M701F3型燃氣輪機防結冰系統(tǒng)動作導致機組跳閘的討論

李響++廉小隗

摘 要：該文針對某電廠M701F3型燃氣輪機機組跳閘事故，論文首先探討了事故的原因，進而深入剖析了M701F3燃氣輪機防結冰系統(tǒng)因控制邏輯導致的隱患，給出了在特殊天氣條件下導致機組跳閘事故的解決方案。

關鍵詞：M701F3型燃氣輪機 防結冰系統(tǒng) 跳閘

中圖分類號：TK14 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0078-03

某電廠采用天然氣為燃料的350 MW級的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機采用同軸布置，蒸汽輪機布置在燃氣輪機冷端及發(fā)電機之間。燃氣輪機選用為三菱M701F3型。該文詳述該型燃氣輪機的防結冰系統(tǒng)因控制邏輯存在隱患，在特殊天氣條件下導致機組跳閘事故的經過，分析討論事故發(fā)生的原因，并有針對性地提出可能性解決方案。

1 M701F3型燃氣輪機機組跳閘事故介紹

11月29日15：30因天氣原因滿足防結冰系統(tǒng)投入條件，防結冰系統(tǒng)投入運行。16：07燃氣輪機來“燃燒室壓力波動高跳機”燃氣輪機跳閘，01開關、41E滅磁開關跳閘，22：02機組重新發(fā)啟動令，22：48機組并網，30日00：06機組啟動完成，00：39值長令：防結冰系統(tǒng)解OFF。

2 M701F3型燃氣輪機機組跳閘事故原因分析

2.1 M701F3型燃氣輪機防結冰系統(tǒng)及運行方式介紹

2.1.1 M701F3型燃氣輪機防結冰系統(tǒng)介紹

（1）防結冰系統(tǒng)作用。在溫度較低（攝氏零度左右）、濕度較大時，由于空氣中水汽會處于一種冰水混合物的狀態(tài)，附著在燃氣輪機的壓氣機進口可轉導葉（IGV）上造成進口可轉導葉（IGV）結冰凍住，會使進口可轉導葉（IGV）無法正常動作而造成燃氣輪機跳閘（當IGV輸出指令和反饋值相差超過5%且超過10 s時，IGV異常保護會動作跳閘），而且進口可轉導葉（IGV）結冰后會改變葉形，改變進氣沖角，可能靠近壓氣機的喘振邊界，當然也可能造成進入的空氣流量變化。而且進口可轉導葉（IGV）上結的冰一旦脫落進入壓氣機會造成壓氣機葉片損壞，防結冰系統(tǒng)是從壓氣機排氣段引出一部分高壓、高溫的空氣到壓氣機入口提高入口空氣溫度從而達到防結冰作用。

（2）防結冰系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)由防結冰平衡閥、防結冰疏水閥、防結冰供氣閥、防結冰控制閥A和防結冰控制閥B組成，整個系統(tǒng)在投入自動的情況下，滿足防結冰系統(tǒng)的動作條件時，整個系統(tǒng)投入運行達到化冰的目的。具體閥門布置見圖1。

2.1.2 防結冰系統(tǒng)的投運

（1）防結冰系統(tǒng)自動啟動條件。

防結冰系統(tǒng)投入的邏輯條件主要受以下幾條影響。

①環(huán)境溫度與壓氣機入口溫度差在（-3 ℃～3 ℃）之間。

②防結冰保護系統(tǒng)投入自動。

③壓氣機入口溫度在（-1 ℃～5 ℃）之間。

④環(huán)境濕度在條件成立。

⑤邏輯條件如圖2所示。

上述條件第4點：環(huán)境濕度在條件成立邏輯判斷為，環(huán)境濕度測點測得數(shù)值大于函數(shù)Y=f（χ）計算值，邏輯條件成立。

其中X為壓氣機入口溫度，對應函數(shù)關系為：

（2）防結冰系統(tǒng)的投運。

當以上的邏輯條件滿足時，防結冰系統(tǒng)開始準備投入運行。首先在正式投入運行前，進行暖管，防結冰疏水閥門打開20 s后關閉，防結冰平衡閥打開，引入少量高壓、高溫的壓縮空氣進入防結冰管道暖管、升壓，此時當防結冰管道壓力建立完成（標準是壓氣機排氣壓力減去防結冰管道壓力小于0.05 MPa）時，暖管升壓完畢。

從防結冰平衡閥打開開始計時120 s后，防結冰管道壓力建立沒有完成，會觸發(fā)防結冰平衡壓力異常的報警。如果邏輯運行正常，在防結冰平衡閥打開180 s后，防結冰疏水閥門打開，打開10 s后關閉，當防結冰疏水閥門關閉后，防結冰供氣閥門打開，同時防結冰平衡閥關閉，開始正式進行防結冰系統(tǒng)的氣體供氣。此時，防結冰控制閥B/A逐漸打開，進入暖吹預熱階段；預熱階段防結冰控制閥B開度逐漸開大，防結冰控制閥A的開度相對較小在5%左右，當壓氣機入口溫度比防結冰控制閥打開前的溫度提高2 ℃或者從防結冰供氣閥打開開始計時30 min后，暖吹預熱階段結束，進入正式防結冰系統(tǒng)控制階段；防結冰系統(tǒng)正式控制階段，防結冰控制閥B逐漸到全開位置，防結冰控制閥A也逐漸開大，從而提供大量高溫（溫度為壓氣機排氣溫度）空氣進入壓力機入口起到化冰作用。防結冰系統(tǒng)在邏輯上最終達到效果為，壓氣機進口大于環(huán)境溫度4 ℃。

在邏輯中防結冰溫度控制A、B閥的開度（即CSO）是通過函數(shù)計算所得。輸入值是壓氣機入口溫度經過一系列運算后得出的數(shù)值，輸出值是防結冰溫度控制A、B閥的開度（即CSO）。對應函數(shù)為：

防結冰系統(tǒng)啟動流程如圖3所示。

2.2 防結冰系統(tǒng)投運與該次機組跳閘的關系

根據機組曲線歷史曲線查詢得到的數(shù)據，發(fā)現(xiàn)11月29日15：32：50防結冰溫度控制B閥打開，B閥全開后A閥打開至12.02%，直到15：54：30A閥繼續(xù)開大，16：07：00A閥開度到達21.38%后，機組跳閘，防結冰溫度控制A、B閥關閉。

對比11月26日防結冰系統(tǒng)投入時曲線發(fā)現(xiàn)：防結冰溫度控制A閥最大開度15.85%。

對比11月23日防結冰系統(tǒng)投入時曲線發(fā)現(xiàn)：防結冰溫度控制A閥最大開度13.48%。

通過11月3次防結冰系統(tǒng)投入后的數(shù)據曲線看，前兩次A閥開度最大分別為15.85%和13.48%。但29日防結冰系統(tǒng)預熱結束后，A閥開度一直增大，當開到21.38%時機組跳機。

根據數(shù)據判斷，此次機組跳機的原因為：因A閥開度大，防結冰系統(tǒng)抽汽較多，嚴重影響系統(tǒng)燃燒燃空比，導致燃氣輪機燃燒不穩(wěn)，燃燒器壓力波動保護動作，機組跳閘。

那么為什么前兩次防結冰系統(tǒng)投入時A閥開度沒有持續(xù)增加，而這次卻導致跳機。

通過歷史曲線分析環(huán)境溫度和壓氣機入口溫度的歷史數(shù)據，對比觀察發(fā)現(xiàn)，29日當防結冰系統(tǒng)投入時，環(huán)境溫度4 ℃，壓氣機入口溫度4.22 ℃。防結冰系統(tǒng)預熱結束時，環(huán)境溫度4.01℃，壓氣機入口溫度6.22 ℃。機組跳閘前環(huán)境溫度4 ℃，壓氣機入口溫度7.26 ℃。

環(huán)境溫度溫度的變化為天氣因素，不受人為控制。當防結冰投入后，環(huán)境溫度可能有5種變化。

（1）環(huán)境溫度繼續(xù)下降，下降至-6 ℃以下，滿足防結冰系統(tǒng)退出條件，防結冰系統(tǒng)退出運行。該情況多次出現(xiàn)。（2）環(huán)境溫度繼續(xù)下降，但未下降至-6 ℃以下，防結冰系統(tǒng)長時間投運。該情況多次出現(xiàn)。（3）環(huán)境溫度繼續(xù)下降后，短時間內溫度回升，又滿足防結冰退出條件，防結冰系統(tǒng)在未暖管完成時即退出運行。該情況曾很少數(shù)出現(xiàn)。（4）該次情況：當防結冰系統(tǒng)投入后，環(huán)境溫度維持不變。（該次情況為首例）

與之前兩次防結冰系統(tǒng)投入時不同，此次防結冰系統(tǒng)投入時，環(huán)境溫度本身就在高限，并且之前防結冰系統(tǒng)投入后，環(huán)境溫度是持續(xù)下降的，當預熱結束后，環(huán)境溫度可以下降1 ℃～2 ℃，但此次防結冰系統(tǒng)投入后，環(huán)境溫度維持不變，那么根據邏輯要求，最終要使得壓氣機入口溫度大于環(huán)境溫度4 ℃，那么壓氣機入口溫度就需要維持到8 ℃，為提高壓氣機入口溫度只能持續(xù)開大A閥，當機組跳機時壓氣機入口溫度7.26 ℃，如果當時機組沒有跳機，A閥還會持續(xù)開大。所以分析發(fā)生機組跳機的主要原因是特殊的天氣條件的影響及防結冰系統(tǒng)邏輯設計中存在缺陷。

3 針對該次事故提出可行性解決方案

要防止類似事故的發(fā)生，就必須確保防結冰系統(tǒng)投入后，A閥開度不能過大，通過幾次觀察，正常時防結冰系統(tǒng)投入后，A閥開度通常維持在13%左右。

解決方案：參考A閥的函數(shù)圖，Y=f（x）（0

這樣既可以起到防結冰作用（環(huán)境溫度低時根據以前曲線15%開度滿足要求，環(huán)境溫度高時，如29日的情況，壓氣機入口溫度6 ℃也不可能結冰，也滿足要求），同時可以控制對燃氣輪機燃燒波動的影響（近幾年機組運行，如非燃氣輪機入口濾網差壓特別高的特殊情況，防結冰系統(tǒng)投入時，也未發(fā)生過跳機）。

參考文獻

[1] MHI.燃氣輪機控制系統(tǒng)邏輯圖——防結冰系統(tǒng)圖（TCS）[Z].

[2] MHI燃氣輪機運行維護手冊——防結冰系統(tǒng)結構及運行維護[Z].