某燃气轮机电厂余热利用系统风机故障模拟分析

柳玉宾，杨波，苗森，陈耀斌，孔飞

（1.中国华电集团科学技术研究总院有限公司，北京 100160；2.华电（北京）热电有限公司，北京 100160；3.上海华电闵行能源有限公司，上海 201100）

某燃气轮机电厂余热利用系统风机故障模拟分析

柳玉宾1，杨波2，苗森3，陈耀斌1，孔飞1

（1.中国华电集团科学技术研究总院有限公司，北京 100160；2.华电（北京）热电有限公司，北京 100160；3.上海华电闵行能源有限公司，上海 201100）

余热利用系统风机故障时，烟气无法通过正常系统排出，需要迅速打开余热锅炉烟囱挡板，可能导致烟气排出异常，燃气轮机出口背压会有一定的变化，进而触发燃气轮机背压保护。在建立物理模型和数学模型的基础上，对风机全故障、半故障、单机故障3种工况进行了评估，指出单机故障时对整个系统的影响较小，余热锅炉烟囱隔板在15s内打开，能够基本保证燃气轮机出口背压正常。

燃气轮机；余热利用；烟气挡板；风机故障；背压

1 系统概述

某烟气余热深度利用项目是在余热锅炉之后设置余热塔，利用余热锅炉尾部排出烟气的余热进行深度换热（即进一步降低常规余热锅炉的排烟温度，从89℃左右降到33℃），并通过中间介质（中介水）置换出烟气的低温余热；同时，采用吸收式热泵技术吸收中间介质的热量，将其转化为低温热水，通过蒸汽在尖峰热网加热器中进一步将热网水加热到130℃左右［1］。

余热利用系统如图1所示，系统引风采用4路风机并联的方案。余热利用系统正常工作时，余热锅炉烟囱中的烟气挡板关闭，余热锅炉烟气不经过余热锅炉烟囱排出，而是在风机的抽吸下进入余热利用系统；烟气经过余热利用系统的烟气换热器之后，在引风机作用下进入余热锅炉烟囱挡板上方并排空。余热利用系统故障时，烟气无法通过正常系统排出，需要同时打开余热锅炉烟囱挡板，挡板打开需要一定时间，这段时间内烟气排出异常，燃气轮机出口背压会有相应变化，进而影响燃气轮机正常运行，可能触发燃气轮机背压保护。本文旨在评估余热利用系统引风机故障及余热锅炉烟囱挡板未完全打开情况下，对燃气轮机背压的影响。

2 物理模型

为描述故障对背压的影响，计算中所采用的系统如图2所示。考虑的区域分为烟道1、烟道2和余热利用系统等3个子区域，在余热利用系统实现了从余热锅炉烟囱入口到余热利用系统风机入口的压降和温降。

烟道1的体积V1为3 556.5m3，该子区域入口处燃气的流量、压力和温度用qm1in，p1in，T1in来表示，其出口为余热锅炉的入口，此处的流量、压力和温度用qm1out，p1out，T1out来表示。正常工作时，qm1out＝qm1in；故障时，由于燃气轮机的静叶喷嘴存在喉部，因此假定燃气轮机出口流量保持不变，即qm1in＝525.41kg/s，但此时该区域qm1out＜qm1in，从而导致该区域背压增加［2］。由此可见，要评估对背压的影响，关键是确定故障情况下该区域的qm1out；同时，忽略烟道1区域的流动损失和热损失，从而假定该区域入口压力、温度和出口压力和温度相等，即p1in＝p1out，T1in＝T1out。因此，该区域的压力p1＝p1in＝p1out，而在整个故障期间，T1＝T1in＝T1out＝809.65K。

图1 余热利用系统示意

烟道2的体积V2为7703.5m3，此处的流量、压力和温度用qm2in，p2in，T2in来表示，其出口处为余热锅炉烟囱，用qm21out，p21out，T21out来表示，余热利用系统入口处的流量、压力和温度用qm22out，p22out，T22out来表示。忽略该区域的流动损失，从而假定p2in＝p21out＝p22out，T2in＝T21out＝T22out。正常工作时，qm22out＝qm2in，qm21out＝0；故障时，qm22out＝αqm2in（0≤α＜1），qm21out＝0。

烟道3的体积V3为4 605.0m3，用qm3in，p3in，T3in来表示，其出口处用qm3out，p3out，T3out来表示。假定p3in＝p3out，T3in＝T3out。正常工作时qm3out＝qm3in，而故障时qm3out＜qm3in。

正常工作时，余热锅炉的压降Δp12＝p1-p2＝3.45 kPa，温降ΔT12＝T1-T2＝446.5K。故障时，由于烟道2的压力发生变化，导致余热锅炉的压降和温降也会发生变化。

在余热利用系统，实现了从余热锅炉系统出口到余热利用系统出口（即余热利用系统风机入口）的所有压降和温降。正常工作时，根据所选用风机的参数，余热利用系统的压降Δp23＝p22out-p3out＝923.63Pa，温降ΔT23＝T2-T3＝40K；故障时，由于余热利用系统出口段压力的变化，会导致余热利用系统的压降、温降和流量发生变化。

3 数学模型

根据上节建立的物理模型，烟道1流入的流量在故障期间不变，取燃气轮机运行的额定值，即qm1in＝525.41 kg/s；同时，假定烟道1的温度为燃气轮机的排烟温度，即T1＝T1in＝T1our＝809.65K。对烟道1而言，故障期间需要确定的参数是qm1out（t）和压力p1（t）＝p1in（t）＝p1out（t），同时还已知qm1out（0）＝qm1in（0）＝525.41kg/s，p1（0）＝p1in（0）＝p1out（0）＝105.59kPa。

任意时刻烟道1的体积V1、燃气压力p1、燃气质量m1和燃气温度T1满足如下关系式［3］

式中：R为燃气通用气体常数，R＝277.13 J/（kg·K）。

烟道中燃气的质量为m1，则

要获得故障时的背压p1，关键是获得烟道1中燃气的质量，其取决于燃气在余热锅炉中的压降Δp12。烟道1的流出流量与余热锅炉压降之间的关系如下［4］

假定故障期间余热锅炉的温降不变，则故障期间烟道2的温度T2＝T2in＝T2out＝T22out＝363.15 K。烟道2的压力p2为

其中，m2为t时刻烟道2中的燃气质量，则

可见，基于以上关系式确定背压p1随时间的变化流程为：由式（6）获得m2，由式（5）得到p2，由Δp12＝p1-p2得到Δp12，由式（3）获得qm1out，由式（2）获得m1，由式（1）获得p1，从而得到背压p1随时间的变化规律。因此，关键是如何获得m2，而获得m2的关键是确定qm22out，其取决于余热利用系统的后端，即烟道3的压力和流出量。为此，需要建立烟道3的燃气质量、压力、温度和流出量随时间的变化关系。

图2 物理模型

由于余热利用系统中燃气静压和静温变化范围不大，所以不考虑其对燃气密度所产生的影响。在余热利用系统中，燃气的流量取决于其入口和出口的压力差，即

式中：C3为余热利用系统的阻力系数，正常工作时Δp23＝923.6Pa，qm3in＝525.41 kg/s，所以可以标定出该阻力系数C3＝1.76。

烟道3中的烟气质量m3满足下式

同时，烟道3中的烟气质量、烟气温度和压力又满足下式

由于不考虑烟道3中的流动阻力，此处p3＝p3out＝p3in；同时，由于不考虑烟道3中的热力损失，此处T3＝T3out＝T3in。

正常工作时qm3out＝qm3in，燃气能够从余热利用系统正常排出。而故障时，qm3out＜qm3in，烟道3中的烟气质量会随时间而增加，从而导致烟道3中的压力增加，进而导致烟道3的流入量减少。烟道3的流入量减少，又会导致烟道2的流出量减少，从而导致烟道2的燃气质量增加，进而燃气压力增加。烟道2烟气压力增加，会减少烟道1与烟道2的压降，从而减少烟道1的流出量。烟道1的流出量减少，会导致烟道1燃气质量增加，进而导致烟道1的压力增加，即引起燃气轮机背压变化。

燃气轮机正常工作状态选取100%负荷，工作参数见表1。

4 故障描述

余热利用系统引风采用4台风机并联方式，故障时风机的出风量会发生变化，从而导致燃气轮机背压发生变化。在本计算中，设定3种引风机故障模式，即半故障模式、全故障模式和单机故障模式。半故障模式时，4台引风机中有2台发生故障，瞬时失去流量；全故障模式时，4台引风机同时瞬时失去流量；而在单机故障模式时，只有1台风机瞬时失去流量。烟囱挡板打开时间是15 s，即其开度在15 s内由0线性变化为1。需要模拟各故障模式下，余热锅炉烟囱在15 s内完全打开时燃气轮机出口背压随时间的变化情况。

表1 正常状态下燃气轮机工作参数

5 计算结果

5.1 引风机半故障工况

余热系统故障时，4台引风机中有2台瞬时失去流量，另外2台正常工作；同时，余热锅炉烟囱挡板在15 s内开度由0线性增加至1，即全开。

故障发生时刻为0，燃气轮机背压随时间的变化如图3a所示：燃气轮机出口背压迅速增加，很快超过燃气轮机出口背压上限值（t＝1.12 s），直到余热锅炉烟囱挡板接近全开时（t＝12.88 s），才又回到燃气轮机出口背压上限值以下。燃气轮机出口背压变化见表2。可以看出：余热锅炉烟囱隔板快速打开，能够减小背压增加的幅度和超限时间；而余热锅炉烟囱隔板打开的15 s内，不能消除背压超限问题。

图3 引风机故障时燃气轮机出口背压随时间的变化

表2 引风机各故障工况下的背压 kPa

5.2 引风机全故障工况

余热系统故障时，4台引风机瞬时失去流量；同时，余热锅炉烟囱挡板门开始逐步开启，15 s内开度由0线性增加至1，即全开。

燃气轮机背压随时间的变化如图3所示：燃气轮机出口背压迅速增加，很快超过燃气轮机出口背压上限值（t＝0.62 s），直到接近46 s时，才又回到燃气轮机出口背压上限值以下，但在模拟的时间段内，燃气轮机出口背压没有恢复到正常值以下。燃气轮机出口背压变化见表2。

余热锅炉烟囱隔板快速打开，对大幅值和长时间超过背压限值没有本质性的改善。即使余热锅炉烟囱打开得更为迅速，但相比半故障工况，全故障工况下仍会导致燃气轮机出口背压增加得更快、更大，持续的时间也更长，恢复到正常值也更慢。

5.3 引风机单机故障工况

余热系统故障时，4台引风机中有1台瞬时失去流量，另外3台正常工作；同时，余热锅炉烟囱挡板门开始逐步开启，15 s内开度由0线性增加至1，即全开。

燃气轮机背压随时间的变化如图3c所示：燃气轮机出口背压随时间增加，在t＝3.07 s时超过燃气轮机出口背压上限值，在t＝4.47 s时又回到燃气轮机出口背压上限值以下；最大超限值出现在3.77 s，为107.20 kPa，超过上限值0.06%，基本能够保证燃气轮机出口背压正常。

与半故障和全故障状态相比，单机故障的影响显著减小。由于既有余热利用系统的引风作用，又有余热锅炉烟囱的排烟作用，所以最终系统达到稳定时，燃气轮机出口压力低于正常工作值。

6 结论

本文模拟了引风机半故障模式、全故障模式和单机故障模式下，余热锅炉烟囱在15 s内完全打开，燃气轮机出口背压随时间的变化。结果表明，对于半故障工况和全故障工况，余热锅炉烟囱隔板在15 s内打开，仅仅是减小超压的幅度和时长，但对改善和消除燃气轮机出口背压超限没有实质意义，燃气轮机会由于背压保护条件触发而跳闸；与半故障和全故障工况相比，单机故障工况的影响显著减小，余热锅炉烟囱隔板在15 s内打开，能够基本保证燃气轮机出口背压正常。

［1］赵钦新，王宇峰，王学斌，等.我国余热利用现状与技术进展［J］.工业锅炉，2009（5）：8-15.

［2］杨勇平，黄圣伟，徐钢，等.电站锅炉烟气余热利用系统的热力学分析和优化［J］.华北电力大学学报（自然科学版），2014，41（1）：78-83.

［3］黄新元，王立平.火力发电厂低压省煤器系统最优设计的通用数学模型［J］.站系统工程，1999，15（5）：20-25.

［4］李红华.提高对多种品位能量利用的认识，促进能量高效利用［J］.节能，2007，26（1）14-16.

（本文责编：刘芳）

TM 611.24

A

1674-1951（2016）11-0072-04

柳玉宾（1982—），男，河北石家庄人，工程师，从事火力发电节能、分布式能源、智能控制等方面的研究（E-mail：cnbjliuyubin＠163.com）。

2016-07-26；

2016-10-17