景

某臺S109FA機組在夏天運行(260～390 MW)時，燃氣輪機排氣溫度TTXM(IGV溫控基準TTRXGV)太靠近溫度控制基準TTRX，經(jīng)常出現(xiàn)IGV還沒全開時就瞬間進入溫控，調節(jié)裕度偏小，不利于燃料量的調節(jié)。冬天運行(260～390 MW)時，燃氣輪機排氣溫度TTXM(IGV溫控基準TTRXGV)太遠離溫度控制基準TTRX，甚至出現(xiàn)燃氣輪機排氣溫度TTXM小于1 100℉(593.3℃)而報警的情況，影響主蒸汽、再熱蒸汽溫度，偏離余熱鍋爐最佳設計溫度工作點。

4.2 IGV溫控基準優(yōu)化

針對某臺S109FA機組投產(chǎn)以來(260～390 MW)的運行數(shù)據(jù)，結合當?shù)貧v史的天氣數(shù)據(jù)，且考慮調節(jié)裕度，可得IGV溫控基準優(yōu)化的壓氣機進氣溫度CTIM的范圍為40～100℉(4.4～37.8℃)。采用變比熱法計算統(tǒng)計壓氣機在不同工況下的壓氣機絕熱效率η，可知機組大、中修對壓氣機葉片進行干冰清洗(國內多臺同類型機組在壓氣機揭缸檢修時都采用干冰清洗以提高葉片的清洗效果)和離線水洗后壓氣機絕熱效率最高約為90.46%;而機組運行一段時間后(考慮到機組的連續(xù)運行性，一年大概離線水洗兩次)，到下一次離線水洗前的壓氣機絕熱效率最低約為85.39%。因此文中考慮到裕度因素，把IGV溫控基準優(yōu)化的壓氣機進氣溫度CTIM的范圍定為40～100℉(4.4～37.8℃)，壓氣機絕熱效率η定為84%～92%。

根據(jù)圖4所示的不同工況下的IGV溫控基準TTRXGV曲線，結合式(1)可知:若壓氣機進氣溫度CTIM越高且壓氣機絕熱效率η越低，則IGV溫控基準TTRXGV稍偏離溫度控制基準TTRX;而壓氣機進氣溫度CTIM越低且壓氣機絕熱效率η越高，則IGV溫控基準TTRXGV稍靠近溫度控制基準TTRX，要盡量避免出現(xiàn)因燃氣輪機排氣溫度TTXM小于1 100℉(593.3℃)而報警的情況。文中采取的簡單快捷方法是IGV溫控基準TTRXGV考慮壓氣機進氣溫度CTIM的修正(現(xiàn)在的修正系數(shù)為0，相當于沒考慮)，優(yōu)化后IGV溫控基準TTRXGV小于1 200℉(648.9℃)的壓比CPR拐點，要比溫度控制基準TTRX小于1 200℉(648.9℃)的壓比CPR拐點13.603 9提前，將式(1)修改為:

將式(12)用VB軟件程序化，可計算出優(yōu)化后的IGV溫控基準TTRXGV。把文中IGV溫控基準優(yōu)化的壓氣機進氣溫度CTIM的范圍定為40～100℉(4.4～37.8℃)，壓氣機絕熱效率η定為84% ～92%，輸入不同壓比CPR，通過軟件計算優(yōu)化前后的IGV溫控基準TTRXGV，如表6和表7所示。

表6 壓氣機進氣溫度CTIM=40℉，壓氣機效率η為84%和92%優(yōu)化前后下不同壓比CPR下的TTRXGV

表7 壓氣機進氣溫度CTIM=100℉，壓氣機效率η為84%和92%優(yōu)化前后下不同壓比CPR下的TTRXGV

利用OriginPro 7.5三次多項式擬合，將表6和表7中的IGV溫控基準TTRXGV曲線化，可得如圖5所示的IGV溫控基準TTRXGV優(yōu)化前后對比曲線。

圖5 IGV溫控基準TTRXGV優(yōu)化前后對比曲線

由IGV控制基準可知，機組進入IGV溫度控制后，燃氣輪機排氣溫度TTXM≤1 200℉(648.9℃)。由圖5可知:優(yōu)化后，壓氣機進氣溫度CTIM低時燃氣輪機排氣溫度TTXM=1 200℉(648.9℃)的IGV角度區(qū)域變寬;壓氣機進氣溫度CTIM高時燃氣輪機排氣溫度TTXM=1 200℉(648.9℃)的IGV角度區(qū)域變窄。一般情況下，溫控基準TTRX≤1 200℉(648.9℃)時，由壓比CPR偏置溫控基準TTRXP決定，可計算出當壓比CPR＞17.05時，溫控基準TTRX＜1 100℉(593.3℃)。優(yōu)化前，壓氣機進氣溫度CTIM較高和壓氣機絕熱效率較低時，IGV溫度控制階段(IGV接近全開時)容易出現(xiàn)瞬間進入溫度控制的情況;壓氣機進氣溫度CTIM較低和壓氣機絕熱效率達到90%以上時，IGV溫度控制階段出現(xiàn)燃氣輪機排氣溫度TTXM小于1 100℉(593.3℃)報警的壓比CPR區(qū)域較寬。優(yōu)化后，壓氣機進氣溫度CTIM較高和壓氣機絕熱效率較低時，IGV溫控基準TTRXGV較遠離溫控基準TTRX;壓氣機進氣溫度CTIM較低和壓氣機絕熱效率達到90%以上時，IGV溫控基準TTRXGV較靠近溫控基準TTRX，即使壓氣機絕熱效率高至能使燃氣輪機排氣溫度TTXM小于1 100℉(593.3℃)報警，這個區(qū)域比優(yōu)化前也減小很多。

5 結束語

通過VB軟件將Mark VI中的IGV溫控基準TTRXGV的算法程序化，并計算出不同工況下的IGV溫控基準TTRXGV，然后利用OriginPro 7.5三次多項式擬合，將不同工況下的 IGV溫控基準TTRXGV曲線化。最后根據(jù)曲線圖結合IGV溫控基準邏輯，提出了IGV溫控基準TTRXGV的優(yōu)化方法，通過對優(yōu)化前后的IGV溫控基準TTRXGV曲線進行對比，理論上達到了IGV溫控基準TTRXGV優(yōu)化的目的。

［1］ 章噙，任鑫.S109FA聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機溫度控制分析［J］.燃氣輪機技術，2010，(1):36.

［2］ 薛志敏.淺談S109FA機組IGV控制與運行［J］.燃氣輪機發(fā)電技術，2012，(3/4):253-254.

［3］ 薛志敏.S109FA燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組壓氣機改造與性能分析［D］.廣州:華南理工大學，2013.

［4］ 藺文濤.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)在線熱力性能監(jiān)測軟件開發(fā)［D］.北京:華北電力大學，2008.