M701F4型燃機TCA系統冷卻水流量控制優化

崔永軍，潘千里，楊君君，羅建超，何垚年，吳國瑞

(華能北京熱電有限責任公司，北京 100023)

0 引言

對于三菱M701F4型燃氣輪機來說，為了使燃氣輪機的透平熱部件在高溫環境下安全穩定地工作，就必須對透平動葉和轉子輪盤進行冷卻。冷卻轉子和透平動葉的空氣來自軸流式壓氣機部分排氣。壓氣機的排氣經過透平冷卻空氣(turbine cooling air，TCA)系統并被過濾后通過內部通道冷卻轉子輪盤和透平動葉。TCA系統是三菱機組的特色技術[1]。

1 TCA系統冷卻水流程

TCA系統冷卻水來自高壓給水泵，取自低壓汽包。高壓給水吸收了燃機壓氣機排氣的熱量后分為兩路，一路回水至凝汽器，通過氣動流量調閥FCV1控制；另一路通過氣動流量調閥FCV2與高壓省煤器出口管路匯合后經過上水調門回至高壓汽包，如圖1所示。由于熱量在整個循環過程中基本上沒有損耗，因此大大提高了整個聯合循環效率[2]。通過調節FCV1，FCV2，控制TCA系統冷卻水的流量降低透平冷卻空氣溫度，使冷卻空氣維持在符合運行要求的溫度范圍內。兩個TCA系統冷卻水流量調節閥均在透平控制系統(turbine control system，TCS)中控制。

圖1 TCA系統冷卻水流程

2 TCA系統冷卻水控制邏輯及存在問題

由于TCA系統直接影響著燃機透平轉子和輪盤的壽命，因此M701F4型燃機設置了TCA系統冷卻水流量低保護：TCA系統冷卻水流量低，延時10 s燃機跳閘，來防止高溫部件的損壞。保護定值由邏輯設定，分為并網前和并網后。

因此，TCA系統冷卻水流量的控制好壞程度直接影響著燃氣輪機的安全穩定運行，尤其是在燃機啟動過程中，系統并不是穩態的情況下。

在燃機啟動初期，TCA系統冷卻水回水至凝汽器，TCA系統回凝汽器調節閥控制流量(閉環控制) 88 t/h，燃機定速后流量設定80 t/h。燃機并網后，TCA系統冷卻水流量設定值由80 t/h轉為燃機負荷對應的函數值(50 MW時TCA系統冷卻水流量約26 t/h，保護值18 t/h)，因此TCA系統回凝汽器調節閥會迅速關小，此時TCA系統回高壓汽包調節閥最小15 %開度限制又被解除，TCA系統回高壓汽包調節閥也會逐漸關小，這就導致TCA系統流量會迅速下降，很容易導致跳機事故的發生。

為了控制并網后TCA系統流量較低的危險工況，通常會稍開TCA系統回水至高壓汽包調節閥旁路手動門，同時保證高壓汽包上水調門維持10 %～20 %開度，來保證控制TCA系統流量不低于80 t/h。但是這樣卻造成低負荷階段高壓汽包水位較高，需要經常排放，浪費除鹽水。而且由于旁路手動門的開啟，TCA系統回水至高壓汽包調節閥前后差壓極小(僅有0.02～0.06 MPa),造成TCA系統回高壓汽包調節閥修正系數超過設計值(正常系數的2倍)，使TCA系統冷卻水回高壓汽包調節閥長期處于100 %開度，TCA系統冷卻水實際流量過大(超過120 t/h滿量程)，也使通過高壓省煤器的流量偏小，經濟性降低。

針對流量不穩定造成跳機的問題，部分電廠采取大幅提高TCA系統冷卻水流量、手動進行閥門切換的方式，來保證冷卻水流量在波動時不低至保護值，但該方式造成了機組出力及效率的下降[3]。

3 TCA系統冷卻水流量控制優化

因此，對上述TCA系統冷卻水流量的控制邏輯進行了以下優化，提高燃氣輪機在啟動過程中和大負荷運行時的經濟性和安全性。

(1) 將0～150 MW期間TCA系統冷卻水流量設定值提高，一是保持燃機并網前后TCA系統流量設定值變化不大，二是設定值提高后離保護值較遠，避免燃機并網后TCA系統冷卻水調節閥快速關小時，導致流量迅速降低造成燃機跳閘。TCA系統回凝汽器氣動門流量曲線設定值優化如圖2所示。

圖2 TCA系統回凝汽器氣動門流量曲線設定值優化

(2) 在上一條中將啟動過程中TCA系統冷卻水流量控制值提高后，原先的TCA系統回凝汽器調節閥快開系數0.85還遠遠大于TCA系統流量低報警值。為了減小由于系統擾動造成調節閥不必要的頻繁快開，將該值修改為0.8。當燃機負荷100 MW時，以設定值70 t/h為例，流量低于70×0.8=56 t/h時TCA系統冷卻水回凝汽器調節閥觸發快開，此時TCA系統流量低報警值27 t/h，保護值25 t/h。

(3) 原DCS邏輯中，燃機負荷大于30 %總負荷(90 MW)且TCA系統冷卻水回高壓汽包調節閥開度大于5 %時，高壓汽包上水調門最小開度由0 %設定為20 %。這樣做的目的是防止由于高壓汽包水位高，上水調門關小，導致TCA系統冷卻水流量低。該邏輯雖然有效保證了TCA系統冷卻水流量，但由于燃機負荷依然較低，高壓汽水系統產汽量還很低，導致高包水位持續上漲，不得不頻繁開啟事故放水門和定排門對高包進行放水，造成工質的大量浪費。因此優化該條邏輯，在燃機負荷80～150 MW時上水調門最小開度15 % (可根據運行情況調整)，當燃機負荷大于50 %總負荷時最小開度20 %。優化之后，有效減少由于高壓汽包水位高而造成不必要的排污，減少工質的浪費。

(4) 將TCA系統兩路冷卻水流量調節閥切換的結束負荷由80 MW修改為140 MW，即TCA系統冷卻水全部回至高壓汽包(在邏輯頁M-D351_HLH02中將H改為80)，也就是當燃機負荷大于140 MW后,燃機TCA系統回凝汽器調門PI調節的低限由20 %變為0 %，速率為20 %/min，TCA系統回凝汽器調門將根據PI控制逐步關小至0。TCA系統回高壓汽包氣動門曲線設定值優化如圖3所示。

圖3 TCA系統回鍋爐氣動門流量曲線設定值優化

(5) 修改TCA系統回凝汽器調節閥PID控制參數，將積分由50改為35；手自動切換過程中，流量設定值切換速率M-D352_TR01：Roff由30 %/min改為100 000 %/min (即：放開速率限制)。

（6）增加TCA系統冷卻水回凝汽器調節閥投入自動后立即具備快開功能。在邏輯中，將延時時間M-D352_OND02由180 s改為0 s；快開速率當前值為100 000 %/min (即：放開速率限制)，關速率為50 %/min；延時時間M-D352_OND03由2 s改為1 s。

(7) 燃機TCA系統冷卻水流量低報警值與保護值非常靠近，為了避免燃機TCA系統冷卻水流量低保護動作，增加了TCA系統冷卻水流量低到達報警值時觸發快開邏輯，具體為：TCA系統冷卻水流量低報警觸發后延時0 s，快開TCA系統冷卻水回凝汽器調節閥，同時TCS發TCA系統冷卻水流量低報警。

(8) 原有邏輯中，當TCA系統冷卻水供水壓力低于10 MPa時，將閉鎖TCA系統回凝汽器調門快開。而通常情況下，供水壓力低都會導致TCA系統流量低，此時TCA系統回凝汽器調門無法實現快開，將直接威脅機組的安全運行。因此將TCA系統冷卻水供水壓力低閉鎖快開值修改為7 MPa，提高TCA系統系統安全性。

4 結束語

通過以上對TCA系統冷卻水流量調節閥的邏輯優化后，有效地使M701F4型燃氣輪機TCA系統冷卻水控制得更加穩定；在保證了機組安全性的同時，還提高了經濟性；不再需要值班員為了TCA系統冷卻水流量的穩定而頻繁地將TCA系統冷卻水流量調節閥解為手動操作或者開大旁路手動門。