某燃氣輪機電廠余熱利用系統風機故障模擬分析

柳玉賓，楊波，苗森，陳耀斌，孔飛

（1.中國華電集團科學技術研究總院有限公司，北京 100160；2.華電（北京）熱電有限公司，北京 100160；3.上海華電閔行能源有限公司，上海 201100）

某燃氣輪機電廠余熱利用系統風機故障模擬分析

柳玉賓1，楊波2，苗森3，陳耀斌1，孔飛1

（1.中國華電集團科學技術研究總院有限公司，北京 100160；2.華電（北京）熱電有限公司，北京 100160；3.上海華電閔行能源有限公司，上海 201100）

余熱利用系統風機故障時，煙氣無法通過正常系統排出，需要迅速打開余熱鍋爐煙囪擋板，可能導致煙氣排出異常，燃氣輪機出口背壓會有一定的變化，進而觸發燃氣輪機背壓保護。在建立物理模型和數學模型的基礎上，對風機全故障、半故障、單機故障3種工況進行了評估，指出單機故障時對整個系統的影響較小，余熱鍋爐煙囪隔板在15s內打開，能夠基本保證燃氣輪機出口背壓正常。

燃氣輪機；余熱利用；煙氣擋板；風機故障；背壓

1 系統概述

某煙氣余熱深度利用項目是在余熱鍋爐之后設置余熱塔，利用余熱鍋爐尾部排出煙氣的余熱進行深度換熱（即進一步降低常規余熱鍋爐的排煙溫度，從89℃左右降到33℃），并通過中間介質（中介水）置換出煙氣的低溫余熱；同時，采用吸收式熱泵技術吸收中間介質的熱量，將其轉化為低溫熱水，通過蒸汽在尖峰熱網加熱器中進一步將熱網水加熱到130℃左右［1］。

余熱利用系統如圖1所示，系統引風采用4路風機并聯的方案。余熱利用系統正常工作時，余熱鍋爐煙囪中的煙氣擋板關閉，余熱鍋爐煙氣不經過余熱鍋爐煙囪排出，而是在風機的抽吸下進入余熱利用系統；煙氣經過余熱利用系統的煙氣換熱器之后，在引風機作用下進入余熱鍋爐煙囪擋板上方并排空。余熱利用系統故障時，煙氣無法通過正常系統排出，需要同時打開余熱鍋爐煙囪擋板，擋板打開需要一定時間，這段時間內煙氣排出異常，燃氣輪機出口背壓會有相應變化，進而影響燃氣輪機正常運行，可能觸發燃氣輪機背壓保護。本文旨在評估余熱利用系統引風機故障及余熱鍋爐煙囪擋板未完全打開情況下，對燃氣輪機背壓的影響。

2 物理模型

為描述故障對背壓的影響，計算中所采用的系統如圖2所示。考慮的區域分為煙道1、煙道2和余熱利用系統等3個子區域，在余熱利用系統實現了從余熱鍋爐煙囪入口到余熱利用系統風機入口的壓降和溫降。

煙道1的體積V1為3 556.5m3，該子區域入口處燃氣的流量、壓力和溫度用qm1in，p1in，T1in來表示，其出口為余熱鍋爐的入口，此處的流量、壓力和溫度用qm1out，p1out，T1out來表示。正常工作時，qm1out＝qm1in；故障時，由于燃氣輪機的靜葉噴嘴存在喉部，因此假定燃氣輪機出口流量保持不變，即qm1in＝525.41kg/s，但此時該區域qm1out＜qm1in，從而導致該區域背壓增加［2］。由此可見，要評估對背壓的影響，關鍵是確定故障情況下該區域的qm1out；同時，忽略煙道1區域的流動損失和熱損失，從而假定該區域入口壓力、溫度和出口壓力和溫度相等，即p1in＝p1out，T1in＝T1out。因此，該區域的壓力p1＝p1in＝p1out，而在整個故障期間，T1＝T1in＝T1out＝809.65K。

圖1 余熱利用系統示意

煙道2的體積V2為7703.5m3，此處的流量、壓力和溫度用qm2in，p2in，T2in來表示，其出口處為余熱鍋爐煙囪，用qm21out，p21out，T21out來表示，余熱利用系統入口處的流量、壓力和溫度用qm22out，p22out，T22out來表示。忽略該區域的流動損失，從而假定p2in＝p21out＝p22out，T2in＝T21out＝T22out。正常工作時，qm22out＝qm2in，qm21out＝0；故障時，qm22out＝αqm2in（0≤α＜1），qm21out＝0。

煙道3的體積V3為4 605.0m3，用qm3in，p3in，T3in來表示，其出口處用qm3out，p3out，T3out來表示。假定p3in＝p3out，T3in＝T3out。正常工作時qm3out＝qm3in，而故障時qm3out＜qm3in。

正常工作時，余熱鍋爐的壓降Δp12＝p1-p2＝3.45 kPa，溫降ΔT12＝T1-T2＝446.5K。故障時，由于煙道2的壓力發生變化，導致余熱鍋爐的壓降和溫降也會發生變化。

在余熱利用系統，實現了從余熱鍋爐系統出口到余熱利用系統出口（即余熱利用系統風機入口）的所有壓降和溫降。正常工作時，根據所選用風機的參數，余熱利用系統的壓降Δp23＝p22out-p3out＝923.63Pa，溫降ΔT23＝T2-T3＝40K；故障時，由于余熱利用系統出口段壓力的變化，會導致余熱利用系統的壓降、溫降和流量發生變化。

3 數學模型

根據上節建立的物理模型，煙道1流入的流量在故障期間不變，取燃氣輪機運行的額定值，即qm1in＝525.41 kg/s；同時，假定煙道1的溫度為燃氣輪機的排煙溫度，即T1＝T1in＝T1our＝809.65K。對煙道1而言，故障期間需要確定的參數是qm1out（t）和壓力p1（t）＝p1in（t）＝p1out（t），同時還已知qm1out（0）＝qm1in（0）＝525.41kg/s，p1（0）＝p1in（0）＝p1out（0）＝105.59kPa。

任意時刻煙道1的體積V1、燃氣壓力p1、燃氣質量m1和燃氣溫度T1滿足如下關系式［3］

式中：R為燃氣通用氣體常數，R＝277.13 J/（kg·K）。

煙道中燃氣的質量為m1，則

要獲得故障時的背壓p1，關鍵是獲得煙道1中燃氣的質量，其取決于燃氣在余熱鍋爐中的壓降Δp12。煙道1的流出流量與余熱鍋爐壓降之間的關系如下［4］

假定故障期間余熱鍋爐的溫降不變，則故障期間煙道2的溫度T2＝T2in＝T2out＝T22out＝363.15 K。煙道2的壓力p2為

其中，m2為t時刻煙道2中的燃氣質量，則

可見，基于以上關系式確定背壓p1隨時間的變化流程為：由式（6）獲得m2，由式（5）得到p2，由Δp12＝p1-p2得到Δp12，由式（3）獲得qm1out，由式（2）獲得m1，由式（1）獲得p1，從而得到背壓p1隨時間的變化規律。因此，關鍵是如何獲得m2，而獲得m2的關鍵是確定qm22out，其取決于余熱利用系統的后端，即煙道3的壓力和流出量。為此，需要建立煙道3的燃氣質量、壓力、溫度和流出量隨時間的變化關系。

圖2 物理模型

由于余熱利用系統中燃氣靜壓和靜溫變化范圍不大，所以不考慮其對燃氣密度所產生的影響。在余熱利用系統中，燃氣的流量取決于其入口和出口的壓力差，即

式中：C3為余熱利用系統的阻力系數，正常工作時Δp23＝923.6Pa，qm3in＝525.41 kg/s，所以可以標定出該阻力系數C3＝1.76。

煙道3中的煙氣質量m3滿足下式

同時，煙道3中的煙氣質量、煙氣溫度和壓力又滿足下式

由于不考慮煙道3中的流動阻力，此處p3＝p3out＝p3in；同時，由于不考慮煙道3中的熱力損失，此處T3＝T3out＝T3in。

正常工作時qm3out＝qm3in，燃氣能夠從余熱利用系統正常排出。而故障時，qm3out＜qm3in，煙道3中的煙氣質量會隨時間而增加，從而導致煙道3中的壓力增加，進而導致煙道3的流入量減少。煙道3的流入量減少，又會導致煙道2的流出量減少，從而導致煙道2的燃氣質量增加，進而燃氣壓力增加。煙道2煙氣壓力增加，會減少煙道1與煙道2的壓降，從而減少煙道1的流出量。煙道1的流出量減少，會導致煙道1燃氣質量增加，進而導致煙道1的壓力增加，即引起燃氣輪機背壓變化。

燃氣輪機正常工作狀態選取100%負荷，工作參數見表1。

4 故障描述

余熱利用系統引風采用4臺風機并聯方式，故障時風機的出風量會發生變化，從而導致燃氣輪機背壓發生變化。在本計算中，設定3種引風機故障模式，即半故障模式、全故障模式和單機故障模式。半故障模式時，4臺引風機中有2臺發生故障，瞬時失去流量；全故障模式時，4臺引風機同時瞬時失去流量；而在單機故障模式時，只有1臺風機瞬時失去流量。煙囪擋板打開時間是15 s，即其開度在15 s內由0線性變化為1。需要模擬各故障模式下，余熱鍋爐煙囪在15 s內完全打開時燃氣輪機出口背壓隨時間的變化情況。

表1 正常狀態下燃氣輪機工作參數

5 計算結果

5.1 引風機半故障工況

余熱系統故障時，4臺引風機中有2臺瞬時失去流量，另外2臺正常工作；同時，余熱鍋爐煙囪擋板在15 s內開度由0線性增加至1，即全開。

故障發生時刻為0，燃氣輪機背壓隨時間的變化如圖3a所示：燃氣輪機出口背壓迅速增加，很快超過燃氣輪機出口背壓上限值（t＝1.12 s），直到余熱鍋爐煙囪擋板接近全開時（t＝12.88 s），才又回到燃氣輪機出口背壓上限值以下。燃氣輪機出口背壓變化見表2。可以看出：余熱鍋爐煙囪隔板快速打開，能夠減小背壓增加的幅度和超限時間；而余熱鍋爐煙囪隔板打開的15 s內，不能消除背壓超限問題。

圖3 引風機故障時燃氣輪機出口背壓隨時間的變化

表2 引風機各故障工況下的背壓 kPa

5.2 引風機全故障工況

余熱系統故障時，4臺引風機瞬時失去流量；同時，余熱鍋爐煙囪擋板門開始逐步開啟，15 s內開度由0線性增加至1，即全開。

燃氣輪機背壓隨時間的變化如圖3所示：燃氣輪機出口背壓迅速增加，很快超過燃氣輪機出口背壓上限值（t＝0.62 s），直到接近46 s時，才又回到燃氣輪機出口背壓上限值以下，但在模擬的時間段內，燃氣輪機出口背壓沒有恢復到正常值以下。燃氣輪機出口背壓變化見表2。

余熱鍋爐煙囪隔板快速打開，對大幅值和長時間超過背壓限值沒有本質性的改善。即使余熱鍋爐煙囪打開得更為迅速，但相比半故障工況，全故障工況下仍會導致燃氣輪機出口背壓增加得更快、更大，持續的時間也更長，恢復到正常值也更慢。

5.3 引風機單機故障工況

余熱系統故障時，4臺引風機中有1臺瞬時失去流量，另外3臺正常工作；同時，余熱鍋爐煙囪擋板門開始逐步開啟，15 s內開度由0線性增加至1，即全開。

燃氣輪機背壓隨時間的變化如圖3c所示：燃氣輪機出口背壓隨時間增加，在t＝3.07 s時超過燃氣輪機出口背壓上限值，在t＝4.47 s時又回到燃氣輪機出口背壓上限值以下；最大超限值出現在3.77 s，為107.20 kPa，超過上限值0.06%，基本能夠保證燃氣輪機出口背壓正常。

與半故障和全故障狀態相比，單機故障的影響顯著減小。由于既有余熱利用系統的引風作用，又有余熱鍋爐煙囪的排煙作用，所以最終系統達到穩定時，燃氣輪機出口壓力低于正常工作值。

6 結論

本文模擬了引風機半故障模式、全故障模式和單機故障模式下，余熱鍋爐煙囪在15 s內完全打開，燃氣輪機出口背壓隨時間的變化。結果表明，對于半故障工況和全故障工況，余熱鍋爐煙囪隔板在15 s內打開，僅僅是減小超壓的幅度和時長，但對改善和消除燃氣輪機出口背壓超限沒有實質意義，燃氣輪機會由于背壓保護條件觸發而跳閘；與半故障和全故障工況相比，單機故障工況的影響顯著減小，余熱鍋爐煙囪隔板在15 s內打開，能夠基本保證燃氣輪機出口背壓正常。

［1］趙欽新，王宇峰，王學斌，等.我國余熱利用現狀與技術進展［J］.工業鍋爐，2009（5）：8-15.

［2］楊勇平，黃圣偉，徐鋼，等.電站鍋爐煙氣余熱利用系統的熱力學分析和優化［J］.華北電力大學學報（自然科學版），2014，41（1）：78-83.

［3］黃新元，王立平.火力發電廠低壓省煤器系統最優設計的通用數學模型［J］.站系統工程，1999，15（5）：20-25.

［4］李紅華.提高對多種品位能量利用的認識，促進能量高效利用［J］.節能，2007，26（1）14-16.

（本文責編：劉芳）

TM 611.24

A

1674-1951（2016）11-0072-04

柳玉賓（1982—），男，河北石家莊人，工程師，從事火力發電節能、分布式能源、智能控制等方面的研究（E-mail：cnbjliuyubin＠163.com）。

2016-07-26；

2016-10-17