一种燃气轮机进气防冰控制系统设计

2023-01-13魏鹏鑫胡悦丰

燃气轮机技术 2022年4期

魏鹏鑫，韦炜，王巍，胡悦丰

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所燃气轮机事业部, 哈尔滨 150078)

目前，随着国内外燃气轮机技术的不断发展和各核心技术的日趋成熟，燃气轮机广泛地应用到航空、航海、电力、石油化工等各个领域。然而，在我国北方低温高湿的地区及海域，冬季燃气轮机的进气入口都会出现不同程度的结霜结冰现象，增大了进气系统的压力损失，甚至会出现燃气轮机压气机“吞冰”的现象，导致叶片及机器损坏，给燃气轮机的正常运行带来了很高的风险。GB/T 15736—2016《燃气轮机辅助设备通用技术要术》明确规定: 为了防止滤芯结冰堵塞，在低温高湿的地区应设计配套高效滤芯进气加热防冰装置[1]。

配套合理的进气防冰装置和设计安全可靠的控制逻辑是防止燃气轮机进气入口结霜结冰的根本办法。目前比较常见的防冰方式有：电加热、蒸汽(热水)加热、排气再循环加热(flue gas recirculation,FGR)和压气机的抽气加热(compressor inlet bleeds heating, CIBH)等[2]。电加热及蒸汽加热方式[3-4]原理简单，需要额外配备加热装置及系统，影响了系统布局及结构设计。排气再循环加热因排气温度较高，在安全性和可控性上存在着一定的风险。目前，国内外机组最广泛采用的还是将高压压气机中的一部分高温高压空气引入到燃气轮机的进气系统过滤器入口处，通过气气换热的方式将进气系统中的空气加热[5-7]。这种方式不需要额外增加设备，具有工程造价较低、抽气量较小等优点，但这种方式耗费一定的燃气轮机功率以及会引起透平平均排气温度的明显变化，在控制系统设计时需加以考虑。

国内外学者对引压气机热空气到进气系统的除冰方式已有大量研究。中石化塔河油田电站的Titan130索拉燃气轮机将高温高压空气引入到进气滤芯之后消音器之前，只考虑了消音器和一级可转导叶的防冰，并不能完全解决过滤器滤芯表面的防霜问题[8]。Wilcox等人认为不需要对进气滤芯进行防冰，用脉冲反冲洗就可以清除掉滤芯的结冰[9]。但由于滤芯中的冰霜一部分是由于其本身的节流降温所形成的，非常牢固地嵌在滤芯上，这种方法是不能完全清除冰霜的[10]。北京太阳宫燃气热电公司所使用的GE 9351FA燃气轮机所配套的抽气加热除冰系统，在空气湿度达到90%左右时，效果不佳，进气过滤滤芯极易出现湿堵，引起进气系统压损快速增加，造成机组被迫降负荷甚至停机[11]。

本文基于广泛应用的压气机抽气加热的防冰方式，详细地介绍了进气防冰控制系统的组成，从“防”和“除”两个层面进行分析，不仅考虑了对系统防冰，而且考虑了意外结冰后对过滤器的除冰。根据低温高湿环境的恶劣程度、进气滤芯的结冰情况以及机组运行状态，全面分析并量化总结了防冰激活条件及除冰激活条件。基于不同的激活条件，设计了防冰执行机构的动作逻辑、自动拟合输入设定值以及防冰控制阀开度控制器。结合防冰控制过程中机组可能面临的风险及故障，阐述了报警及卸负载停机的保护条件。以33 MW燃气轮机作为研究对象，进行了相关的性能测试。实践表明，该防冰系统能够稳定高效地运行，提高了进气温度，降低了进气湿度，有效地避免了进气滤芯湿堵现象的发生。

1 进气防冰系统介绍

某型燃气轮机进气系统示意图如图1所示。进气系统由过滤装置(两级滤芯)、消音器、防冰装置(防冰控制阀、喷嘴)组成。当相关的防冰条件满足时，机组自动从压气机的最后一级抽出空气(由防冰控制阀BV3进行控制)，通过防冰喷嘴注入进气口进行防冰加热。

图1 进气系统示意图

下面对图1中防冰控制系统设计需要用到的一些测量、控制装置及变量进行简要描述：TT101为外界环境温度，由安装在进气系统外部的温湿度计TT101进行测量；MT101为外界环境湿度，由安装在进气系统外部的温湿度计MT101进行测量；TE103和TE104为滤芯根部的温度，分别由滤芯根部的2只热电阻TE103、TE104测量，用于测定加热后空气到达滤芯时的温度，防止温度过高造成滤芯损坏或者影响滤芯寿命；ZC101为防冰控制阀BV3的开度指令，即控制系统的输入，用于控制和切断流向进气喷嘴的热空气流量；PDT101为一级过滤器压差变送器PDT101测量的压差，作为除冰条件压差损失的判断依据；TE201、TE202和TE203为压气机进口空气温度，由安装在压气机入口的三个热电阻TE201、TE202、TE203测量；T2min为压气机进口空气温度TE201、TE202和TE203的最小值；T7为燃气轮机排气平均温度；IMV为防冰控制器测量值，即控制系统输出，定义其为T2min与外界环境温度的差值。

IMV=T2min-TT101

(1)

ISP为防冰控制器的设定值，即控制系统输出的控制目标值，也就是在防冰控制器的作用下，随着温度的上升，IMV预期所能达到的值；ΔI为防冰控制器的控制偏差量，定义为IMV与ISP之间的差值；T2T为压气机进气温度最小值的目标值，根据ISP的定义可知T2T可以通过式(2)计算得出，该变量主要用于描述防冰系统报警及停机保护功能的条件，将在本文3.1节进行具体阐述。

T2T=ISP-TT101

(2)

防冰系统闭环控制目标为设计防冰控制阀的控制规律使系统输出IMV(压气机入口温度三个传感器测量的最小值与环境温度的差值)稳定地跟踪设定值ISP，其闭环控制流程如图2所示。

图2 防冰闭环控制系统流程图

2 防冰控制系统逻辑介绍

2.1 防冰系统的激活条件

为了全面涵盖所有激活防冰系统的条件，本文对可能存在的冰霜风险从“防”和“除”两个层面进行分析，将激活条件分为两种：条件1为基于外界空气温湿度测量值所设定的防冰激活条件；条件2为判断滤芯是否结冰、基于第一段过滤器压差值及透平平均排气温度变化速度等所设定的除冰激活条件。

2.1.1 激活条件1——防冰条件

机组在运行(机组起动/停止功能块开启或压气机转速NGG大于900 r/min)时，外界环境湿度MT101高于80%(在70%将解除激活)且外界环境温度TT101在-5 ℃和+5 ℃之间(低于-6 ℃或高于+ 6 ℃将解除激活)，机组的防冰条件被激活，如图3所示。

图3 防冰系统激活条件1逻辑图

2.1.2 激活条件2——除冰条件

外部环境温度TT101小于+10 ℃且透平平均排气温度变化率ΔT7大于2 ℃/min(延时60 s)，同时一级滤芯差压PDT101>1 kPa或者一级滤芯差压变化率ΔPDT101大于0.1 kPa/min (延时60 s)，机组的除冰条件被激活，如图4所示。

图4 防冰系统激活条件2逻辑图

2.2 防冰和除冰系统执行机构动作逻辑

当满足上述激活条件时，防冰控制系统执行机构将分别根据不同的激活条件作出以下响应。

2.2.1 满足激活条件1——防冰条件

为了尽快提高进气温度以避免结冰，防冰执行机构先用最大加热能力(防冰控制阀BV3开到最大值ZC101MAX)加热进气系统10 min，此控制过程为开环控制。考虑到高负荷下若 BV3开度过大易导致透平平均排气温度突升，所以需要根据机组所带的负荷高低来设计防冰控制阀开度的最大值ZC101MAX。本文以额定功率为33 MW的某型燃气轮机为例，设计该阶段ZC101MAX的规律为：

(3)

按照以上规律以最大加热能力进行开环控制10 min后，系统开始执行闭环控制。闭环控制的输入设定值可以根据外界环境温度进行自动计算，设计规律如表1所示。

表1 闭环控制输入设定值的计算

其中，外界环境温度在-5 ℃和+5 ℃之间所对应的输入设定值ISP和压气机进气温度目标值T2T可以通过对表1中的数据进行线性差值而得到，所拟合的曲线如图5所示。

图5 不同外界环境温度所对应的设定值

根据拟合的输入设定值，防冰阀开度控制器采用PCS7软件中PIDConL模块进行闭环控制，该模块对经典的PID算法进行了优化，能够满足更多的控制要求，其控制基本算法如式(4)所示。

(4)

式中：G为模块中的等效比例系数；TI为积分时间；TD为微分系数；D为微分系数标称化常数，PCS7软件中默认为5；s为拉普拉斯的变量符号；ER为控制器输出误差，即ΔI；MV为控制器的计算输入，即控制阀开度ZC101。

需要注意的是，在闭环调节防冰控制阀时，为了避免BV3动作过快对透平平均排气温度T7的影响而导致机组卸载停机，应适当减小比例G增益，增加积分时间TI，可以使得防冰控制更为稳定平滑。

2.2.2 满足激活条件2——除冰条件

上述的激活条件1被激活10 min之后，若控制阀BV3不在闭合位置，说明之前防冰控制阀对于防冰条件1的响应可能因各种原因未达到最佳加热效果，进气滤芯处已经结霜结冰。此时防冰控制阀不能继续按照激活条件1的响应进入到闭环控制中，而是仍然需要以最大的加热能力继续加热进气系统，以达到去除滤芯上冰霜的效果。所以在除冰条件被激活后(延时10 s)，防冰系统以最大的加热能力即BV3开度到100%持续加热进气过滤系统30 min，该阶段控制阀动作的优先级高于条件1被激活时的控制响应。

3 系统性能分析

3.1 防冰系统保护功能

防冰系统的控制效果可以依据压气机入口空气各温度传感器的测量值与图5拟合的防冰控制的进气温度目标值T2T的差值大小来评估。以下3种情况均会触发防冰系统报警条件：

(1) 防冰系统激活条件持续激活5 min后，T2T-T2AVE>1 ℃(延时5 min)。其中T2AVE为压气机进口空气温度TE201、TE202和TE203的平均值。

(2) 防冰系统未成功启动即当激活条件被激活2 min内防冰控制阀BV3的开度小于30%(延时1 min)。

(3) 加热后空气到达滤芯时的温度TE103和TE104有一个大于60 ℃(防止高温造成滤芯损坏)。

当防冰效果不佳，对机组安全运行产生影响时，会触发防冰系统卸负载停机条件：

(1) 防冰系统激活条件持续激活5 min后，测量压气机进口温度的3个传感器温度与目标温度的差值T2T-TE201>3 ℃、T2T-TE202>3 ℃、T2T-TE203>3 ℃，其中有两个不等式成立(延时5 min)。

(2) 3个测量压气机进口温度的传感器有两个及以上故障。

3.2 防冰系统应用效果

进气防冰系统于2019年11月份应用在北方某海上平台的33 MW级燃气透平机组上。当防冰条件(外界温度1.8 ℃左右，湿度81%左右)满足时，防冰阀以最大加热能力开启10 min后，防冰控制阀转入闭环控制。当外界环境(外界温度1.0 ℃左右，湿度91.7%)更为恶劣时，过滤器上仍有冰霜，激活了除冰条件。防冰阀仍继续以最大加热能力加热30 min，然后转入闭环控制。根据机组的运行记录，该系统在几个月的实践中运行稳定，在冬季低温高湿的环境下防冰及除冰效果非常明显。

另外，需要注意的是，在防冰条件被激活后，由于进气温度在防冰控制的作用下得到了提升，透平平均排气温度有可能出现小幅突升的现象，在高工况情况下甚至会达到限制保护值，导致机组卸负载。所以在高工况下运行的防冰控制系统设计还要兼顾透平平均排气温度的变化。一般在防冰系统启动后，控制系统也需要根据设计，自动合理地修改透平平均排气温度的上限值。以该机组为例，激活防冰系统的同时，机组也会同时进入极限负荷模式(该模式不同于正常模式，其排气温度限制值及计算等效工作时长的机组磨损系数都会自动增大)，这样可以有效地避免高工况下的排气温度升高所引起的载荷限制。