M701F4燃機(jī)TCA控制介紹及冷卻水流量低分析

浙能常山天然氣發(fā)電有限公司 陳攀峰 余 亮 趙光鋒

常山燃機(jī)電廠由一臺(tái)M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)NG-M701F4-R型余熱鍋爐、一臺(tái)TC2F-35.4型蒸汽輪機(jī)和一臺(tái)QFR-480-2-21.5型發(fā)電機(jī)組成，額定容量458MW，是目前國(guó)內(nèi)單軸燃機(jī)容量較大的發(fā)電設(shè)備，綠色環(huán)保，自動(dòng)化程度高，具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力。

隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)日新月異，燃?xì)鉁囟群托什粩嗟靥岣撸紮C(jī)透平初溫的提高受到材料等因素的制約，因此對(duì)燃機(jī)內(nèi)部高溫部件的冷卻就尤為重要[1]。三菱M701F4對(duì)燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，從壓氣機(jī)出口抽出部分空氣，透平冷卻空氣（TCA）冷卻器利用冷卻水流量控制閥以降低空氣出口溫度。然后用該部分已被冷卻的空氣經(jīng)過過濾，通過4根進(jìn)氣管傳送到環(huán)壓氣機(jī)內(nèi)擴(kuò)壓段與中間密封體間的環(huán)形通道，一部分冷卻空氣被扭力管密封系統(tǒng)利用，以隔離壓氣機(jī)和透平段的環(huán)境，其余的冷卻空氣通過噴嘴送到透平轉(zhuǎn)子，用于冷卻旋轉(zhuǎn)葉片的根部、盤齒和轉(zhuǎn)子周圍的區(qū)域。冷卻器能使冷卻空氣維持在符合運(yùn)行要求的溫度范圍內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度大于295℃，燃機(jī)觸發(fā)溫度高，報(bào)警并延時(shí)300s后以正常速率20MW/分鐘自動(dòng)減負(fù)荷到50%。減負(fù)荷后轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度還高則動(dòng)作停機(jī)。

1 TCA系統(tǒng)控制及保護(hù)設(shè)定

燃機(jī)透平冷卻空氣（TCA）冷卻器利用兩個(gè)冷卻水流量控制閥以降低空氣出口溫度。使冷卻空氣維持在230℃。TCA冷卻水流量控制閥根據(jù)燃機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行控制操作。如圖1所示，冷卻水來自高壓給水泵，通過并聯(lián)的TCA冷卻器水側(cè)關(guān)斷閥A和關(guān)斷閥B，經(jīng)過（TCA）冷卻器后流向凝汽器（路線一）和高壓汽包（路線二）。路線一冷卻水流量控制閥（FCV-1）用于機(jī)組啟動(dòng)過程和燃機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行以及緊急狀況下。線路二冷卻水流量控制閥（FCV-2）用于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下。

圖1 TCA冷卻水流程圖

TCA冷卻器冷卻水系統(tǒng)和透平冷卻空氣供給溫度的要求滿足以下條件，在燃機(jī)啟動(dòng)期間TCA冷卻空氣出口溫度（透平冷卻空氣入口溫度）應(yīng)小于100℃。從燃機(jī)點(diǎn)火到全速空載這個(gè)階段，TCA冷卻器的入口水溫應(yīng)＜60℃。在燃機(jī)全速空載后，TCA冷卻空氣出口溫度應(yīng)根據(jù)燃機(jī)需求不斷調(diào)整。避免空氣溫度小于露點(diǎn)溫度（90℃）產(chǎn)生結(jié)露。TCA給水流量變化、TCA入口空氣流量和溫度需要根據(jù)燃機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整（燃機(jī)負(fù)荷，周圍環(huán)境溫度）。TCA冷卻器給水流量的控制是為了保證TCA冷卻器出口空氣溫度在規(guī)定曲線值以下。

給水溫度TCA冷卻水流量大于最小給水流量設(shè)定值。路線一給水流量控制閥（即凝汽器側(cè)流量控制閥設(shè)定），流量控制閥（凝汽器側(cè)）最小流量根據(jù)給水溫度設(shè)定如圖2所示。

圖2 凝汽器側(cè)流量控制閥設(shè)定

路線二鍋爐側(cè)流量控制根據(jù)燃機(jī)負(fù)荷設(shè)定如圖3所示，燃機(jī)TCA冷卻水從啟動(dòng)期間運(yùn)行（線路一）切換到高壓汽包（線路二）需滿足燃機(jī)負(fù)荷大于90MW，在燃機(jī)負(fù)荷120MW時(shí)切換完成。

圖3 鍋爐側(cè)流量控制閥設(shè)定

TCA冷卻器給水流量控制閥是通過燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)控制，并與壓氣機(jī)入口空氣溫度所對(duì)應(yīng)的燃機(jī)負(fù)荷和TCA冷卻水流量相一致。給水流量的控制目標(biāo)是冷卻空氣溫度，避免TCA冷卻器給水管路中的冷卻水出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。在低負(fù)荷時(shí)進(jìn)入TCA設(shè)定流量為88.6T/H，再根據(jù)燃機(jī)負(fù)荷修正。各運(yùn)行負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的最小給水流量設(shè)定如圖4所示。

圖4 負(fù)荷運(yùn)行期間給水最小流量設(shè)定

當(dāng)出現(xiàn)不正常情況（TCA冷卻器進(jìn)水流量低），TCA冷卻器進(jìn)水流量低且滿足流量低有效時(shí)間為2s，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側(cè)）快開，開度設(shè)定24%。

當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)甩負(fù)荷、跳閘、孤島運(yùn)行等異常情況時(shí)，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側(cè)）控制設(shè)定如下。A甩負(fù)荷、B孤島運(yùn)行、C燃機(jī)跳閘、D燃機(jī)負(fù)荷大于78MW時(shí)，邏輯信號(hào)33KTCAFWMIN置1；A、B、C三者“或”以后和D進(jìn)行“與”邏輯計(jì)算，進(jìn)行的邏輯運(yùn)行結(jié)果為1時(shí)，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側(cè)）快開，開度設(shè)置25%[2]。

高負(fù)荷時(shí)，TCA出口空氣溫度反饋控制，鍋爐側(cè)給水流量控制閥通過TCA冷卻器出口空氣溫度控制（此時(shí)TCA冷卻器出口溫度值設(shè)定230℃），TCA流量控制閥使用TCA給水流量設(shè)定和流量控制閥兩端差壓來進(jìn)行控制。鍋爐側(cè)流量控制閥特性曲線（CV和閥門開度）如圖6所示。

圖6 鍋爐側(cè)流量控制閥特性曲線（CV和閥門開度）

圖5 給水密度修訂

TCA設(shè)定的聯(lián)鎖及保護(hù)：一是TCA冷卻器水側(cè)關(guān)斷閥B，滿足TCA啟動(dòng)條件后自動(dòng)開啟。二是TCA冷卻器水側(cè)關(guān)斷閥A，滿足TCA啟動(dòng)條件且滿足給水壓力大于10MPa后自動(dòng)開啟。三是TCA冷卻器出口給水溫度高并發(fā)報(bào)警，如圖7所示。四是給水流量低的報(bào)警設(shè)定，報(bào)警前提條件，滿速空載后300s，TCA給水流量低設(shè)定如下，有效時(shí)間TCA給水流量低10s后報(bào)警發(fā)出，如圖8所示。五是TCA給水流量低跳閘，跳閘前提條件，滿速空載后300s或者帶負(fù)荷運(yùn)行，流量跳閘設(shè)定曲線如下，時(shí)間設(shè)定TCA給水流量低10s后動(dòng)作，如圖9所示。六是TCA冷卻空氣溫度高于295℃，發(fā)報(bào)警并延時(shí)300s，燃機(jī)RUNBACK（以正常速率20MW/分鐘自動(dòng)減負(fù)荷到50%）。七是當(dāng)出現(xiàn)TCA冷卻器內(nèi)管路泄漏，TCA冷卻器殼體側(cè)安裝有4個(gè)液位開關(guān)。其中一個(gè)是液位高于（定值為550mm）觸發(fā)報(bào)警，另外三只液位高于（定值為725mm）用于燃機(jī)遮斷保護(hù)（三取二）。當(dāng)液位高報(bào)警信號(hào)觸發(fā)時(shí)，TCA冷卻器疏水閥A開啟，燃機(jī)仍可繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)TCA冷卻器管路破裂或泄漏，水位繼續(xù)上升，達(dá)到高高液位時(shí)，燃機(jī)遮斷保護(hù)動(dòng)作。聯(lián)鎖關(guān)閉TCA冷卻器給水關(guān)斷閥，關(guān)閉TCA冷卻器流量控制閥（凝汽器側(cè)）關(guān)閉；TCA冷卻器流量控制閥（鍋爐側(cè)）關(guān)閉，打開TCA冷卻器疏水閥B。八是當(dāng)出現(xiàn)凝結(jié)水泵全停、循環(huán)水泵全停、凝汽器真空低（＞-56kPa）之一的情況發(fā)生時(shí)，燃機(jī)遮斷。TCA冷卻器系統(tǒng)中冷卻水流量控制閥（鍋爐側(cè)）不能正常使用，TCA最小冷卻水量不能保障。九是兩臺(tái)高、中壓給水泵均出現(xiàn)跳閘時(shí)，不能保持TCA最小冷卻水量，燃機(jī)遮斷。在這種情況下，TCA冷卻器如果繼續(xù)運(yùn)行將導(dǎo)致管內(nèi)產(chǎn)生蒸汽。

圖7 TCA冷卻器出口給水溫度高

圖8 TCA給水流量低

圖9 TCA流量低跳閘設(shè)定曲線

2 TCA流量低故障分析

現(xiàn) 象：1月9日，#1機(jī) 停 機(jī) 過 程，#1機(jī) 負(fù) 荷175MW，（燃機(jī)負(fù)荷143MW）TCA回凝汽器側(cè)流量調(diào)閥快速打開至24%，TCA回爐側(cè)流量調(diào)閥全開。停機(jī)過程中高壓主汽旁路此時(shí)打開，引起高壓汽包液位虛假上升，高壓汽包主給水調(diào)閥關(guān)小至5%，導(dǎo)致TCA流量降低。TCA回爐側(cè)流量調(diào)閥全開，（實(shí)際無流量通過）TCA回凝汽器側(cè)流量調(diào)閥快速打開至24%，TCA流量快速增大。TCA流量計(jì)1、2、3均達(dá)到120T/H以上，發(fā)流量超限報(bào)警。

分析：TCA冷卻器進(jìn)水流量低且滿足流量低有效時(shí)間2s，流量控制閥（凝汽器側(cè)）快開控制設(shè)定24%開度輸出，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側(cè)）快開至24%，穩(wěn)定TCA流量。停機(jī)過程，高壓汽包壓力波動(dòng)引起高壓汽包水位上升，高壓給水調(diào)門逐漸關(guān)小，TCA回爐側(cè)流量快速下降。當(dāng)TCA反饋流量小于燃機(jī)負(fù)荷修正后對(duì)應(yīng)的流量時(shí)，TCA回凝汽器側(cè)流量調(diào)閥最小開度設(shè)定為24%，根據(jù)圖4，當(dāng)燃機(jī)負(fù)荷小于150MW，燃機(jī)負(fù)荷修正為0.7（0-150MW為0.7），TCA輸出所需要流量為88.6T/H×0.7=57T/H，TCA反饋實(shí)際流量為50T/H，2s后，TCA回凝汽器側(cè)流量調(diào)閥快開動(dòng)作正確。TCA回凝汽器側(cè)流量調(diào)閥快速打開至24%后TCA流量計(jì)1、2、3快速增大并超限。

現(xiàn)象：1月10日，運(yùn)行中TCA流量偏低，#1機(jī)負(fù)荷300MW，而TCA流量47T/H，TCA回爐側(cè)流量調(diào)閥開度24%，TCA回凝汽器側(cè)流量調(diào)閥自動(dòng)打開至10%。TCA流量增大至68T/H，當(dāng)日#1高、中壓給水泵高壓設(shè)定壓力為14.5MPa，TCA回爐側(cè)流量調(diào)閥后壓力穩(wěn)定14.5MPa，當(dāng)天早上啟動(dòng)后，TCA出口冷卻水壓力緩慢升高，最高達(dá)到19.2MPa。當(dāng)環(huán)境溫度上升后TCA出口冷卻水壓力自行恢復(fù)正常，TCA回爐側(cè)流量調(diào)閥開度也回升至52%。此時(shí)TCA冷卻器氣側(cè)出口溫度值230℃無變化。

分析：TCA冷卻器給水流量控制閥是通過燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)控制，并與壓氣機(jī)入口空氣溫度所對(duì)應(yīng)的燃機(jī)負(fù)荷和TCA冷卻水流量相一致。給水流量的控制目標(biāo)是冷卻空氣溫度，并且可以避免TCA冷卻器給水管路中的水出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。TCA流量控制閥使用TCA給水流量設(shè)定和流量控制閥兩端差壓來進(jìn)行控制。CV計(jì)算公式：。W：給水流量設(shè)定（t/h）；ΔP：流量控制閥進(jìn)口和出口的壓差（MPa）；γ：密度（t/m3）；CV計(jì)算公式的修正因數(shù) 0.366。根據(jù)當(dāng)日環(huán)境溫度最低-4℃分析，判斷為TCA出口冷卻水壓力測(cè)點(diǎn)發(fā)生冰凍，ΔP：流量控制閥進(jìn)口和出口的壓差出現(xiàn)不正常的增大，給水流量設(shè)定和密度未發(fā)生變化，導(dǎo)致TCA回爐側(cè)流量調(diào)閥CV不正常的關(guān)小，TCA回鍋爐側(cè)流量減少。

燃機(jī)TCA冷卻系統(tǒng)是三菱M701F4燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。獨(dú)特的冷卻方式保證燃機(jī)透平轉(zhuǎn)子、葉輪和動(dòng)葉片金屬溫度在允許范圍之內(nèi)。TCA回凝汽器流量調(diào)閥與TCA回爐側(cè)流量調(diào)閥使用頻率高，應(yīng)做好日常維護(hù)，TCA系統(tǒng)流量變送器、壓力變送器測(cè)點(diǎn)參與燃機(jī)保護(hù)系統(tǒng)計(jì)算，應(yīng)做好測(cè)點(diǎn)保溫，防止極端天氣時(shí)出現(xiàn)故障。