PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化研究及應(yīng)用

洪亞光， 殷春宏, 陳思同

(1. 江蘇華電吳江熱電有限公司，江蘇蘇州 215221; 2. 南京龍?jiān)喘h(huán)保有限公司，南京 210012)

某電廠配備2臺(tái)180 MW的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱燃機(jī))為美國(guó)通用(GE)公司的PG9171E機(jī)型。機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，多次發(fā)生由于排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)故障引起的燃機(jī)降負(fù)荷異常，這些異常表明PG9171E燃機(jī)重要輔機(jī)設(shè)備排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)的非冗余設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性提出了一定的挑戰(zhàn)。

基于透平通道與相關(guān)部件的冷卻，燃機(jī)配備了2臺(tái)50%容量的排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)。在燃機(jī)正常運(yùn)行中，其提供足量冷卻風(fēng)以防止透平缸外層與排氣框架超溫蠕變。2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，一旦風(fēng)機(jī)由于故障引起冷卻風(fēng)量減少或者風(fēng)機(jī)停運(yùn)，則排氣框架與透平缸就會(huì)因?yàn)槔鋮s風(fēng)量驟減而局部超溫過(guò)熱，直接影響相關(guān)材料的運(yùn)行壽命[1]。因此，排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)穩(wěn)定與否直接決定著機(jī)組運(yùn)行的安全性。筆者對(duì)設(shè)備原設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行深入分析，掌握相關(guān)設(shè)備構(gòu)成與運(yùn)行控制原理，進(jìn)行合理化設(shè)備改造以期消除該重大設(shè)備隱患。

1 系統(tǒng)概況

1.1 GE公司設(shè)計(jì)思路

PG9171E燃機(jī)配備2臺(tái)排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)容量相等，均為50%需求冷卻風(fēng)量。每臺(tái)風(fēng)機(jī)出口依次安裝壓力開關(guān)與防竄風(fēng)逆止閥。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，2臺(tái)風(fēng)機(jī)根據(jù)邏輯設(shè)置依次啟動(dòng)，當(dāng)出口風(fēng)壓滿足壓力開關(guān)63TK邏輯判斷，壓力開關(guān)動(dòng)作，邏輯判定風(fēng)機(jī)啟動(dòng)成功運(yùn)行正常，燃機(jī)進(jìn)入升負(fù)荷過(guò)程[2]。

關(guān)于排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)故障保護(hù)在燃機(jī)控制系統(tǒng)(Mark Ⅵe)的控制邏輯進(jìn)行了設(shè)定，為燃機(jī)重要輔機(jī)故障保護(hù)。邏輯表述如下：當(dāng)1臺(tái)運(yùn)行風(fēng)機(jī)由于故障引起相應(yīng)出口風(fēng)壓與風(fēng)量降低，直至出口壓力低于壓力開關(guān)63TK邏輯判斷值(3.73 kPa)時(shí)，邏輯判斷風(fēng)機(jī)故障，同時(shí)操作畫面顯示報(bào)警，此時(shí)需要運(yùn)行監(jiān)盤人員手動(dòng)降負(fù)荷以保證燃機(jī)排氣溫度低于490 ℃，同時(shí)觀察燃機(jī)其他重要運(yùn)行數(shù)據(jù)是否異常。假設(shè)2臺(tái)風(fēng)機(jī)相應(yīng)壓力開關(guān)63TK-1與63TK-2同時(shí)動(dòng)作，即2臺(tái)風(fēng)機(jī)均處于故障狀態(tài)，為確保燃機(jī)設(shè)備的安全，機(jī)組自動(dòng)降負(fù)荷以完成停機(jī)過(guò)程。

1.2 存在的問(wèn)題

對(duì)于設(shè)備安全而言，正常運(yùn)行時(shí)，燃機(jī)透平缸與排氣框架等相關(guān)部件處于高溫區(qū)域，一旦冷卻風(fēng)量由于風(fēng)機(jī)故障驟減甚至消失，局部過(guò)熱的透平缸與排氣框架將會(huì)出現(xiàn)熱變形，引起動(dòng)靜碰摩、振動(dòng)加劇等異常，繼而引發(fā)燃機(jī)葉片出現(xiàn)不可逆損傷形成重大設(shè)備事故。對(duì)于輔機(jī)設(shè)計(jì)而言，GE公司關(guān)于燃機(jī)其他通風(fēng)冷卻風(fēng)機(jī)均采用一用一備策略，同時(shí)在9F機(jī)型操作維護(hù)手冊(cè)中，就排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)亦是要求冗余配置[3]。經(jīng)調(diào)研同類型機(jī)組的燃機(jī)電廠后發(fā)現(xiàn)，針對(duì)該項(xiàng)設(shè)計(jì)缺陷，電廠大多制定排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)故障的緊急應(yīng)對(duì)措施以降低風(fēng)機(jī)故障引發(fā)損失，但并未真正消除該重大設(shè)備隱患，機(jī)組仍處于帶病運(yùn)行狀態(tài)。

2 技術(shù)改造

排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)本質(zhì)上的問(wèn)題是冷卻風(fēng)總?cè)萘坎蛔?。通過(guò)增加1臺(tái)50%容量的風(fēng)機(jī)以提高冷卻風(fēng)量。查閱資料發(fā)現(xiàn)，燃機(jī)原配風(fēng)機(jī)為美國(guó)Illinois Blower公司制造，價(jià)格高昂且無(wú)議價(jià)空間，基礎(chǔ)資料欠缺，不利于新增風(fēng)機(jī)選型。同時(shí)，新增風(fēng)機(jī)涉及風(fēng)機(jī)風(fēng)道流動(dòng)改變，由此將會(huì)引起紊流與跑風(fēng)等現(xiàn)象，而Mark Ⅵe存在不少技術(shù)難點(diǎn)。2臺(tái)風(fēng)機(jī)控制邏輯與3臺(tái)風(fēng)機(jī)控制邏輯并非簡(jiǎn)單的疊加，其涉及風(fēng)機(jī)啟?？刂啤⒐收线壿嬊袚Q與參數(shù)修改等技術(shù)相關(guān)的多學(xué)科交叉，需要各專業(yè)人員進(jìn)行深入研究與討論。

2.1 設(shè)備選型

新增風(fēng)機(jī)優(yōu)先考慮國(guó)產(chǎn)設(shè)備，在查閱原廠風(fēng)機(jī)資料時(shí)，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)廠家說(shuō)明書與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際嚴(yán)重不符，風(fēng)機(jī)參數(shù)缺失。而進(jìn)口風(fēng)機(jī)采購(gòu)存在交貨期長(zhǎng)、技術(shù)資料保密、價(jià)格昂貴等諸多弊端。現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)性能測(cè)試表明該型號(hào)風(fēng)機(jī)參數(shù)均屬于常規(guī)區(qū)間，并無(wú)特殊要求，調(diào)研后，最終決定采用國(guó)產(chǎn)GTVF型風(fēng)機(jī)，其主要參數(shù)與原進(jìn)口風(fēng)機(jī)對(duì)比見表1，新增88TK-3風(fēng)機(jī)額定體積流量為4 300～10 672 m3/h，風(fēng)壓為10 189～14 704 Pa，與原進(jìn)口風(fēng)機(jī)基本相同。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)比

2.2 流場(chǎng)分析

根據(jù)性能試驗(yàn)結(jié)果與風(fēng)機(jī)參數(shù)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)尋找合理的風(fēng)機(jī)與管道布置點(diǎn)，減少風(fēng)道壓損，避免風(fēng)路死點(diǎn)。圖1為4種工況的靜壓分布，計(jì)算結(jié)果顯示1號(hào)、2號(hào)風(fēng)機(jī)出口單根支管中比壓降為32 Pa/m，3號(hào)風(fēng)機(jī)出口單根支管流動(dòng)比壓降為23 Pa/m；1號(hào)、2號(hào)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)混合管道比壓降為125 Pa/m；1號(hào)、3號(hào)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)混合管道比壓降為107 Pa/m；3臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)比壓降為254 Pa/m。過(guò)高的空氣流速是管道壓降升高的直接原因；同時(shí)，在混合接頭處的局部阻力損失也較大，4種工況分別為1 240 Pa、1 208 Pa、1 129 Pa、3 700 Pa?；旌咸幍木植孔枇h(yuǎn)大于常規(guī)三通的局部阻力(20～100 Pa)，因此需要對(duì)管徑進(jìn)行調(diào)整，新風(fēng)機(jī)接入應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)口以改善流動(dòng)特性。

圖1 風(fēng)機(jī)出口壓力分布

2.3 現(xiàn)場(chǎng)改造

根據(jù)分析結(jié)果確認(rèn)新裝風(fēng)機(jī)管道接口位置，確定電機(jī)標(biāo)高、順風(fēng)路流向，依次加裝風(fēng)機(jī)電機(jī)、離心風(fēng)機(jī)(88TK-3)、出口壓力開關(guān)(63TK-3)、出口逆止閥(VCK7-3)與風(fēng)機(jī)母管連接管道?，F(xiàn)排氣框架冷卻系統(tǒng)見圖2，所有焊接采用氬弧焊，避免焊渣進(jìn)入燃機(jī)透平內(nèi)部造成葉片擊傷等損害。

圖2 優(yōu)化后框架冷卻系統(tǒng)圖

在綜合現(xiàn)場(chǎng)空間與機(jī)組大修需求后，新增風(fēng)機(jī)88TK-3平行布置于原排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)小室外側(cè)。同時(shí)，新增風(fēng)機(jī)模塊小室與獨(dú)立防雨隔音罩以降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲。原裝風(fēng)機(jī)88TK-1、88TK-2進(jìn)口存在調(diào)節(jié)擋板，考慮節(jié)流損失，新裝88TK-3取消進(jìn)口擋板，加裝進(jìn)口濾網(wǎng)。

2.4 控制邏輯修改

為了提高機(jī)組運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上給每臺(tái)燃機(jī)增設(shè)1臺(tái)TK風(fēng)機(jī)(88TK-3)，3臺(tái)風(fēng)機(jī)聯(lián)合控制邏輯設(shè)計(jì)基于下述4點(diǎn)：

(1) 機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行人員自行選擇1臺(tái)風(fēng)機(jī)作為備用，其余2臺(tái)為待運(yùn)行風(fēng)機(jī)。為提高風(fēng)機(jī)使用的均衡性以合理安排檢修計(jì)劃，運(yùn)行人員需輪流設(shè)置備用風(fēng)機(jī)，以免出現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間嚴(yán)重不均的現(xiàn)象。

(2) 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，如果任意1臺(tái)風(fēng)機(jī)出風(fēng)壓力在5 s內(nèi)未達(dá)到設(shè)定值3.73 kPa，則發(fā)出風(fēng)機(jī)故障報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)。

(3) 機(jī)組運(yùn)行中，當(dāng)1臺(tái)風(fēng)機(jī)出風(fēng)壓力低于設(shè)定值3.73 kPa，壓力開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出故障報(bào)警，故障風(fēng)機(jī)停運(yùn)，同時(shí)啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)。

(4) 當(dāng)3臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)故障時(shí)，延遲5 s后，燃機(jī)進(jìn)入自動(dòng)降負(fù)荷過(guò)程。

熱控人員完成具體組態(tài)配置與運(yùn)行操作界面修改，圖3為修改后界面顯示。

圖3 修改后界面

3 優(yōu)化試驗(yàn)分析

現(xiàn)場(chǎng)安裝工作完成后，進(jìn)行新增風(fēng)機(jī)單機(jī)性能試驗(yàn)，振動(dòng)、軸承溫度、風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)無(wú)異常后風(fēng)機(jī)在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中完成聯(lián)合試運(yùn)行試驗(yàn)，以考察風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)與切換實(shí)際情況。為防止異常引起機(jī)組停運(yùn)，在機(jī)組停機(jī)前進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)人員手動(dòng)任意關(guān)閉在運(yùn)風(fēng)機(jī)中的一臺(tái)，觀察備用風(fēng)機(jī)是否正常聯(lián)鎖啟動(dòng)，記錄聯(lián)鎖啟動(dòng)前后燃機(jī)排氣溫度與輪間溫度，記錄3號(hào)軸承室環(huán)境溫度。如備用風(fēng)機(jī)無(wú)法聯(lián)鎖啟動(dòng)，機(jī)組自動(dòng)進(jìn)入停機(jī)程序，查明原因后重新試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)禁投IGV(進(jìn)氣導(dǎo)葉)溫控。

風(fēng)機(jī)試驗(yàn)工況見表2。

表2 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)工況

試驗(yàn)結(jié)果表明，上述6種工況所測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律大體相同?，F(xiàn)以88TK-1、88TK-2為在運(yùn)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，88TK-1、88TK-3為聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，即工況1為例，工況1運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3和表4。試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析發(fā)現(xiàn)，備用風(fēng)機(jī)能夠成功完成聯(lián)鎖啟動(dòng)，燃機(jī)重要運(yùn)行參數(shù)無(wú)明顯變化趨勢(shì)，整個(gè)聯(lián)鎖過(guò)程，燃機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到優(yōu)化改造目的。

表3 在運(yùn)風(fēng)機(jī)(88TK-1和88TK-2)數(shù)據(jù) ℃

表4 聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)(88TK-1和88TK-3)數(shù)據(jù) ℃

4 效益分析

此次排氣框架冷卻系統(tǒng)優(yōu)化在安全方面，通過(guò)增設(shè)冗余風(fēng)機(jī)，能夠有效避免由于風(fēng)機(jī)故障造成的機(jī)組非正常停機(jī)，消除了機(jī)組原帶重大設(shè)備隱患，確保機(jī)組的安全與穩(wěn)定運(yùn)行；在經(jīng)濟(jì)效益方面，直接避免了由于非正常停機(jī)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

假設(shè)在運(yùn)機(jī)組由于88TK故障被迫停運(yùn)而備用機(jī)組并網(wǎng)所需時(shí)間約為8 h，即為故障搶修期。單次非正常停機(jī)造成損失見表5，主要包括：上網(wǎng)電量損失、供熱損失、電網(wǎng)考核、用熱企業(yè)停產(chǎn)索賠，其中，用熱企業(yè)由于熱源中斷造成的停產(chǎn)索賠數(shù)額巨大，難以估計(jì)。

表5 經(jīng)濟(jì)效益分析

從表5可以看出：由于88TK故障引起機(jī)組非正常停機(jī)單次損失高達(dá)115萬(wàn)元，除此之外，面臨的用熱企業(yè)停產(chǎn)索賠電廠將無(wú)力承擔(dān)，而此次優(yōu)化改造共計(jì)花費(fèi)20萬(wàn)元。

同時(shí)，GE公司Mark Ⅵe控制系統(tǒng)邏輯修改報(bào)價(jià)80萬(wàn)元，通過(guò)自行修改直接節(jié)約投入，邏輯修改技術(shù)在廣泛市場(chǎng)空間下極具經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

GE公司原排氣框架冷卻風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)了極大的安全隱患。在進(jìn)行可行性分析后提出增加1臺(tái)50%容量風(fēng)機(jī)優(yōu)化運(yùn)行方案，通過(guò)CFD流場(chǎng)模擬確定新增風(fēng)機(jī)合理安置位置，針對(duì)3臺(tái)風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，自行完善GE公司原有設(shè)計(jì)邏輯，確保風(fēng)機(jī)間切換順暢，機(jī)組運(yùn)行安全可靠。

新增風(fēng)機(jī)的聯(lián)合試運(yùn)行結(jié)果表明：冗余備用風(fēng)機(jī)能夠在運(yùn)行風(fēng)機(jī)故障情況下實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖啟動(dòng)，聯(lián)鎖切換前后，燃機(jī)重要運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)無(wú)明顯改變，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)此次改造優(yōu)化，排氣框架冷卻系統(tǒng)仍能在風(fēng)機(jī)故障情況下維持正常運(yùn)行，排除了原先機(jī)組輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在的安全隱患，大大提高機(jī)組運(yùn)行安全性與可靠性。