某聯合循環機組甩負荷試驗轉速飛升過高原因分析

丁智華，丁陽俊，顧正皓

（1.杭州華電下沙熱電有限公司，杭州　310018；2．國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0　引言

甩負荷試驗是考核機組調節系統動態特性最直接、最常用的方法，其主要目的是檢驗機組控制系統在甩負荷瞬間對機組轉速的控制能力。目前國內有專門的汽輪發電機組甩負荷試驗導則，但是關于燃氣-蒸汽聯合循環機組甩負荷試驗的說明只作為汽輪機組甩負荷導則的附錄出現，并且除了明確指出測功法甩負荷試驗不適用于燃氣-蒸汽聯合循環機組外，對最高飛升轉速等具體參數沒有作詳細說明[1]。近年來，燃氣-蒸汽聯合循環機組因其熱效率高、啟停方便、便于調峰、污染排放少等優點，而被“西氣東輸”工程的下游地區廣泛采用[2-4]。燃氣-蒸汽聯合循環機組甩負荷試驗也被廣泛關注。

通常影響汽輪機組甩負荷時轉速飛升的因素有以下幾點[5]：

（1）甩負荷信號判斷準確與否。

（2）控制系統的響應速度。

（3）各調節閥的關閉時間。

（4）機組的轉動慣量。

燃氣-蒸汽聯合循環機組甩負荷時轉速飛升影響因素基本可以參考以上幾點，但是聯合循環機組計算轉動慣量時需要考慮壓氣機耗功、燃機做功等因素的影響，單軸布置的聯合循環機組，還需考慮汽輪機的耗功。某燃氣-蒸汽聯合循環機組甩50%額定負荷試驗時瞬時最高轉速達到3 166 r/min，以該次試驗為例對燃氣-蒸汽聯合循環機組甩負荷過程中需要考慮的因素進行探討。

1　機組簡介

某燃氣-蒸汽聯合循環機組為GE（美國通用電氣公司）生產的STAG 109FA單軸聯合循環機組，機組容量390 MW，由PG9351FA型燃氣輪機、D10型三壓有再熱系統的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發電機、和三壓有再熱但帶冷凝器除氧的自然循環余熱鍋爐組成。GT（燃氣輪機）、ST（蒸汽輪機）和GEN（發電機）剛性串聯在1根長軸上，燃氣輪機進氣端輸出功率，軸配置形式為：GT—ST—GEN，轉速3 000 r/min。控制系統原為GE公司的MARK-VI，后升級為MARK VIE，聯合循環機組的主要控制功能由燃機的氣體燃料系統及汽輪機進汽閥控制組成。功率輸出及轉速控制由燃料模塊的GCV2/3/4（氣體控制閥）及SRV（速比閥）進行控制，汽輪機的進汽控制由1組MSV（高壓主汽閥）和MCV（高壓調閥），2組RSV1/2（中壓主汽閥）和RIV1/2（中壓調閥），1個ASV（低壓進汽門），1個ACV（低壓調節閥），以及高、中、低壓旁路閥完成控制、保護和調節功能，系統如圖1所示[6-7]。

圖1　汽輪機進汽示意

2　甩負荷試驗過程

某燃氣-蒸汽聯合循環機組控制系統升級改造后進行甩50%額定負荷試驗，試驗過程如下：試驗時當地大氣溫度為0℃，試驗前壓氣機排氣壓力0.88 MPa，主汽壓力6.77 MPa，再熱蒸汽壓力1.48 MPa。甩負荷倒計時到“0”時，拉開發電機出口斷路器，與電網脫開，以此為計時零點，40 ms時轉速開始飛升，6.36 s達到瞬時最高轉速3 166 r/min，92.96 s轉速開始穩定在3 009 r/min；80 ms時GCV2從26.6%開度打開，400 ms到最大開度70.8%，3.12 s穩定在43.7%開度；80 ms時GCV3從35.1%開度關閉；320 ms全關；80 ms時GCV4從31.1%開度打開，280 ms到最大開度50.0%，3.14 s穩定在26.8%開度；720 ms時IGV（進口導葉）開始從45.7%開度快關，1.32 s關到43.4%；160 ms時MCV開始關閉，2.56 s全關；200 ms時RCV1/RCV2開始快關，440 ms全關；160 ms時ACV開始關閉，2.8 s全關；過程曲線如圖2和3所示，試驗所用高速數據采集儀采樣頻率為每秒1 000次。

圖2　燃氣輪機甩50%負荷試驗趨勢

圖3　汽輪機甩50%負荷試驗趨勢

此次甩50%負荷試驗瞬時最高轉速為3 166 r/min，雖然燃氣-蒸汽聯合循環機組甩負荷說明中，沒有關于甩50%負荷時瞬時最高轉速超過多少后不能進行下級試驗，但是參考汽輪機組甩負荷試驗導則，甩50%負荷時瞬時最高轉速超過105%額定轉速，需要中斷試驗，查明原因[1]。同時該機組甩50%負荷時的瞬時最高轉速與同類型機組試驗數據相比確實偏高，如表1所示。

表1　同類型機組甩50%負荷試驗數據

3　試驗結果分析

結合試驗過程和現場情況，此次甩50%負荷試驗甩負荷信號判斷準確，并網信號消失后，控制系統也能及時響應，但是由圖2和圖3可知，甩負荷試驗中汽輪機MCV與ACV沒有快關。根據廠家提供的熱平衡圖，在50%和100%額定負荷時，通過ASV與ACV的蒸汽流量分別只占主蒸汽流量的10.8%和15.9%，蒸汽量很有限，對轉速的影響比較小，故這里重點討論由于MCV沒有快關對甩負荷試驗瞬時最高轉速的影響[8]。

查看該機組的甩負荷邏輯，當發生甩負荷工況時，MCV的控制方式為調節關，按照GE維護手冊 GEK99000B（Combined Stop and Control Valve）中相關說明，MCV調節關的時長小于3 s，因此MCV的關閉速度符合正常預期。根據《汽輪機調節控制系統試驗導則》中的方法，采用公式（1）和帶蒸汽閥門關閉時間來估算因為MCV調節關對轉速的影響[9]。

式中：Δn為瞬時最高轉速飛升；n0為額定工作轉速；Ta為轉子時間常數；ψ為甩負荷相對值；tH1和tH2為高壓調閥關閉延遲和關閉時間；αH為高壓缸功率比例系數。

由熱平衡圖可知在50%負荷時汽輪機占聯合循環機組負荷比例為46.9%，其中高壓缸占汽機負荷比例為18%，按照MCV快關和調節關對飛升轉速的影響計算結果如表2所示。

表2　MCV關閉方式對飛升轉速影響

由表1可知，甩50%額定負荷時最高轉速MCV調節關比快關會增加20 r/min。如果在邏輯中將甩負荷時MCV的控制方式由調節關改為快關方式，甩50%額定負荷試驗轉速理論上可以下降20 r/min左右，約為3 146 r/min。

本次沒有進行甩100%額定負荷試驗，按照《汽輪機調節控制系統試驗導則》中靜態預測公式估算甩100%額定轉速時的轉速，如式（2）所示[9]。

式中：Tv為蒸汽容積時間常數；tI1，tL1和 tI2，tL2分別為中壓、低壓調閥關閉延遲和關閉時間；αI，αL分別為中、低壓缸功率比例系數。

通過式（2）可以理論估算出該機組在甩100%額定負荷時瞬時最高轉速為3 252 r/min，但實際由于單軸布置的燃氣輪機轉子的轉動慣量計算要考慮壓氣機耗功、汽輪機耗功、燃機做功因素的影響[10]，而壓氣機耗功是與轉速成3次方關系的，所以甩100%負荷時燃氣輪機轉子的轉動慣量會更大，而且在100%額定負荷時汽輪機占聯合循環機組負荷比例為35.5%，比50%額定負荷時要小。故甩100%負荷實際轉速一般比按照《汽輪機調節控制系統試驗導則》中甩50%負荷試驗數據推算出的甩100%負荷轉速低。由此可以推測該機組即使在冬季甩100%額定負荷，MCV仍是關閉的情況下，瞬時最高轉速也不會超過3 300 r/min。

另外，由表1中JB發電廠1號、2號機和CX發電廠1號、2號機試驗數據可以觀察到，同樣的機組在夏季甩負荷瞬時最高轉速比在冬季甩負荷低，這是因為夏季大氣溫度高，空氣密度小，空氣比容大，不易被壓縮，在甩負荷瞬時壓縮機耗功比冬季多[11-13]。該機組2006年調試期間在夏季（當天大氣溫度23℃）甩50%額定負荷瞬時最高轉速為3 147 r/min，同一天甩100%額定負荷轉速為3 192 r/min。故該機組如果要進行下一級甩100%額定負荷，為了使試驗過程更加安全可控，可以安排在夏季進行試驗，以確保瞬時最高轉速不超過3 300 r/min，不觸發超速保護動作。

4　結語

高壓調閥沒有快關，是造成機組甩50%額定負荷試驗時轉速飛升過高的直接原因。但是通過這次試驗可以發現，只要閥門調節關的時間符合GE標準，單軸布置燃氣-蒸汽聯合循環機組在甩負荷試驗時即使高壓調閥沒有快關，轉子飛升轉速也很難超過3 300 r/min。另外，燃氣輪機轉子尤其是單軸布置聯合循環機組的轉子轉動慣量計算存在很多困難，需要考慮壓氣機耗功、燃機做功、汽輪機耗功，甚至還受試驗時的大氣溫度的影響，因此實際計算時一定要考慮全面，防止疏漏。