9E燃氣輪機透平框架冷卻系統優化

金培君，王歡歡

(上海奉賢燃機發電有限公司，上海 201403)

1 機組概述

上海奉賢燃機發電有限公司(以下簡稱奉賢發電公司)采用美國GE公司生產的PG9171E型燃氣輪機，于2005年年底先后投產發電。機組投運以來，隨著對9E燃氣輪機的深入了解，發現9E燃氣輪機存在透平框架冷卻風機設計冗余不夠的缺陷，對機組的安全、穩定運行構成一定的威脅。

機組原設計2臺50%容量的透平框架冷卻風機，透平框架冷卻風機的基本作用是冷卻透平排氣框架以及透平缸外層，在燃氣輪機點火后先后投入使用。若燃氣輪機運行中框架冷卻風機發生故障導致冷卻風量瞬時失去或者突然減少，會使機組排氣框架及汽缸的受熱工況發生變化，造成局部過熱，對相關零部件的壽命有較大的影響。因此，透平框架冷卻風機能否安全、穩定運行，對燃氣輪機能否正常運行有重要影響。

奉賢發電公司是一個調峰電廠，機組啟動時就是電網最需要電力負荷的時候，故要求機組能隨時啟、停，在運行中不允許機組非計劃停運，故提高機組的安全、穩定性就顯得尤為重要。一旦機組不能按時投運或運行中由于故障而停機，公司除需承擔設備受損、機組停機檢修造成的重大損失外，還可能引起局部地區拉閘限電，造成惡劣的社會影響。

為此，奉賢發電公司成立了“9E燃氣輪機透平框架冷卻系統優化研究”課題組，進行專題研究試驗。致力于消除上述重大設備隱患的同時，也使奉賢發電公司技術人員對該機組結構設計、系統構成等有比較深入的認識，逐步熟悉、掌握GE的MarkⅤ程序和相關電氣設計回路。

2 原框架冷卻系統存在的問題

2．1 系統概況

機組原框架冷卻系統如圖1所示。

圖1 機組原框架冷卻系統

機組設計有2臺50%容量的透平框架冷卻風機，每臺風機出口設有1個壓力開關及1個逆止閥，機組啟動點火后，風機依次啟動，當管道風壓達到壓力開關63TK設定值時，壓力開關閉合，風機啟動正常。

燃氣輪機設計有透平框架冷卻風機故障保護，該保護是燃氣輪機的一項重要保護。風機風壓低于3．81 kPa時，壓力開關63TK動作，發出風機故障報警。如果2臺風機同時出現故障，則機組自動降負荷停機處理;如果1臺風機故障報警，為了保障設備的安全性，需手動降負荷，維持排煙溫度不高于490℃，同時密切注意燃氣輪機輪間溫度、振動、排煙溫度等，若出現異常應立即降負荷停機。

2．2 存在的問題

就設備本身而言，汽缸外層及排氣框架等高溫部位失去冷卻風或者冷卻風量驟然下降，勢必會引起局部過熱，造成一定變形。而汽缸變形可能會導致動靜摩擦異常，出現異常振動，從而使燃氣輪機葉片受到損傷，誘發重大設備事故。燃氣輪機熱通道部件價格昂貴且修理周期較長，一旦失去冷卻風或者驟減冷卻風可能導致重大設備損失。而透平框架冷卻風機屬于重要的輔機設備，2臺50%容量的風機一般都會設計有第3臺風機備用。為分析GE公司的設計思路，奉賢發電公司的技術人員仔細研讀了GE公司的操作維護手冊，發現在相關系統的概述中也有第3臺風機的描述。同時咨詢了一部分采用同類型機組的燃氣輪機電廠的相關人員，發現南方的幾個電廠在燃氣輪機運行規程中都有關于透平框架冷卻風機故障的緊急應對措施。

奉賢發電公司作為一個調峰電廠，僅2臺風機的設計加大了機組非計劃停機的可能性，降低了機組運行的可靠性，而調峰電廠的非計劃停運可能造成嚴重的社會影響。

3 技術重點和優化方案

3．1 技術關鍵點

(1)框架冷卻系統本質上的問題是冷卻風總容量不足。常見的優化方法:一是風機本身的擴容改造，把50%容量的風機改造成100%容量的風機;二是增加1臺50%容量的風機。燃氣輪機原配風機為法國Flakt公司制造的離心式風機，價格比較昂貴，但安裝調試則相對簡單。若對風機進行擴容改造，雖然擴容改造技術比較成熟，但原風機為進口設備，基礎資料缺乏。

(2)燃氣輪機的技術在相當程度上被國外制造廠商所壟斷，特別在控制系統方面(Mark V)存在不少技術難點。改造后系統內風機啟動控制、風機故障自動停機切換程序的修改等關鍵技術，需要專業技術人員進行研究。

3．2 方案選擇

奉賢發電公司的技術人員仔細查閱了風機的相關資料，得到的信息相當有限，操作維護手冊上的產品資料與現場設備嚴重不符。對原有風機進行優化設計，需加大葉輪直徑和寬度、加大進風口等，以達到風機擴容改造的目的，該方案在現場實施有較大的難度。

(1)原系統2臺風機安裝在一個隔音罩內，布置比較緊湊。擴容改造后葉片的尺寸發生變化，勢必造成風機、電動機的基礎發生改變，風機隔音罩也要重新安裝，這些基礎的變動將帶來極大的土建工程量及較長的施工周期，代價較大。

(2)風機改造需要進行優化設計，缺乏制造廠資料使風機改造缺少了很多理論數據支持，整個改造需進行多次試驗，周期長、花費高。

因此，選擇增加1臺50%容量風機的方案。首先考慮原配flakt廠的風機，但此款風機需進口，供貨周期長，價格昂貴。由風機銘牌參數可以看出，該型號風機參數屬于常見參數，最終決定選擇南方風機股份有限公司生產的88TK－No9A型風機。該型號風機的額定流量為4 300～10 672m3/h，風壓為10189～14 704 Pa，與原配風機參數基本一致，標準工況下出口壓力與流量略高于原風機。

選擇在與原風機外側平行的位置安裝第3臺風機，風機安裝在此處不會影響將來機組的大修，也靠近原風機安裝地點，給風機的選型提供了方便，基本不需要考慮風機管道的損耗，如圖2所示。

從安全性、經濟性方面考慮，原配風機及電動機制造商都是有一定知名度的廠家，而且根據電動機型號可知，現場電動機是LEROY SOMER公司應用于最苛刻環境下的產品。因此，在啟動程序上選擇第3臺風機作為備用風機，并網后原2臺風機任意一臺出口壓力低時，備用風機啟動。

此外，國產風機噪聲偏大，所以在該風機外加裝獨立的防雨隔音罩，使離心風機的噪聲得到控制。

3．3 控制邏輯修改

每臺燃氣輪機原設計有2臺TK風機(TK1，TK2)，燃氣輪機點火后2臺風機依次啟動，一起運行，共同保證燃氣輪機高溫部件的冷卻。每臺風機出口有1個風壓低開關，監視對應風機的出口風壓。當2臺風機同時低風壓報警時，燃氣輪機就要進入降負荷通道。

圖2 原風機布置圖及增加1臺風機后的布置圖

為了提高機組運行的穩定性，現給每臺燃氣輪機增設1臺TK風機(TK3)，其控制邏輯設計為:

(1)TK3風機的控制信號由燃氣輪機MarkⅤ控制系統發出，其運行反饋也送至燃氣輪機MarkⅤ控制系統。

(2)TK1，TK2中任意一臺風機風壓低時，報警并啟動第3臺TK風機。風壓報警消失后3 s，風機停運。

(3)TK1，TK2風機風壓低且第3臺TK風機未啟動，燃氣輪機減負荷。

3．4 具體組態配置

風機控制信號和反饋信號的接線見表1。

表1 風機控制信號和反饋信號的接線

3．4．1 邏輯組態

在文件F:UNIT1SITE．ASG中定義新的中間變量:

?VQ T4TKZ SEC64?

風機TK3的“控制信號”命名為L4TKZ3(反邏輯)，“風機運行”信號命名為 L52TK3，在文件F:UNIT1IO．ASG里定義其輸入、輸出通道:

修改組態文件F:UNIT1SEQ_AUX．SRC。

TK3啟動程序及風機保護邏輯如圖3所示，圖3中信號的意義如下:

上述邏輯表示:發電機并網后任意一臺風機出口壓力低，則TK3延時3 s啟動;TK1，TK2出口壓力低(風機故障)，但TK3正常運行，則機組減負荷。

3．4．2 畫面修改

在燃氣輪機“UNIT CONTROL”下的“MOTORS”

圖3 TK3啟動程序及風機保護邏輯

畫面上增加風機TK3的狀態顯示(排在TK1，TK2之后)，如圖4所示。

圖4 Mark V畫面修改

3．5 動態驗證

就地接線和邏輯修改完成后，接下來進行了信號傳動、靜態邏輯測試、動態試驗等工作。

4 優化前、后效果對比及經濟性分析

4．1 試運行

對系統進行改造和組態優化后，在畫面強制啟、停風機進行通道測試，監測風機振動情況并記錄啟動電流和運行電流，原風機運行參數見表2，增加風機運行參數見表3。由試運行測試結果可知，所增加風機與原風機各參數基本一致。

表2 原風機運行參數(典型工況)

4．2 運行比較試驗

試運行正常后，風機正式投入使用并在機組運行時進行試驗，以考察其實際使用情況。

表3 增加風機運行參數

為保證機組運行安全，在機組停機前手動關閉TK2，以試驗聯鎖保護，若TK3自啟動不成功，則進入停機程序。燃氣輪機試驗負荷為6W，保持該負荷15m。記錄燃氣輪機排氣溫度、輪間溫度并觀察燃氣輪機振動。試驗時嚴禁投IGV溫控。

運行組數據見表4，對比組數據見表5。

表4 運行組數據(TK1和TK2運行)

表5 對比組數據(加裝風機TK3和原風機TK1運行)

通過比較試驗發現，改造的基本設想都已經得到了落實:在邏輯上任意一臺風機失去，備用風機自啟動;在實際出力工況下，風機啟動后，燃氣輪機排氣溫度、輪間溫度都能保持穩定。

4．3 效益分析

(1)安全效益。系統優化的成果主要體現在安全上。此次系統優化改進后，能避免透平框架風機故障引起的緊急停機，大大提高了機組的安全性、可靠性。

(2)社會效益。作為調峰電廠，每次非正常停機都會帶來一定的社會影響。此次系統優化改進后，可降低機組非停機概率，有利于維護社會和諧、提高企業形象。

(3)經濟效益。通過系統優化改進，能有效降低機組因非正常停機導致的市調度中心考核損失和電量的損失，避免風機故障后處置不當造成的重大設備損失。

5 結論

通過試驗發現，透平框架冷卻系統優化后能在1臺常用風機停用后迅速啟動備用風機，并保持了機組輪間溫度、排氣溫度、機組振動等基本參數不發生變化。這表明機組在風機發生故障后，整個透平框架冷卻系統仍能保持正常運行，從而有效消除了風機故障造成非計劃停運和事故的隱患。系統優化改造達到了預期的效果。

奉賢發電公司各專業人員也在此次優化改造的過程中努力鉆研技術，更加深入了解公司的機組設備，提高了自身的專業水平，有利于今后更好地開展工作。該項目的研究對于提高同類型機組運行可靠性具有借鑒價值。