燃氣輪機防結(jié)冰系統(tǒng)的控制方案優(yōu)化思考

李宗成

摘要：為了解決在一些惡劣的極端天氣當中，燃氣輪機防結(jié)冰系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種問題，本文首先介紹了燃氣輪機的防結(jié)冰系統(tǒng)，以及使用的ACPFM系統(tǒng)的具體工作原理，之后對其系統(tǒng)進行優(yōu)化方案的設(shè)計，使其保障燃氣輪機可以平穩(wěn)的運行下去，不受到燃氣輪機的影響。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機;防結(jié)冰系統(tǒng);自動投入邏輯;燃燒特性

前言：在燃氣輪機的使用過程中，由于存在一些極端的天氣情況，使得現(xiàn)階段的燃氣輪機的防結(jié)冰系統(tǒng)有著一定程度的缺陷，因此需要針對防結(jié)冰系統(tǒng)存在的問題進行控制方案的優(yōu)化處理，使其能夠應對極端天氣，提升燃氣輪機的質(zhì)量性。

1 、燃氣輪機以及ACPFM系統(tǒng)

1.1 ACFM系統(tǒng)

燃氣輪機在運行過程中，依靠著旋轉(zhuǎn)葉輪式進行驅(qū)動，使其空氣能夠經(jīng)過軸流壓氣機壓縮成一種高壓的空氣，之后再與燃燒器以及燃料進行混合，通過燃燒的方式產(chǎn)生高溫和高壓的燃氣，之后產(chǎn)生的燃氣會進行透平膨脹作功，進而可以有效地推動轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)，使其輸出功率[1]。

天然氣燃料易燃，但是一旦同空氣之間不具備良好的配比，就會導致在燃燒過程中的不均衡，使其發(fā)生燃燒振動。而在燃燒器的燃燒位置，經(jīng)過燃燒而產(chǎn)生的熱量會以聲光的模式得以釋放，因此一旦這時外界出現(xiàn)一定程度的變化，就會導致在發(fā)生的聲光當中有著較大的熱量發(fā)出，進而導致壓力出現(xiàn)波動，在這個過程中，一旦燃燒波動超出了設(shè)定的范圍，就會導致燃氣輪機當中的部件由于高溫而發(fā)生損傷[2]。同時火焰筒以及尾筒都在這個高危地帶，一旦由于持續(xù)高溫的出現(xiàn)，就會對這些部件造成嚴重的損傷，甚至會有部件碎片的脫落，使其碎片通過氣流進入到其他部位，造成故障的擴大。

因此為了盡可能地降低燃燒所發(fā)生的振動現(xiàn)象，需要始終讓燃燒器保持最佳的運轉(zhuǎn)。因此三菱公司自主研發(fā)了燃燒振動自動調(diào)整系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)上是由燃燒振動檢測傳感器以及ACPFM共同組成，該系統(tǒng)可以很好地對燃燒器的實時狀態(tài)進行檢測，進而在對檢測出的數(shù)據(jù)自動的分析，達到對燃氣輪機穩(wěn)定性的檢測功能，并對數(shù)據(jù)進行故障預防性的調(diào)整，以此提升燃氣輪機的穩(wěn)定、安全性。燃氣器在使用過程中，主要是通過調(diào)整燃料的流量以及進入空氣的流量，來對燃氣汽輪機當中的燃燒狀態(tài)進行控制，而擴散燃燒以及預混合燃燒的燃料配比上，主要是利用制版燃料控制信號進行有效控制，讓所有進入到燃燒器當中的空氣，都需要通過燃燒器旁的路閥來進行有效控制[3]。

1.2 ACPFM系統(tǒng)工作原理

在燃氣輪機工作的過程中，其內(nèi)部的燃燒室在狹小的空間內(nèi)有著較高的溫度，為此在這個空間內(nèi)，一點小小的壓力波動變化都會導致嚴重影響到燃燒室的正常運轉(zhuǎn)，甚至對燃燒室造成一定程度的破壞，為此需要對壓力波動有著嚴格地把控，同時還需要提升對壓力波動的測量精度。在燃氣輪機中其他數(shù)據(jù)的測量當中，進行了FFT變化之后還需要將其轉(zhuǎn)變成各種不同頻段的壓力波動值，從而實現(xiàn)有效的監(jiān)視。為了實現(xiàn)這一功能，需要在每一個燃燒器上進行壓力波動傳感器的設(shè)置，從而實時把控燃燒室內(nèi)的壓力波動情況。

AFPFM系統(tǒng)當中，還能夠依據(jù)CPFM的波動情況對燃燒室的穩(wěn)定性和安全性造成的影響進行分析，其中分別設(shè)置了預報警、報警以及跳閘限值結(jié)構(gòu)，以此保障ACPFM系統(tǒng)可以針對每一個燃燒器當中的九個全部頻段所產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)進行詳細的分析，并在之后依據(jù)分析出的結(jié)構(gòu)來進行技術(shù)的調(diào)整，以此促進燃氣輪機正常平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)下去。

1.3影響到燃燒振動的因素

在燃氣輪機燃燒過程中，其具有的重要燃燒成分當中，具有的甲烷含量比重多高就會導致產(chǎn)生的熱量越低，并且其甲烷的含量變化，也能直接影響到火焰產(chǎn)生的位置，但是可以利用旁路閥的開度來進行位置的修正。其中，F(xiàn)3燃氣輪機在設(shè)計當中，可以讓甲烷的含量在5%的含量誤差之間。

燃料溫度以及進氣溫度的影響方面，由于控制相同的負荷當中，燃燒的溫度并不確定，為此需要依據(jù)進氣溫度的實際變化來對其進行溫度的修正，以此保障燃燒狀態(tài)當中的溫度不會發(fā)生嚴重的波動。下圖1為燃料溫度和進氣溫度與燃燒振動的關(guān)系。

圖1 燃料溫度（左）和進氣溫度（右）與燃燒振動的關(guān)系

2、 惡劣條件下防結(jié)冰系統(tǒng)引起的CPFM振動原因和優(yōu)化策略

2.1 防結(jié)冰系統(tǒng)

在燃氣輪機當中，其具備的防結(jié)冰系統(tǒng)是為了應對在一些極端的天氣環(huán)境當中，需要通過壓氣機出口被壓縮的高溫空氣送到壓氣機的入口處，這樣便可以有效地提升壓氣機入口的空氣溫度，進而讓壓氣機在入口處的可轉(zhuǎn)導葉能夠順利地進行高功率運行，避免由于低溫的環(huán)境導致可轉(zhuǎn)導葉的停止工作。在燃氣輪機的防結(jié)冰系統(tǒng)安排上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含空氣供給閥、防結(jié)冰空氣平衡閥、防結(jié)冰管路排污閥以及防結(jié)冰空氣溫度調(diào)整閥。

2.2 故障成因

在一些極端天氣當中，由于天氣十分寒冷，同時空氣濕度大，燃氣輪機又處于高負荷的運轉(zhuǎn)當中，使其在H1頻段出現(xiàn)了壓力值的波動，其中ACPFM系統(tǒng)進行了自動的調(diào)整，而是隨著和PLCSO不斷增加，使得向著HH2報警區(qū)域靠近，過了臨界線之后導致防結(jié)冰系統(tǒng)進行自動投入使用，將防結(jié)冰閥啟動，不斷控制燃氣輪機的空氣進入量，也就是提升BYCSO的含量增加。但是由于該過程中，燃控比過度變化不正常，導致H1頻段觸發(fā)了報警系統(tǒng)。

此前由于長時間在H1頻段當中的燃燒器壓力一直處于波動較高的狀態(tài)，進而導致ACPFM的調(diào)節(jié)也過大，之后再將防結(jié)冰閥打開之后。進而進一步減少了進空氣流量，從而導致了燃燒器的壓力波動區(qū)域報警。雖然系統(tǒng)當中進行了緊急回調(diào)處理，但是依然無法對HH2頻段的壓力進行波動的控制，因此最終發(fā)生了保護動作。

2.3 防結(jié)冰系統(tǒng)控制方面優(yōu)化策略

2.3.1 低頻振動

在低頻振動的模式下，有著易熄火的危害，但是不會對燃燒器造成嚴重損傷，但是能夠引發(fā)透平4級凍液以及平齊通道內(nèi)產(chǎn)生一定程度的振動。因此需要對其進行優(yōu)化處理，采用的方法是通過提升火焰位置的燃控比，從而提升PILOT的含量，同時在開旁路閥出降低內(nèi)筒的空氣量。