9E燃气轮机透平框架冷却系统优化

金培君，王欢欢

(上海奉贤燃机发电有限公司，上海 201403)

1 机组概述

上海奉贤燃机发电有限公司(以下简称奉贤发电公司)采用美国GE公司生产的PG9171E型燃气轮机，于2005年年底先后投产发电。机组投运以来，随着对9E燃气轮机的深入了解，发现9E燃气轮机存在透平框架冷却风机设计冗余不够的缺陷，对机组的安全、稳定运行构成一定的威胁。

机组原设计2台50%容量的透平框架冷却风机，透平框架冷却风机的基本作用是冷却透平排气框架以及透平缸外层，在燃气轮机点火后先后投入使用。若燃气轮机运行中框架冷却风机发生故障导致冷却风量瞬时失去或者突然减少，会使机组排气框架及汽缸的受热工况发生变化，造成局部过热，对相关零部件的寿命有较大的影响。因此，透平框架冷却风机能否安全、稳定运行，对燃气轮机能否正常运行有重要影响。

奉贤发电公司是一个调峰电厂，机组启动时就是电网最需要电力负荷的时候，故要求机组能随时启、停，在运行中不允许机组非计划停运，故提高机组的安全、稳定性就显得尤为重要。一旦机组不能按时投运或运行中由于故障而停机，公司除需承担设备受损、机组停机检修造成的重大损失外，还可能引起局部地区拉闸限电，造成恶劣的社会影响。

为此，奉贤发电公司成立了“9E燃气轮机透平框架冷却系统优化研究”课题组，进行专题研究试验。致力于消除上述重大设备隐患的同时，也使奉贤发电公司技术人员对该机组结构设计、系统构成等有比较深入的认识，逐步熟悉、掌握GE的MarkⅤ程序和相关电气设计回路。

2 原框架冷却系统存在的问题

2．1 系统概况

机组原框架冷却系统如图1所示。

图1 机组原框架冷却系统

机组设计有2台50%容量的透平框架冷却风机，每台风机出口设有1个压力开关及1个逆止阀，机组启动点火后，风机依次启动，当管道风压达到压力开关63TK设定值时，压力开关闭合，风机启动正常。

燃气轮机设计有透平框架冷却风机故障保护，该保护是燃气轮机的一项重要保护。风机风压低于3．81 kPa时，压力开关63TK动作，发出风机故障报警。如果2台风机同时出现故障，则机组自动降负荷停机处理;如果1台风机故障报警，为了保障设备的安全性，需手动降负荷，维持排烟温度不高于490℃，同时密切注意燃气轮机轮间温度、振动、排烟温度等，若出现异常应立即降负荷停机。

2．2 存在的问题

就设备本身而言，汽缸外层及排气框架等高温部位失去冷却风或者冷却风量骤然下降，势必会引起局部过热，造成一定变形。而汽缸变形可能会导致动静摩擦异常，出现异常振动，从而使燃气轮机叶片受到损伤，诱发重大设备事故。燃气轮机热通道部件价格昂贵且修理周期较长，一旦失去冷却风或者骤减冷却风可能导致重大设备损失。而透平框架冷却风机属于重要的辅机设备，2台50%容量的风机一般都会设计有第3台风机备用。为分析GE公司的设计思路，奉贤发电公司的技术人员仔细研读了GE公司的操作维护手册，发现在相关系统的概述中也有第3台风机的描述。同时咨询了一部分采用同类型机组的燃气轮机电厂的相关人员，发现南方的几个电厂在燃气轮机运行规程中都有关于透平框架冷却风机故障的紧急应对措施。

奉贤发电公司作为一个调峰电厂，仅2台风机的设计加大了机组非计划停机的可能性，降低了机组运行的可靠性，而调峰电厂的非计划停运可能造成严重的社会影响。

3 技术重点和优化方案

3．1 技术关键点

(1)框架冷却系统本质上的问题是冷却风总容量不足。常见的优化方法:一是风机本身的扩容改造，把50%容量的风机改造成100%容量的风机;二是增加1台50%容量的风机。燃气轮机原配风机为法国Flakt公司制造的离心式风机，价格比较昂贵，但安装调试则相对简单。若对风机进行扩容改造，虽然扩容改造技术比较成熟，但原风机为进口设备，基础资料缺乏。

(2)燃气轮机的技术在相当程度上被国外制造厂商所垄断，特别在控制系统方面(Mark V)存在不少技术难点。改造后系统内风机启动控制、风机故障自动停机切换程序的修改等关键技术，需要专业技术人员进行研究。

3．2 方案选择

奉贤发电公司的技术人员仔细查阅了风机的相关资料，得到的信息相当有限，操作维护手册上的产品资料与现场设备严重不符。对原有风机进行优化设计，需加大叶轮直径和宽度、加大进风口等，以达到风机扩容改造的目的，该方案在现场实施有较大的难度。

(1)原系统2台风机安装在一个隔音罩内，布置比较紧凑。扩容改造后叶片的尺寸发生变化，势必造成风机、电动机的基础发生改变，风机隔音罩也要重新安装，这些基础的变动将带来极大的土建工程量及较长的施工周期，代价较大。

(2)风机改造需要进行优化设计，缺乏制造厂资料使风机改造缺少了很多理论数据支持，整个改造需进行多次试验，周期长、花费高。

因此，选择增加1台50%容量风机的方案。首先考虑原配flakt厂的风机，但此款风机需进口，供货周期长，价格昂贵。由风机铭牌参数可以看出，该型号风机参数属于常见参数，最终决定选择南方风机股份有限公司生产的88TK－No9A型风机。该型号风机的额定流量为4 300～10 672m3/h，风压为10189～14 704 Pa，与原配风机参数基本一致，标准工况下出口压力与流量略高于原风机。

选择在与原风机外侧平行的位置安装第3台风机，风机安装在此处不会影响将来机组的大修，也靠近原风机安装地点，给风机的选型提供了方便，基本不需要考虑风机管道的损耗，如图2所示。

从安全性、经济性方面考虑，原配风机及电动机制造商都是有一定知名度的厂家，而且根据电动机型号可知，现场电动机是LEROY SOMER公司应用于最苛刻环境下的产品。因此，在启动程序上选择第3台风机作为备用风机，并网后原2台风机任意一台出口压力低时，备用风机启动。

此外，国产风机噪声偏大，所以在该风机外加装独立的防雨隔音罩，使离心风机的噪声得到控制。

3．3 控制逻辑修改

每台燃气轮机原设计有2台TK风机(TK1，TK2)，燃气轮机点火后2台风机依次启动，一起运行，共同保证燃气轮机高温部件的冷却。每台风机出口有1个风压低开关，监视对应风机的出口风压。当2台风机同时低风压报警时，燃气轮机就要进入降负荷通道。

图2 原风机布置图及增加1台风机后的布置图

为了提高机组运行的稳定性，现给每台燃气轮机增设1台TK风机(TK3)，其控制逻辑设计为:

(1)TK3风机的控制信号由燃气轮机MarkⅤ控制系统发出，其运行反馈也送至燃气轮机MarkⅤ控制系统。

(2)TK1，TK2中任意一台风机风压低时，报警并启动第3台TK风机。风压报警消失后3 s，风机停运。

(3)TK1，TK2风机风压低且第3台TK风机未启动，燃气轮机减负荷。

3．4 具体组态配置

风机控制信号和反馈信号的接线见表1。

表1 风机控制信号和反馈信号的接线

3．4．1 逻辑组态

在文件F:UNIT1SITE．ASG中定义新的中间变量:

?VQ T4TKZ SEC64?

风机TK3的“控制信号”命名为L4TKZ3(反逻辑)，“风机运行”信号命名为 L52TK3，在文件F:UNIT1IO．ASG里定义其输入、输出通道:

修改组态文件F:UNIT1SEQ_AUX．SRC。

TK3启动程序及风机保护逻辑如图3所示，图3中信号的意义如下:

上述逻辑表示:发电机并网后任意一台风机出口压力低，则TK3延时3 s启动;TK1，TK2出口压力低(风机故障)，但TK3正常运行，则机组减负荷。

3．4．2 画面修改

在燃气轮机“UNIT CONTROL”下的“MOTORS”

图3 TK3启动程序及风机保护逻辑

画面上增加风机TK3的状态显示(排在TK1，TK2之后)，如图4所示。

图4 Mark V画面修改

3．5 动态验证

就地接线和逻辑修改完成后，接下来进行了信号传动、静态逻辑测试、动态试验等工作。

4 优化前、后效果对比及经济性分析

4．1 试运行

对系统进行改造和组态优化后，在画面强制启、停风机进行通道测试，监测风机振动情况并记录启动电流和运行电流，原风机运行参数见表2，增加风机运行参数见表3。由试运行测试结果可知，所增加风机与原风机各参数基本一致。

表2 原风机运行参数(典型工况)

4．2 运行比较试验

试运行正常后，风机正式投入使用并在机组运行时进行试验，以考察其实际使用情况。

表3 增加风机运行参数

为保证机组运行安全，在机组停机前手动关闭TK2，以试验联锁保护，若TK3自启动不成功，则进入停机程序。燃气轮机试验负荷为6W，保持该负荷15m。记录燃气轮机排气温度、轮间温度并观察燃气轮机振动。试验时严禁投IGV温控。

运行组数据见表4，对比组数据见表5。

表4 运行组数据(TK1和TK2运行)

表5 对比组数据(加装风机TK3和原风机TK1运行)

通过比较试验发现，改造的基本设想都已经得到了落实:在逻辑上任意一台风机失去，备用风机自启动;在实际出力工况下，风机启动后，燃气轮机排气温度、轮间温度都能保持稳定。

4．3 效益分析

(1)安全效益。系统优化的成果主要体现在安全上。此次系统优化改进后，能避免透平框架风机故障引起的紧急停机，大大提高了机组的安全性、可靠性。

(2)社会效益。作为调峰电厂，每次非正常停机都会带来一定的社会影响。此次系统优化改进后，可降低机组非停机概率，有利于维护社会和谐、提高企业形象。

(3)经济效益。通过系统优化改进，能有效降低机组因非正常停机导致的市调度中心考核损失和电量的损失，避免风机故障后处置不当造成的重大设备损失。

5 结论

通过试验发现，透平框架冷却系统优化后能在1台常用风机停用后迅速启动备用风机，并保持了机组轮间温度、排气温度、机组振动等基本参数不发生变化。这表明机组在风机发生故障后，整个透平框架冷却系统仍能保持正常运行，从而有效消除了风机故障造成非计划停运和事故的隐患。系统优化改造达到了预期的效果。

奉贤发电公司各专业人员也在此次优化改造的过程中努力钻研技术，更加深入了解公司的机组设备，提高了自身的专业水平，有利于今后更好地开展工作。该项目的研究对于提高同类型机组运行可靠性具有借鉴价值。