某聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷試驗轉(zhuǎn)速飛升過高原因分析

丁智華，丁陽俊，顧正皓

（1.杭州華電下沙熱電有限公司，杭州　310018；2．國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0　引言

甩負荷試驗是考核機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性最直接、最常用的方法，其主要目的是檢驗機組控制系統(tǒng)在甩負荷瞬間對機組轉(zhuǎn)速的控制能力。目前國內(nèi)有專門的汽輪發(fā)電機組甩負荷試驗導則，但是關(guān)于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷試驗的說明只作為汽輪機組甩負荷導則的附錄出現(xiàn)，并且除了明確指出測功法甩負荷試驗不適用于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組外，對最高飛升轉(zhuǎn)速等具體參數(shù)沒有作詳細說明[1]。近年來，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組因其熱效率高、啟停方便、便于調(diào)峰、污染排放少等優(yōu)點，而被“西氣東輸”工程的下游地區(qū)廣泛采用[2-4]。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷試驗也被廣泛關(guān)注。

通常影響汽輪機組甩負荷時轉(zhuǎn)速飛升的因素有以下幾點[5]：

（1）甩負荷信號判斷準確與否。

（2）控制系統(tǒng)的響應速度。

（3）各調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉時間。

（4）機組的轉(zhuǎn)動慣量。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷時轉(zhuǎn)速飛升影響因素基本可以參考以上幾點，但是聯(lián)合循環(huán)機組計算轉(zhuǎn)動慣量時需要考慮壓氣機耗功、燃機做功等因素的影響，單軸布置的聯(lián)合循環(huán)機組，還需考慮汽輪機的耗功。某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩50%額定負荷試驗時瞬時最高轉(zhuǎn)速達到3 166 r/min，以該次試驗為例對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷過程中需要考慮的因素進行探討。

1　機組簡介

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為GE（美國通用電氣公司）生產(chǎn)的STAG 109FA單軸聯(lián)合循環(huán)機組，機組容量390 MW，由PG9351FA型燃氣輪機、D10型三壓有再熱系統(tǒng)的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發(fā)電機、和三壓有再熱但帶冷凝器除氧的自然循環(huán)余熱鍋爐組成。GT（燃氣輪機）、ST（蒸汽輪機）和GEN（發(fā)電機）剛性串聯(lián)在1根長軸上，燃氣輪機進氣端輸出功率，軸配置形式為：GT—ST—GEN，轉(zhuǎn)速3 000 r/min。控制系統(tǒng)原為GE公司的MARK-VI，后升級為MARK VIE，聯(lián)合循環(huán)機組的主要控制功能由燃機的氣體燃料系統(tǒng)及汽輪機進汽閥控制組成。功率輸出及轉(zhuǎn)速控制由燃料模塊的GCV2/3/4（氣體控制閥）及SRV（速比閥）進行控制，汽輪機的進汽控制由1組MSV（高壓主汽閥）和MCV（高壓調(diào)閥），2組RSV1/2（中壓主汽閥）和RIV1/2（中壓調(diào)閥），1個ASV（低壓進汽門），1個ACV（低壓調(diào)節(jié)閥），以及高、中、低壓旁路閥完成控制、保護和調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)如圖1所示[6-7]。

圖1　汽輪機進汽示意

2　甩負荷試驗過程

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組控制系統(tǒng)升級改造后進行甩50%額定負荷試驗，試驗過程如下：試驗時當?shù)卮髿鉁囟葹?℃，試驗前壓氣機排氣壓力0.88 MPa，主汽壓力6.77 MPa，再熱蒸汽壓力1.48 MPa。甩負荷倒計時到“0”時，拉開發(fā)電機出口斷路器，與電網(wǎng)脫開，以此為計時零點，40 ms時轉(zhuǎn)速開始飛升，6.36 s達到瞬時最高轉(zhuǎn)速3 166 r/min，92.96 s轉(zhuǎn)速開始穩(wěn)定在3 009 r/min；80 ms時GCV2從26.6%開度打開，400 ms到最大開度70.8%，3.12 s穩(wěn)定在43.7%開度；80 ms時GCV3從35.1%開度關(guān)閉；320 ms全關(guān)；80 ms時GCV4從31.1%開度打開，280 ms到最大開度50.0%，3.14 s穩(wěn)定在26.8%開度；720 ms時IGV（進口導葉）開始從45.7%開度快關(guān)，1.32 s關(guān)到43.4%；160 ms時MCV開始關(guān)閉，2.56 s全關(guān)；200 ms時RCV1/RCV2開始快關(guān)，440 ms全關(guān)；160 ms時ACV開始關(guān)閉，2.8 s全關(guān)；過程曲線如圖2和3所示，試驗所用高速數(shù)據(jù)采集儀采樣頻率為每秒1 000次。

圖2　燃氣輪機甩50%負荷試驗趨勢

圖3　汽輪機甩50%負荷試驗趨勢

此次甩50%負荷試驗瞬時最高轉(zhuǎn)速為3 166 r/min，雖然燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷說明中，沒有關(guān)于甩50%負荷時瞬時最高轉(zhuǎn)速超過多少后不能進行下級試驗，但是參考汽輪機組甩負荷試驗導則，甩50%負荷時瞬時最高轉(zhuǎn)速超過105%額定轉(zhuǎn)速，需要中斷試驗，查明原因[1]。同時該機組甩50%負荷時的瞬時最高轉(zhuǎn)速與同類型機組試驗數(shù)據(jù)相比確實偏高，如表1所示。

表1　同類型機組甩50%負荷試驗數(shù)據(jù)

3　試驗結(jié)果分析

結(jié)合試驗過程和現(xiàn)場情況，此次甩50%負荷試驗甩負荷信號判斷準確，并網(wǎng)信號消失后，控制系統(tǒng)也能及時響應，但是由圖2和圖3可知，甩負荷試驗中汽輪機MCV與ACV沒有快關(guān)。根據(jù)廠家提供的熱平衡圖，在50%和100%額定負荷時，通過ASV與ACV的蒸汽流量分別只占主蒸汽流量的10.8%和15.9%，蒸汽量很有限，對轉(zhuǎn)速的影響比較小，故這里重點討論由于MCV沒有快關(guān)對甩負荷試驗瞬時最高轉(zhuǎn)速的影響[8]。

查看該機組的甩負荷邏輯，當發(fā)生甩負荷工況時，MCV的控制方式為調(diào)節(jié)關(guān)，按照GE維護手冊 GEK99000B（Combined Stop and Control Valve）中相關(guān)說明，MCV調(diào)節(jié)關(guān)的時長小于3 s，因此MCV的關(guān)閉速度符合正常預期。根據(jù)《汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗導則》中的方法，采用公式（1）和帶蒸汽閥門關(guān)閉時間來估算因為MCV調(diào)節(jié)關(guān)對轉(zhuǎn)速的影響[9]。

式中：Δn為瞬時最高轉(zhuǎn)速飛升；n0為額定工作轉(zhuǎn)速；Ta為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；ψ為甩負荷相對值；tH1和tH2為高壓調(diào)閥關(guān)閉延遲和關(guān)閉時間；αH為高壓缸功率比例系數(shù)。

由熱平衡圖可知在50%負荷時汽輪機占聯(lián)合循環(huán)機組負荷比例為46.9%，其中高壓缸占汽機負荷比例為18%，按照MCV快關(guān)和調(diào)節(jié)關(guān)對飛升轉(zhuǎn)速的影響計算結(jié)果如表2所示。

表2　MCV關(guān)閉方式對飛升轉(zhuǎn)速影響

由表1可知，甩50%額定負荷時最高轉(zhuǎn)速MCV調(diào)節(jié)關(guān)比快關(guān)會增加20 r/min。如果在邏輯中將甩負荷時MCV的控制方式由調(diào)節(jié)關(guān)改為快關(guān)方式，甩50%額定負荷試驗轉(zhuǎn)速理論上可以下降20 r/min左右，約為3 146 r/min。

本次沒有進行甩100%額定負荷試驗，按照《汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗導則》中靜態(tài)預測公式估算甩100%額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速，如式（2）所示[9]。

式中：Tv為蒸汽容積時間常數(shù)；tI1，tL1和 tI2，tL2分別為中壓、低壓調(diào)閥關(guān)閉延遲和關(guān)閉時間；αI，αL分別為中、低壓缸功率比例系數(shù)。

通過式（2）可以理論估算出該機組在甩100%額定負荷時瞬時最高轉(zhuǎn)速為3 252 r/min，但實際由于單軸布置的燃氣輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量計算要考慮壓氣機耗功、汽輪機耗功、燃機做功因素的影響[10]，而壓氣機耗功是與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系的，所以甩100%負荷時燃氣輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量會更大，而且在100%額定負荷時汽輪機占聯(lián)合循環(huán)機組負荷比例為35.5%，比50%額定負荷時要小。故甩100%負荷實際轉(zhuǎn)速一般比按照《汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗導則》中甩50%負荷試驗數(shù)據(jù)推算出的甩100%負荷轉(zhuǎn)速低。由此可以推測該機組即使在冬季甩100%額定負荷，MCV仍是關(guān)閉的情況下，瞬時最高轉(zhuǎn)速也不會超過3 300 r/min。

另外，由表1中JB發(fā)電廠1號、2號機和CX發(fā)電廠1號、2號機試驗數(shù)據(jù)可以觀察到，同樣的機組在夏季甩負荷瞬時最高轉(zhuǎn)速比在冬季甩負荷低，這是因為夏季大氣溫度高，空氣密度小，空氣比容大，不易被壓縮，在甩負荷瞬時壓縮機耗功比冬季多[11-13]。該機組2006年調(diào)試期間在夏季（當天大氣溫度23℃）甩50%額定負荷瞬時最高轉(zhuǎn)速為3 147 r/min，同一天甩100%額定負荷轉(zhuǎn)速為3 192 r/min。故該機組如果要進行下一級甩100%額定負荷，為了使試驗過程更加安全可控，可以安排在夏季進行試驗，以確保瞬時最高轉(zhuǎn)速不超過3 300 r/min，不觸發(fā)超速保護動作。

4　結(jié)語

高壓調(diào)閥沒有快關(guān)，是造成機組甩50%額定負荷試驗時轉(zhuǎn)速飛升過高的直接原因。但是通過這次試驗可以發(fā)現(xiàn)，只要閥門調(diào)節(jié)關(guān)的時間符合GE標準，單軸布置燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在甩負荷試驗時即使高壓調(diào)閥沒有快關(guān)，轉(zhuǎn)子飛升轉(zhuǎn)速也很難超過3 300 r/min。另外，燃氣輪機轉(zhuǎn)子尤其是單軸布置聯(lián)合循環(huán)機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算存在很多困難，需要考慮壓氣機耗功、燃機做功、汽輪機耗功，甚至還受試驗時的大氣溫度的影響，因此實際計算時一定要考慮全面，防止疏漏。