M701F4燃機TCA控制介紹及冷卻水流量低分析

浙能常山天然氣發電有限公司 陳攀峰 余 亮 趙光鋒

常山燃機電廠由一臺M701F4型燃氣輪機、一臺NG-M701F4-R型余熱鍋爐、一臺TC2F-35.4型蒸汽輪機和一臺QFR-480-2-21.5型發電機組成，額定容量458MW，是目前國內單軸燃機容量較大的發電設備，綠色環保，自動化程度高，具有較強的調峰能力。

隨著燃氣輪機技術日新月異，燃氣溫度和效率不斷地提高，燃機透平初溫的提高受到材料等因素的制約，因此對燃機內部高溫部件的冷卻就尤為重要[1]。三菱M701F4對燃機轉子冷卻系統進行了改進，從壓氣機出口抽出部分空氣，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過過濾，通過4根進氣管傳送到環壓氣機內擴壓段與中間密封體間的環形通道，一部分冷卻空氣被扭力管密封系統利用，以隔離壓氣機和透平段的環境，其余的冷卻空氣通過噴嘴送到透平轉子，用于冷卻旋轉葉片的根部、盤齒和轉子周圍的區域。冷卻器能使冷卻空氣維持在符合運行要求的溫度范圍內。當轉子冷卻空氣溫度大于295℃，燃機觸發溫度高，報警并延時300s后以正常速率20MW/分鐘自動減負荷到50%。減負荷后轉子冷卻空氣溫度還高則動作停機。

1 TCA系統控制及保護設定

燃機透平冷卻空氣（TCA）冷卻器利用兩個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燃機控制系統的設定值進行控制操作。如圖1所示，冷卻水來自高壓給水泵，通過并聯的TCA冷卻器水側關斷閥A和關斷閥B，經過（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）用于機組啟動過程和燃機低負荷運行以及緊急狀況下。線路二冷卻水流量控制閥（FCV-2）用于高負荷運行狀態下。

圖1 TCA冷卻水流程圖

TCA冷卻器冷卻水系統和透平冷卻空氣供給溫度的要求滿足以下條件，在燃機啟動期間TCA冷卻空氣出口溫度（透平冷卻空氣入口溫度）應小于100℃。從燃機點火到全速空載這個階段，TCA冷卻器的入口水溫應＜60℃。在燃機全速空載后，TCA冷卻空氣出口溫度應根據燃機需求不斷調整。避免空氣溫度小于露點溫度（90℃）產生結露。TCA給水流量變化、TCA入口空氣流量和溫度需要根據燃機的工作狀態進行調整（燃機負荷，周圍環境溫度）。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定值。路線一給水流量控制閥（即凝汽器側流量控制閥設定），流量控制閥（凝汽器側）最小流量根據給水溫度設定如圖2所示。

圖2 凝汽器側流量控制閥設定

路線二鍋爐側流量控制根據燃機負荷設定如圖3所示，燃機TCA冷卻水從啟動期間運行（線路一）切換到高壓汽包（線路二）需滿足燃機負荷大于90MW，在燃機負荷120MW時切換完成。

圖3 鍋爐側流量控制閥設定

TCA冷卻器給水流量控制閥是通過燃氣輪機控制系統控制，并與壓氣機入口空氣溫度所對應的燃機負荷和TCA冷卻水流量相一致。給水流量的控制目標是冷卻空氣溫度，避免TCA冷卻器給水管路中的冷卻水出現汽化現象。在低負荷時進入TCA設定流量為88.6T/H，再根據燃機負荷修正。各運行負荷所對應的最小給水流量設定如圖4所示。

圖4 負荷運行期間給水最小流量設定

當出現不正常情況（TCA冷卻器進水流量低），TCA冷卻器進水流量低且滿足流量低有效時間為2s，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側）快開，開度設定24%。

當機組出現甩負荷、跳閘、孤島運行等異常情況時，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側）控制設定如下。A甩負荷、B孤島運行、C燃機跳閘、D燃機負荷大于78MW時，邏輯信號33KTCAFWMIN置1；A、B、C三者“或”以后和D進行“與”邏輯計算，進行的邏輯運行結果為1時，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側）快開，開度設置25%[2]。

高負荷時，TCA出口空氣溫度反饋控制，鍋爐側給水流量控制閥通過TCA冷卻器出口空氣溫度控制（此時TCA冷卻器出口溫度值設定230℃），TCA流量控制閥使用TCA給水流量設定和流量控制閥兩端差壓來進行控制。鍋爐側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設定的聯鎖及保護：一是TCA冷卻器水側關斷閥B，滿足TCA啟動條件后自動開啟。二是TCA冷卻器水側關斷閥A，滿足TCA啟動條件且滿足給水壓力大于10MPa后自動開啟。三是TCA冷卻器出口給水溫度高并發報警，如圖7所示。四是給水流量低的報警設定，報警前提條件，滿速空載后300s，TCA給水流量低設定如下，有效時間TCA給水流量低10s后報警發出，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或者帶負荷運行，流量跳閘設定曲線如下，時間設定TCA給水流量低10s后動作，如圖9所示。六是TCA冷卻空氣溫度高于295℃，發報警并延時300s，燃機RUNBACK（以正常速率20MW/分鐘自動減負荷到50%）。七是當出現TCA冷卻器內管路泄漏，TCA冷卻器殼體側安裝有4個液位開關。其中一個是液位高于（定值為550mm）觸發報警，另外三只液位高于（定值為725mm）用于燃機遮斷保護（三取二）。當液位高報警信號觸發時，TCA冷卻器疏水閥A開啟，燃機仍可繼續運行。當出現TCA冷卻器管路破裂或泄漏，水位繼續上升，達到高高液位時，燃機遮斷保護動作。聯鎖關閉TCA冷卻器給水關斷閥，關閉TCA冷卻器流量控制閥（凝汽器側）關閉；TCA冷卻器流量控制閥（鍋爐側）關閉，打開TCA冷卻器疏水閥B。八是當出現凝結水泵全停、循環水泵全停、凝汽器真空低（＞-56kPa）之一的情況發生時，燃機遮斷。TCA冷卻器系統中冷卻水流量控制閥（鍋爐側）不能正常使用，TCA最小冷卻水量不能保障。九是兩臺高、中壓給水泵均出現跳閘時，不能保持TCA最小冷卻水量，燃機遮斷。在這種情況下，TCA冷卻器如果繼續運行將導致管內產生蒸汽。

圖7 TCA冷卻器出口給水溫度高

圖8 TCA給水流量低

圖9 TCA流量低跳閘設定曲線

2 TCA流量低故障分析

現 象：1月9日，#1機 停 機 過 程，#1機 負 荷175MW，（燃機負荷143MW）TCA回凝汽器側流量調閥快速打開至24%，TCA回爐側流量調閥全開。停機過程中高壓主汽旁路此時打開，引起高壓汽包液位虛假上升，高壓汽包主給水調閥關小至5%，導致TCA流量降低。TCA回爐側流量調閥全開，（實際無流量通過）TCA回凝汽器側流量調閥快速打開至24%，TCA流量快速增大。TCA流量計1、2、3均達到120T/H以上，發流量超限報警。

分析：TCA冷卻器進水流量低且滿足流量低有效時間2s，流量控制閥（凝汽器側）快開控制設定24%開度輸出，TCA冷卻器給水流量控制閥（凝汽器側）快開至24%，穩定TCA流量。停機過程，高壓汽包壓力波動引起高壓汽包水位上升，高壓給水調門逐漸關小，TCA回爐側流量快速下降。當TCA反饋流量小于燃機負荷修正后對應的流量時，TCA回凝汽器側流量調閥最小開度設定為24%，根據圖4，當燃機負荷小于150MW，燃機負荷修正為0.7（0-150MW為0.7），TCA輸出所需要流量為88.6T/H×0.7=57T/H，TCA反饋實際流量為50T/H，2s后，TCA回凝汽器側流量調閥快開動作正確。TCA回凝汽器側流量調閥快速打開至24%后TCA流量計1、2、3快速增大并超限。

現象：1月10日，運行中TCA流量偏低，#1機負荷300MW，而TCA流量47T/H，TCA回爐側流量調閥開度24%，TCA回凝汽器側流量調閥自動打開至10%。TCA流量增大至68T/H，當日#1高、中壓給水泵高壓設定壓力為14.5MPa，TCA回爐側流量調閥后壓力穩定14.5MPa，當天早上啟動后，TCA出口冷卻水壓力緩慢升高，最高達到19.2MPa。當環境溫度上升后TCA出口冷卻水壓力自行恢復正常，TCA回爐側流量調閥開度也回升至52%。此時TCA冷卻器氣側出口溫度值230℃無變化。

分析：TCA冷卻器給水流量控制閥是通過燃氣輪機控制系統控制，并與壓氣機入口空氣溫度所對應的燃機負荷和TCA冷卻水流量相一致。給水流量的控制目標是冷卻空氣溫度，并且可以避免TCA冷卻器給水管路中的水出現汽化現象。TCA流量控制閥使用TCA給水流量設定和流量控制閥兩端差壓來進行控制。CV計算公式：。W：給水流量設定（t/h）；ΔP：流量控制閥進口和出口的壓差（MPa）；γ：密度（t/m3）；CV計算公式的修正因數 0.366。根據當日環境溫度最低-4℃分析，判斷為TCA出口冷卻水壓力測點發生冰凍，ΔP：流量控制閥進口和出口的壓差出現不正常的增大，給水流量設定和密度未發生變化，導致TCA回爐側流量調閥CV不正常的關小，TCA回鍋爐側流量減少。

燃機TCA冷卻系統是三菱M701F4燃機冷卻系統的重要組成部分。獨特的冷卻方式保證燃機透平轉子、葉輪和動葉片金屬溫度在允許范圍之內。TCA回凝汽器流量調閥與TCA回爐側流量調閥使用頻率高，應做好日常維護，TCA系統流量變送器、壓力變送器測點參與燃機保護系統計算，應做好測點保溫，防止極端天氣時出現故障。