M701 S(D A)机组空气压缩机喘振裕度低急降负荷的分析

2013-12-06林玉忠张元华

冶金动力 2013年1期

林玉忠张元华

（鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁营口 115007）

1 引言

鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司联合循环机组从2009年投入运行以来，状况良好，机组原有热值设定为4396 kJ/m3,后期为了扩大机组热值的范围,对机组控制进行了改进，加入了低热值运行模式，根据环境温度等因素，机组的热值运行范围可以在3400～4396 kJ/m3之间运行，同时也可以根据高、焦炉煤气富裕量进行调整，以达到最佳的成本及效益比。投入低热值运行模式后，改变了原有的焦炉煤气系统故障时引起的事故停机，而改为机组急降负荷至70MW，减少了事故停机。

2 问题起因

低热值模式投入后，2010年10月机组多次发生“空气压缩机喘振裕度低急降负荷“的事件，按常规考虑，发生该事件时空气温度较低（约15℃左右），空气更易于压缩，不应该出现喘振裕度低的情况。

我们当时认为可能是控制逻辑中，空压机喘振裕度值做的过大，导致机组刚刚进入低热值运行模式，就发生急降负荷的情况，我们与设计人员沟通，对方设计部门反馈设定值是合理的，不予修改，我门对当时的机组工况也进行了简单的分析，其主要因素如下：

（1）由于设备备件不及时等原因，空气过滤器长期运行，各级过滤器差压早已超过报警值，空气过滤器旁路门全部开启，入口侧负压达-4.5kPa。

(2)空气过滤器旁路门开启导致大量树叶等杂物进入空气过滤器下部空气导流孔，杂物堵在孔板上导致差压升高，同时空气未经过滤直接进入将导致空气压缩机结垢，间接导致空气压缩机效率的下降。

(3)对空气过滤器更换及内部清扫，同时加强对叶片的清洗次数。

3 问题的分析过程

喘振裕度的逻辑控制（见图1），是低热值运行模式的运行控制保护方式之一，其主要原理为，在低热值运行模式下，根据空气压缩机的压比来监视喘振裕度，从而避免燃机发生喘振，当燃料热值降低后，为了达到同样的负荷进入温控，燃烧室的壳体压力会随着煤气流量的增加而增大，导致了空气压缩机喘振裕度的降低，为了防止由于热值降低而导致空气压缩机喘振的发生，增加了Runback（即急降负荷）功能以保护燃机的安全运行。

从机组的控制方面，通过分析逻辑找出了喘振裕度的计算方法，即通过比较空气压缩机开度所对应的压缩机压比，与燃烧室壳体压比相比较，当空气压缩机压比低于燃烧室壳体压比时，机组就会延时600 s触发该事件。

图1燃机空气压缩机喘振裕度低逻辑图

通过分析，我们找到了以下影响喘振裕度的因素。

（1）IGV 开度换算后的压比函数FX1（见表1）

表1 函数F X 1设定值

从函数可知，IGV开度越大，压缩机压比越大，可以通过提高该设定值提高压缩机压比，但该值计算比较复杂需经过试验确定。

（2）压缩机入口空气温度对压比修正函数FX2（见表2）

表2 函数F X 2设定值

从函数可知，温度越低对压缩机的压比修正越大。其中15.9℃是一个分界点，温度大于15.9℃后，大气温度对压缩机压比的修正即变为负值，即温度升高将导致压缩机压比的降低。

（3）燃烧室壳体绝对压力

（4）空气压缩机入口负压

由压缩机喘振逻辑可以看出，压缩机入口负压越低，燃烧室壳体压力对应的压缩机入口压力的压比越大，而空气压缩机的压比不变导致喘振裕度降低。

问题1：机组正常运行的热值范围为4198～4650 kJ/m3,发现当热值设定值低于4394 kJ/m3后，机组才会发生该事件，，当在非低热值运行模式（即热值设定为4396 kJ/m3），即使机组实际运行热值小于4394 kJ/m3，并不发生急降负荷的事件，而在低热值运行模式（即热值设定小于4394 kJ/m3），当喘振裕度小于零就会触发急降负荷

问题2：通过低热值运行模式的多次运行观察，发现当热值设定小于4300 kJ/m3时负荷锁定，进行IGV开度设定值的切换，若环境温度大于25℃，IGV在前后开度还是100%无变化，后来偶然的机会在21℃时，观察发现进行热值设定后，IGV开度会从70%打开至全开，这引起了我们的思考，是否是因为在15℃左右IGV没有全开，而导致压缩机喘振裕度低。但是通过对逻辑前后关系的查找，IGV还没有在设定值切换时，就已经发生了急降负荷。至此，我们找到了该问题发生的真正原因。热值设定从4396改为4271 kJ/m3相关参数变化曲线见图2。

如图2，曲线左侧从上至下分别为1）负荷 2）热值设定3）IGV开度4）喘振裕度5）实时热值 6）煤气压缩机出口压力

从图2曲线可以看出，进行热值切换过程中，由于热值的降低，机组会提高输入的热量以补偿，故通过增加煤气压缩机VV（可变导叶）开度来增加煤气量供给，同时煤气压缩机的出口煤气压力升高，而大量的煤气进入燃烧室后导致燃烧室壳体压力升高，而压缩机入口导叶（IGV）打开的速度滞后于燃烧室壳体压力的升高，从而导致空气压缩机的喘振裕度值急剧减小，待IGV全开后，喘振裕度值才提高。对以往低温时参数的观察，例如环境温度低于15℃，GT IGV开度函数设定为70%，而煤气压缩机导叶开度较大，其出口压力亦较高,约在 1.25～1.27 MPa，煤气量较气温在25℃时增加约3万m3（冬季约为30万m3），故燃烧室壳体压力亦较夏季高，正常运行时压缩机喘振裕度值已接近0，一旦投入低热值（即热值设定值低于4394 kJ/m3），即马上发生喘振裕度低急降负荷，机组还没等进入IGV设定值的切换过程，就已经发生急降负荷。

通过上述分析，也验证了曾经发生过一次喘振裕度低急降负荷的事件，气温15.7℃、热值设定在4371kJ/m3时，机组发生了喘振，后分析发现，正是由于热值设定在4300 kJ/m3以上时，IGV并不进行切换，当空气过滤器差压大或温度低时，由于燃气轮机排气温度低，机组CSO（控制信号输出）较高，燃烧器壳体压力较高而导致了喘振裕度低，这也验证了热值设定的一个死区，即4300～4394 kJ/m3，如果热值设定在该区段，由于IGV并不进行开度的切换（从70%全开至100%），当气温较低、低热值模式等条件发生时，就会导致喘振裕度的降低。

4 存在的问题

1）对于热值设定值小于4394 kJ/m3才投入喘振裕度，我们觉得不合理，例如热值设定值大于4394 kJ/m3，而实际运行热值较低时，机组也会增加煤气量，导致燃烧室壳体压力升高，由于实际热值与热值设定并不完全一致，空压机的喘振裕度也有可能到报警极限。

2）逻辑的设定为热值设定值小于4300 kJ/m3时开始切换IGV开度，以提高喘振裕度，但为时已晚，已经触发急降负荷。

3)喘振裕度逻辑中各函数设定值是否合理？

5 解决方法

针对第一个问题，我们认为该控制逻辑应不以热值设定为主要因素，热值设定低于4394 kJ/m3就投入该逻辑，热值设定值大于4394 kJ/m3就取消，应根据实际运行热值、压缩机的压比和燃气室壳体对应压比的差值作为主要因素。

第二个问题，通过逻辑可知为了提高空气压缩机的压比，可以通过增加压缩机入口导叶的开度和修改压缩机叶型，另一种方法就是在低热值模式投入时，尽快进行IGV设定值的切换，提高入口导叶的开度，提高空气压缩机压比。基于上述原则，我们提出了以下3种方法：

1）修改压缩机入口空气温度对应的IGV开度设定值函数，以提高喘振裕度。

从表3可以看出，修改了在0℃以上的IGV开度，通过提高空气压缩机的压比来提高喘振裕度，避免裕度低引起急降负荷，由于该方案仅需要修改压缩机入口温度与IGV开度的函数设定值，比较简单，故优先选用该方案。

表3 压缩机入口温度与I G V开度的函数

2）现有IGV开度函数不变，及早进行IGV设定值的切换，而现有IGV设定值的切换是在热值设定值小于4300 kJ/m3时，延时300 s后进行，如果提前切换的话，可以提高IGV切换的热值设定值，提高至4394 kJ/m3或更高，当投入低热值运行后，使IGV及早进行切换，开大IGV提高喘振裕度，从而防止急降负荷的发生。该方案仅需要修改IGV设定值的切换时机，简单易行，故该方案也可以选用。

3）喘振裕度低急降负荷控制逻辑不变，但增加控制逻辑，即当发生燃机空气压缩机喘振裕度低报警时，立即减少10MW出力，直到确认该报警消失后再人为调整，该措施需要增加逻辑的设计并且对发电量有一定的影响，故该方案可作为机组保护的一种辅助措施。