M701 S(D A)機組空氣壓縮機喘振裕度低急降負荷的分析

林玉忠 張元華

（鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口 115007）

1 引言

鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司聯合循環機組從2009年投入運行以來，狀況良好，機組原有熱值設定為4396 kJ/m3,后期為了擴大機組熱值的范圍,對機組控制進行了改進，加入了低熱值運行模式，根據環境溫度等因素，機組的熱值運行范圍可以在3400～4396 kJ/m3之間運行，同時也可以根據高、焦爐煤氣富裕量進行調整，以達到最佳的成本及效益比。投入低熱值運行模式后，改變了原有的焦爐煤氣系統故障時引起的事故停機，而改為機組急降負荷至70MW，減少了事故停機。

2 問題起因

低熱值模式投入后，2010年10月機組多次發生“空氣壓縮機喘振裕度低急降負荷“的事件，按常規考慮，發生該事件時空氣溫度較低（約15℃左右），空氣更易于壓縮，不應該出現喘振裕度低的情況。

我們當時認為可能是控制邏輯中，空壓機喘振裕度值做的過大，導致機組剛剛進入低熱值運行模式，就發生急降負荷的情況，我們與設計人員溝通，對方設計部門反饋設定值是合理的，不予修改，我門對當時的機組工況也進行了簡單的分析，其主要因素如下：

（1）由于設備備件不及時等原因，空氣過濾器長期運行，各級過濾器差壓早已超過報警值，空氣過濾器旁路門全部開啟，入口側負壓達-4.5kPa。

(2)空氣過濾器旁路門開啟導致大量樹葉等雜物進入空氣過濾器下部空氣導流孔，雜物堵在孔板上導致差壓升高，同時空氣未經過濾直接進入將導致空氣壓縮機結垢，間接導致空氣壓縮機效率的下降。

(3)對空氣過濾器更換及內部清掃，同時加強對葉片的清洗次數。

3 問題的分析過程

喘振裕度的邏輯控制（見圖1），是低熱值運行模式的運行控制保護方式之一，其主要原理為，在低熱值運行模式下，根據空氣壓縮機的壓比來監視喘振裕度，從而避免燃機發生喘振，當燃料熱值降低后，為了達到同樣的負荷進入溫控，燃燒室的殼體壓力會隨著煤氣流量的增加而增大，導致了空氣壓縮機喘振裕度的降低，為了防止由于熱值降低而導致空氣壓縮機喘振的發生，增加了Runback（即急降負荷）功能以保護燃機的安全運行。

從機組的控制方面，通過分析邏輯找出了喘振裕度的計算方法，即通過比較空氣壓縮機開度所對應的壓縮機壓比，與燃燒室殼體壓比相比較，當空氣壓縮機壓比低于燃燒室殼體壓比時，機組就會延時600 s觸發該事件。

圖1燃機空氣壓縮機喘振裕度低邏輯圖

通過分析，我們找到了以下影響喘振裕度的因素。

（1）IGV 開度換算后的壓比函數FX1（見表1）

表1 函數F X 1設定值

從函數可知，IGV開度越大，壓縮機壓比越大，可以通過提高該設定值提高壓縮機壓比，但該值計算比較復雜需經過試驗確定。

（2）壓縮機入口空氣溫度對壓比修正函數FX2（見表2）

表2 函數F X 2設定值

從函數可知，溫度越低對壓縮機的壓比修正越大。其中15.9℃是一個分界點，溫度大于15.9℃后，大氣溫度對壓縮機壓比的修正即變為負值，即溫度升高將導致壓縮機壓比的降低。

（3）燃燒室殼體絕對壓力

（4）空氣壓縮機入口負壓

由壓縮機喘振邏輯可以看出，壓縮機入口負壓越低，燃燒室殼體壓力對應的壓縮機入口壓力的壓比越大，而空氣壓縮機的壓比不變導致喘振裕度降低。

問題1：機組正常運行的熱值范圍為4198～4650 kJ/m3,發現當熱值設定值低于4394 kJ/m3后，機組才會發生該事件，，當在非低熱值運行模式（即熱值設定為4396 kJ/m3），即使機組實際運行熱值小于4394 kJ/m3，并不發生急降負荷的事件，而在低熱值運行模式（即熱值設定小于4394 kJ/m3），當喘振裕度小于零就會觸發急降負荷

問題2：通過低熱值運行模式的多次運行觀察，發現當熱值設定小于4300 kJ/m3時負荷鎖定，進行IGV開度設定值的切換，若環境溫度大于25℃，IGV在前后開度還是100%無變化，后來偶然的機會在21℃時，觀察發現進行熱值設定后，IGV開度會從70%打開至全開，這引起了我們的思考，是否是因為在15℃左右IGV沒有全開，而導致壓縮機喘振裕度低。但是通過對邏輯前后關系的查找，IGV還沒有在設定值切換時，就已經發生了急降負荷。至此，我們找到了該問題發生的真正原因。熱值設定從4396改為4271 kJ/m3相關參數變化曲線見圖2。

如圖2，曲線左側從上至下分別為1）負荷 2）熱值設定3）IGV開度4）喘振裕度5）實時熱值 6）煤氣壓縮機出口壓力

從圖2曲線可以看出，進行熱值切換過程中，由于熱值的降低，機組會提高輸入的熱量以補償，故通過增加煤氣壓縮機VV（可變導葉）開度來增加煤氣量供給，同時煤氣壓縮機的出口煤氣壓力升高，而大量的煤氣進入燃燒室后導致燃燒室殼體壓力升高，而壓縮機入口導葉（IGV）打開的速度滯后于燃燒室殼體壓力的升高，從而導致空氣壓縮機的喘振裕度值急劇減小，待IGV全開后，喘振裕度值才提高。對以往低溫時參數的觀察，例如環境溫度低于15℃，GT IGV開度函數設定為70%，而煤氣壓縮機導葉開度較大，其出口壓力亦較高,約在 1.25～1.27 MPa，煤氣量較氣溫在25℃時增加約3萬m3（冬季約為30萬m3），故燃燒室殼體壓力亦較夏季高，正常運行時壓縮機喘振裕度值已接近0，一旦投入低熱值（即熱值設定值低于4394 kJ/m3），即馬上發生喘振裕度低急降負荷，機組還沒等進入IGV設定值的切換過程，就已經發生急降負荷。

通過上述分析，也驗證了曾經發生過一次喘振裕度低急降負荷的事件，氣溫15.7℃、熱值設定在4371kJ/m3時，機組發生了喘振，后分析發現，正是由于熱值設定在4300 kJ/m3以上時，IGV并不進行切換，當空氣過濾器差壓大或溫度低時，由于燃氣輪機排氣溫度低，機組CSO（控制信號輸出）較高，燃燒器殼體壓力較高而導致了喘振裕度低，這也驗證了熱值設定的一個死區，即4300～4394 kJ/m3，如果熱值設定在該區段，由于IGV并不進行開度的切換（從70%全開至100%），當氣溫較低、低熱值模式等條件發生時，就會導致喘振裕度的降低。

4 存在的問題

1）對于熱值設定值小于4394 kJ/m3才投入喘振裕度，我們覺得不合理，例如熱值設定值大于4394 kJ/m3，而實際運行熱值較低時，機組也會增加煤氣量，導致燃燒室殼體壓力升高，由于實際熱值與熱值設定并不完全一致，空壓機的喘振裕度也有可能到報警極限。

2）邏輯的設定為熱值設定值小于4300 kJ/m3時開始切換IGV開度，以提高喘振裕度，但為時已晚，已經觸發急降負荷。

3)喘振裕度邏輯中各函數設定值是否合理？

5 解決方法

針對第一個問題，我們認為該控制邏輯應不以熱值設定為主要因素，熱值設定低于4394 kJ/m3就投入該邏輯，熱值設定值大于4394 kJ/m3就取消，應根據實際運行熱值、壓縮機的壓比和燃氣室殼體對應壓比的差值作為主要因素。

第二個問題，通過邏輯可知為了提高空氣壓縮機的壓比，可以通過增加壓縮機入口導葉的開度和修改壓縮機葉型，另一種方法就是在低熱值模式投入時，盡快進行IGV設定值的切換，提高入口導葉的開度，提高空氣壓縮機壓比。 基于上述原則，我們提出了以下3種方法：

1）修改壓縮機入口空氣溫度對應的IGV開度設定值函數，以提高喘振裕度。

從表3可以看出，修改了在0℃以上的IGV開度，通過提高空氣壓縮機的壓比來提高喘振裕度，避免裕度低引起急降負荷，由于該方案僅需要修改壓縮機入口溫度與IGV開度的函數設定值，比較簡單，故優先選用該方案。

表3 壓縮機入口溫度與I G V開度的函數

2）現有IGV開度函數不變，及早進行IGV設定值的切換，而現有IGV設定值的切換是在熱值設定值小于4300 kJ/m3時，延時300 s后進行，如果提前切換的話，可以提高IGV切換的熱值設定值，提高至4394 kJ/m3或更高，當投入低熱值運行后，使IGV及早進行切換，開大IGV提高喘振裕度，從而防止急降負荷的發生。該方案僅需要修改IGV設定值的切換時機，簡單易行，故該方案也可以選用。

3）喘振裕度低急降負荷控制邏輯不變，但增加控制邏輯，即當發生燃機空氣壓縮機喘振裕度低報警時，立即減少10MW出力，直到確認該報警消失后再人為調整，該措施需要增加邏輯的設計并且對發電量有一定的影響，故該方案可作為機組保護的一種輔助措施。

6 結語

綜上，通過對空氣壓縮機喘振裕度低急降負荷問題的分析，找出了問題的根源，從多方面提出了解決該問題的方法，解決了長期困擾機組穩定運行的問題。由于喘振裕度邏輯中相關函數的設定值計算復雜，故未能驗證其合理性。