9E燃气轮机油改气后提升主、备温控线的探讨与研究

深能安所固（加纳）电力有限公司 刘 伟

1 引言

非洲加纳某电厂二期项目第二套机组由一台PG9171E燃气轮机采用先进热通道AGP，燃烧室均为标准型燃烧室，该燃气轮机是国内月亮湾电厂搬迁时进行了大修，更换了先进热通道AGP，搬至加纳后使用气体燃料安装调试，但因缺少气体燃料，在对该燃气轮机双燃料改造时，前后进行了数次烧油和烧气切换，其中烧油运行2889h，烧天然气运行9815.6h，液体燃料全部使用轻质原油，未使用过重油。

目前，因加纳地区天然气供应稳定，且该燃气轮机全部使用轻质原油，较重油油质较好，液体燃料使用时间较短，对热通道部件影响较重油小很多。公司已计划更换该燃气轮机热通道部件以恢复天然气温控线，提高该燃气轮机平均排气温度TTXM，在热通道部件已确定采购的基础上，将该燃气轮机目前使用的双燃料温控线的平均排气温度TTXM提高13℃，且分步实施，第一次提高5℃，经过燃烧部件抽验检查无异常后，第二次再提高8℃，即为机组平均排气温度TTXM由目前运行时548℃，提升至561℃运行（对应环境温度31.2℃），以提高机组经济性。

2 温控基准TTRX概况

燃气轮机温控基准TTRX是Mark VIe控制系统为保证燃气轮机在满负荷运行时火焰中心温度不超温而设计，通过控制燃气轮机平均排气温度来控制火焰中心温度而设定的曲线。根据温控线，调节燃气轮机平均排气温度不超温，从而保证了燃气轮机火焰中心温度不超温。

为确保燃气轮机平均排气温度TTXM不超温，Mark VIe控制系统分别设有主温控线、备用温控线来保证机组不超温。当燃气轮机运行的某个工况时对应的CPD、FSR值，根据主温控线、备用温控线分别计算出主温控基准TTRXP、备用温控基准TTRXS，再与等温线TTK_I三者选取最低值。这样既避免了燃气轮机低负荷区限定平均排气温度不超过等温线TTK_I的值，又能在CPD出现故障后及时启用备用温控基准TTRXS，从而造成燃气轮机平均排气温度超温。

3 温控基准TTRX算法

温控基准是在主温控基准TTRXP、备用温控基准TTRXS、等温线TTK_I三个值当中选取最低值为TTR_MIN后，作为基准温度TTRX的值。

3.1 主温控基准TTRXP

主温控基准是一个一次函数，其中两个变量为压气机压力CPD和主温控基准TTRXP。即为燃气轮机运行时不同工况下对应的CPD，也就对应不同的主温控基准TTRXP。

TTK_C主温控基准线拐点为108.6135，单位为psi；TTK_S主温控基准线斜率为1.8614，单位为℉/psi；TTK_I温控基准等温线为1100，单位为℉；KTCDG压气机出口温度增益常数为0，单位为n/d；KTCD0压气机出口温度偏移修正为0，单位为℉；TTRXDSP温控基准辅助修正为0，单位为℉；WQKJO蒸汽注入流量主温控制补偿为0，单位为Ibm/s；WQKJG蒸汽注入流量主温控制补偿增益为0，单位为Ibm/s。

Mark VIe控制系统所给出主温控基准TTRXP使用计算模型“TTRXV5”[1]，如图1得出公式：

图1 TTRX计算模型

TTRXP=（TCD-KTCDO）×KTCDG-{TTK_S[8]×（CPD-TTK_C[8]）＋ TTRXDSP}＋ TTK_I[8]＋WQJG

燃气轮机气体燃料运行L83JD0为1，对应拐点TTK_C数组中数值为108.6135psi，对应斜率TTK_S数组中数值为1.8614℉/psi，对应等温线TTK_I数组中数值为1100℉。

之前注水降低氮氧化物对排气温度的影响，所以设定了WQJG来修正温控基准。目前，均使用低氮燃烧器。在本系统中TTRXDSP、TCD、KTCDO、KTCDG、WQJG值均为0，最终得出：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-108.6135）

3.2 备用温控基准TTRXS

TTK_K备用温控基准线拐点为31.918，单位为%；TTK_M备用控基准线斜率为3.6842，单位为℉/%；TTK_I温控基准等温线为1100，单位为℉。

备用温控基准TTRXS是一个一次函数，其中两个变量分别为燃料冲程基准FSR和备用温控基准TTRXS。即为燃气轮机运行时不同工况下对应的FSR，也就对应不同的备用温控基准TTRXS。

Mark VIe控制系统所给出备用控基准TTRXS使用计算模型“TTRXV5”，如图1得出公式：

TTRXS=（TCD-KTCDO）×KTCDG-{TTK_M[8]×（FSR-TTK_K[8]） ＋TTRXDSP}＋TTK_I[8]＋WQJG

燃气轮机气体燃料运行L83JD0为1，备用控基准拐点TTK_K为31.918%，备用控基准线斜率TTK_M为3.6842℉/%，带入数据最终得出备用温控基准TTRXS：

TTRXS=1100-3.6842×（FSR-31.918）

3.3 最小选择模块

KTCIO温度偏置常数为2048，单位为℉；KTCIG压气机进口温度增益常数为0，单位为℉；TTAMBREF环境温度参考，单位为℉；TTRMAX温控选择最大限定常数为2048，单位为℉。

如图2所示，根据温控基准最小选择值TTR_MIN计算模型，需要在TTRXS、TTRXP、TTAMBREF、TTRMAX四个变量中选取最小值，所以实际燃气轮机运行根据各种工况时FSR、CPD值的不同，而选择计算出TTRXP、TTRXS、TTK_I中最小值。

图2 TTR_MIN计算模型

3.4 基准温度TTRX变化率限定

KRXR1温控基准最大变化率为1.5，单位为℉/s；KRXR2温控基准最小变化率为-1，单位为℉/s；KRXTOL温控基准完成变化常数为2，单位为℉。

在燃气轮机负荷大幅波动时，选择后的温控基准最小选择值TTR_MIN也会大幅波动，为了提高燃气轮机燃机火焰稳定性，温控基准最小选择值TTR_MIN会进入一个速率限定模块，如图3所示，该值将以降速率1℉/s，升速率1.5℉/s变化，最终输出温控基准TTRX。

图3 温控基准TTRX升降速率限定

燃气轮机大部分工况下，备用温控基准TTRXS值都紧跟主温控基准TTRXP值，两者相差值约30℉。一旦出现TTRXP大于TTRXS时，Mark VIe控制系统会发L60TRF“BACKUP TEMPERATURE REFERENCE ACTIVE”报警。备用温控基准TTRXS是为保证CPD故障时计算出的主温控基准TTRXP值会突升，此时通过温控基准最小选择值TTR_MIN会选择备用温控线TTRXP，从而避免燃气轮机平均排气温度TTXM超温。

综上所述，一是燃气轮机低负荷时CPD、FSR均较小，计算出TTRXP、TTRXS都大于等温线TTK_I，得出：

TTRX=1100（TTK_I＜TTRXP且TTK_I＜TTRXS）

二是燃气轮机逐渐升高负荷时CPD、FSR也随之升高，计算出TTRXP、TTRXS开始减小。当CPD升高至主温控线拐点108.6135PSI时，此时计算出主温控基准TTRXP正好等于等温线TTK_I，之后随着负荷的升高，CPD也逐渐增大而主温控基准TTRXP进一步减小，通过温控基准最小选择值TTR_MIN选择后温控基准TTRX实际为主温控基准TTRXP，得出：

TTRX=TTRXP=1100-1.8614×（CPD-108.6135）（TTRXP＜TTRXS且TTRXP＜TTK_I）

三是燃气轮机CPD出现故障时，主温控基准TTRXP会突然升高，计算出值将大于等温线TTK_I。但由于备用温控基准TTRXS紧跟主温控基准TTRXP，此时备用温控基准TTRXS立即投入，保证燃气轮机排气不超温，得出：

TTRX=TTRXS=1100-3.6842×（FSR-31.918）（TTRXS＜TTRXP且TTRXS＜TTK_I）

4 温控基准TTRX对温控燃料冲程基准FSRT影响

TTXM燃气轮机平均排气温度，单位℉；FSKTG排气温控控制增益为0.2，单位%/℉；TTRXB温控基准TTRX引入值，单位℉。

根据Mark VIe控制系统给出的计算模型“FSRTV3”如图4所示，温控燃料冲程基准FSRT的算法：

图4 温控燃料冲程基准FSRt

FSRT=（TTRX-TTXM）×FSKTG＋FSRTtc

带入数据得出：

FSRT=（TTRX-TTXM）×0.2＋FSRTtc

由此看出，温控基准TTRX的大小将直接影响FSRT的大小，而燃气轮机在带基本负荷温控模式下，FSR的值则等于FSRT值。由此可知，想要提升燃气轮机基本负荷时平均排气温度TTXM，可通过提高温控基准TTRX的值，达到提高燃气轮机平均排气温度TTXM的目的。

5 平均排气温度TTXM提升5℃的具体操作及运行后火焰筒抽检

将主温控线拐点TTK_C由108.6135PSI修改为114.8619PSI，并将备用温度线拐点TTK_K由31.918%修改为35.808%。修改前主、备用温控线：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-108.6135）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-31.918）

修改后主、备用温控线：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-114.8619）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-35.808）

完成上述修改燃气轮机带基本负荷进入温控后，压气机出口压力CPD由152.1PSI提升至155.9PSI，FSR由46.1%提升至46.6%。主温控基准TTRXP提升至1019.803℉，备用温控基准TTRXS提升至1048.177℉。燃气轮机平均排气温度由548℃提升至553℃，提升了5℃。燃气轮机基本功率由105.43MW提升至106.9MW，提升了1.5MW。

检修部于提升温度后运行约550h后，抽检火焰筒和检查透平一级喷嘴和一级动叶，其中抽检两个火焰筒（4号火焰筒和11号火焰筒），检查一级喷嘴、一级动叶、一级喷嘴叶根和叶顶后无肉眼可见裂纹，触摸表明无明显点。一级动叶表面有水洗后残留积垢，无肉眼可见裂纹，状态正常。检查三级喷嘴、三级动叶无肉眼可见裂纹，触摸无明显点坑，表面都有水洗后残留积垢，状态正常。检查二级喷嘴和二级动叶，使用孔探仪因孔探仪不清晰，无清晰照片，所以无法根据孔探仪检查判断二级喷嘴和二级动叶叶片状态，但是根据一级喷嘴、一级动叶、三级喷嘴和三级动叶的检查结果，可推测出二级动叶和二级喷嘴状态正常。

综上所述，根据本次检查结果可知，燃气轮机透平热部件状态正常。燃气轮机平均排气温度在已经提升5℃的基础上可进一步提升，可以继续提高8℃。

6 平均排气温度TTXM提升8℃的具体操作及火焰筒抽检

将主温控线拐点TTK_C由114.8619修改为124.9PSI，并将备用温度线拐点TTK_K由35.808%修改为40.86%。

修改前主、备用温控线：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-114.8619）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-35.808）

修改后主、备用温控线：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-124.9）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-40.86）

完成上述修改后，燃气轮机带基本负荷进入温控后，压气机出口压力CPD由155.9PSI提升至156.6PSI，FSR由46.6%提升至48.9%。主温控基准TTRXP提升至1040.738℉，备用温控基准TTRXS提升至1070.156℉。燃气轮机平均排气温度由553℃提升至561℃，再提升了8℃。燃气轮机基本功率由106.9MW提升至108.9MW，提升了2MW。

检修部于提升温度后运行了约1699.6h后，抽检#11号火焰筒表面状态良好，无涂层脱落、裂纹及明显磨损现象，过渡段方形出口边缘出现一块涂层轻微鼓包现象，燃料喷嘴喷口有轻微积碳现象，无明显磨损，联焰管弹簧插片有轻微磨损，状态正常。一级喷嘴叶根和叶顶应力集中处有肉眼可见裂纹（高温运行后的正常现象），但无交叉裂纹。其他部位无肉眼可见裂纹，触摸无明显点坑，状态正常。一级动叶表面有水洗后残留积垢，无肉眼可见裂纹，状态正常。检查三级喷嘴、三级动叶无肉眼可见裂纹，触摸无明显点坑，表面都有水洗后残留积垢，状态正常。使用孔探仪因孔探仪不清晰，无清晰照片，所以无法根据孔探仪检查判断二级喷嘴和二级动叶叶片状态，但是根据一级喷嘴、一级动叶、三级喷嘴和三级动叶的检查结果，可推测出二级动叶和二级喷嘴状态正常。

综上所述，根据本次检查结果可知，透平热部件状态均正常，可以继续维持该参数运行。

7 修改后出力及效率比较

结合两次提升温控线后来看，从表1可以看出，燃气轮机基本负荷由105.43MW增加至108.96MW，增加了3.53MW；联合循环出力由163.06MW增加至169.67MW，增加了6.6MW。联合循环基本负荷增长量为4.05%。联合循环能耗由243.02g/kWh降低至238.61g/kWh，能耗减少了4.41g/kWh，联合循环能耗降低1.81%。

表1 修改参数前后数据对比

综上，燃气轮机通过提升温控线来提高燃气轮机平均排气温度，提高机组出力和提高机组效率及降低能耗，并且取得了较大的经济效益。项目实施以来，通过严密监视燃气轮机运行参数，尤其要注意燃气轮机三个排气分散度TTXSP1/TTXSP2/TTXSP3。加强定期抽检，包括孔探检查以及热通道部件火焰筒、过渡段、喷嘴的检查均未发现异常，且燃气轮机热通道部件运行状况良好，燃气轮机各参数稳定风险可控。

经统计项目实施后，从2021年2月18日至2021年12月31日，燃气轮机共运行5595h，联合循环多发电量3600万kWh，期间多盈利390万美元（1美元约合7.293人民币）。由于燃气平均排气温度提高，机组效率得以提高，从2021年3月1日至2021年12月31日，联合循序机组发电9.11亿kWh，节省天然气10.87万MMBtu，少支出燃料费76万美元。截至2021年12月31日，上述两项已产生直接经济效益合计466万美元。

8 结语

温控基准是燃气轮机控制重要的组成部分，分析掌握温控基准a算法，能帮助相关人员进一步了解燃气轮机是如何进行平均排气温度控制。PG9171E燃气轮机恢复使用天然气后，通过逐步提升温控线，定期抽检燃烧部件的方式，降本增效，同时也为国内油改气机组提高负荷提供一条新的思路。