M701F3型燃氣輪機防結冰系統動作導致機組跳閘的討論

李響++廉小隗

摘 要：該文針對某電廠M701F3型燃氣輪機機組跳閘事故，論文首先探討了事故的原因，進而深入剖析了M701F3燃氣輪機防結冰系統因控制邏輯導致的隱患，給出了在特殊天氣條件下導致機組跳閘事故的解決方案。

關鍵詞：M701F3型燃氣輪機 防結冰系統 跳閘

中圖分類號：TK14 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0078-03

某電廠采用天然氣為燃料的350 MW級的燃氣-蒸汽聯合循環機組，燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機采用同軸布置，蒸汽輪機布置在燃氣輪機冷端及發電機之間。燃氣輪機選用為三菱M701F3型。該文詳述該型燃氣輪機的防結冰系統因控制邏輯存在隱患，在特殊天氣條件下導致機組跳閘事故的經過，分析討論事故發生的原因，并有針對性地提出可能性解決方案。

1 M701F3型燃氣輪機機組跳閘事故介紹

11月29日15：30因天氣原因滿足防結冰系統投入條件，防結冰系統投入運行。16：07燃氣輪機來“燃燒室壓力波動高跳機”燃氣輪機跳閘，01開關、41E滅磁開關跳閘，22：02機組重新發啟動令，22：48機組并網，30日00：06機組啟動完成，00：39值長令：防結冰系統解OFF。

2 M701F3型燃氣輪機機組跳閘事故原因分析

2.1 M701F3型燃氣輪機防結冰系統及運行方式介紹

2.1.1 M701F3型燃氣輪機防結冰系統介紹

（1）防結冰系統作用。在溫度較低（攝氏零度左右）、濕度較大時，由于空氣中水汽會處于一種冰水混合物的狀態，附著在燃氣輪機的壓氣機進口可轉導葉（IGV）上造成進口可轉導葉（IGV）結冰凍住，會使進口可轉導葉（IGV）無法正常動作而造成燃氣輪機跳閘（當IGV輸出指令和反饋值相差超過5%且超過10 s時，IGV異常保護會動作跳閘），而且進口可轉導葉（IGV）結冰后會改變葉形，改變進氣沖角，可能靠近壓氣機的喘振邊界，當然也可能造成進入的空氣流量變化。而且進口可轉導葉（IGV）上結的冰一旦脫落進入壓氣機會造成壓氣機葉片損壞，防結冰系統是從壓氣機排氣段引出一部分高壓、高溫的空氣到壓氣機入口提高入口空氣溫度從而達到防結冰作用。

（2）防結冰系統組成。整個系統由防結冰平衡閥、防結冰疏水閥、防結冰供氣閥、防結冰控制閥A和防結冰控制閥B組成，整個系統在投入自動的情況下，滿足防結冰系統的動作條件時，整個系統投入運行達到化冰的目的。具體閥門布置見圖1。

2.1.2 防結冰系統的投運

（1）防結冰系統自動啟動條件。

防結冰系統投入的邏輯條件主要受以下幾條影響。

①環境溫度與壓氣機入口溫度差在（-3 ℃～3 ℃）之間。

②防結冰保護系統投入自動。

③壓氣機入口溫度在（-1 ℃～5 ℃）之間。

④環境濕度在條件成立。

⑤邏輯條件如圖2所示。

上述條件第4點：環境濕度在條件成立邏輯判斷為，環境濕度測點測得數值大于函數Y=f（χ）計算值，邏輯條件成立。

其中X為壓氣機入口溫度，對應函數關系為：

（2）防結冰系統的投運。

當以上的邏輯條件滿足時，防結冰系統開始準備投入運行。首先在正式投入運行前，進行暖管，防結冰疏水閥門打開20 s后關閉，防結冰平衡閥打開，引入少量高壓、高溫的壓縮空氣進入防結冰管道暖管、升壓，此時當防結冰管道壓力建立完成（標準是壓氣機排氣壓力減去防結冰管道壓力小于0.05 MPa）時，暖管升壓完畢。

從防結冰平衡閥打開開始計時120 s后，防結冰管道壓力建立沒有完成，會觸發防結冰平衡壓力異常的報警。如果邏輯運行正常，在防結冰平衡閥打開180 s后，防結冰疏水閥門打開，打開10 s后關閉，當防結冰疏水閥門關閉后，防結冰供氣閥門打開，同時防結冰平衡閥關閉，開始正式進行防結冰系統的氣體供氣。此時，防結冰控制閥B/A逐漸打開，進入暖吹預熱階段；預熱階段防結冰控制閥B開度逐漸開大，防結冰控制閥A的開度相對較小在5%左右，當壓氣機入口溫度比防結冰控制閥打開前的溫度提高2 ℃或者從防結冰供氣閥打開開始計時30 min后，暖吹預熱階段結束，進入正式防結冰系統控制階段；防結冰系統正式控制階段，防結冰控制閥B逐漸到全開位置，防結冰控制閥A也逐漸開大，從而提供大量高溫（溫度為壓氣機排氣溫度）空氣進入壓力機入口起到化冰作用。防結冰系統在邏輯上最終達到效果為，壓氣機進口大于環境溫度4 ℃。

在邏輯中防結冰溫度控制A、B閥的開度（即CSO）是通過函數計算所得。輸入值是壓氣機入口溫度經過一系列運算后得出的數值，輸出值是防結冰溫度控制A、B閥的開度（即CSO）。對應函數為：

防結冰系統啟動流程如圖3所示。

2.2 防結冰系統投運與該次機組跳閘的關系

根據機組曲線歷史曲線查詢得到的數據，發現11月29日15：32：50防結冰溫度控制B閥打開，B閥全開后A閥打開至12.02%，直到15：54：30A閥繼續開大，16：07：00A閥開度到達21.38%后，機組跳閘，防結冰溫度控制A、B閥關閉。

對比11月26日防結冰系統投入時曲線發現：防結冰溫度控制A閥最大開度15.85%。

對比11月23日防結冰系統投入時曲線發現：防結冰溫度控制A閥最大開度13.48%。

通過11月3次防結冰系統投入后的數據曲線看，前兩次A閥開度最大分別為15.85%和13.48%。但29日防結冰系統預熱結束后，A閥開度一直增大，當開到21.38%時機組跳機。

根據數據判斷，此次機組跳機的原因為：因A閥開度大，防結冰系統抽汽較多，嚴重影響系統燃燒燃空比，導致燃氣輪機燃燒不穩，燃燒器壓力波動保護動作，機組跳閘。

那么為什么前兩次防結冰系統投入時A閥開度沒有持續增加，而這次卻導致跳機。

通過歷史曲線分析環境溫度和壓氣機入口溫度的歷史數據，對比觀察發現，29日當防結冰系統投入時，環境溫度4 ℃，壓氣機入口溫度4.22 ℃。防結冰系統預熱結束時，環境溫度4.01℃，壓氣機入口溫度6.22 ℃。機組跳閘前環境溫度4 ℃，壓氣機入口溫度7.26 ℃。

環境溫度溫度的變化為天氣因素，不受人為控制。當防結冰投入后，環境溫度可能有5種變化。

（1）環境溫度繼續下降，下降至-6 ℃以下，滿足防結冰系統退出條件，防結冰系統退出運行。該情況多次出現。（2）環境溫度繼續下降，但未下降至-6 ℃以下，防結冰系統長時間投運。該情況多次出現。（3）環境溫度繼續下降后，短時間內溫度回升，又滿足防結冰退出條件，防結冰系統在未暖管完成時即退出運行。該情況曾很少數出現。（4）該次情況：當防結冰系統投入后，環境溫度維持不變。（該次情況為首例）

與之前兩次防結冰系統投入時不同，此次防結冰系統投入時，環境溫度本身就在高限，并且之前防結冰系統投入后，環境溫度是持續下降的，當預熱結束后，環境溫度可以下降1 ℃～2 ℃，但此次防結冰系統投入后，環境溫度維持不變，那么根據邏輯要求，最終要使得壓氣機入口溫度大于環境溫度4 ℃，那么壓氣機入口溫度就需要維持到8 ℃，為提高壓氣機入口溫度只能持續開大A閥，當機組跳機時壓氣機入口溫度7.26 ℃，如果當時機組沒有跳機，A閥還會持續開大。所以分析發生機組跳機的主要原因是特殊的天氣條件的影響及防結冰系統邏輯設計中存在缺陷。

3 針對該次事故提出可行性解決方案

要防止類似事故的發生，就必須確保防結冰系統投入后，A閥開度不能過大，通過幾次觀察，正常時防結冰系統投入后，A閥開度通常維持在13%左右。

解決方案：參考A閥的函數圖，Y=f（x）（0

這樣既可以起到防結冰作用（環境溫度低時根據以前曲線15%開度滿足要求，環境溫度高時，如29日的情況，壓氣機入口溫度6 ℃也不可能結冰，也滿足要求），同時可以控制對燃氣輪機燃燒波動的影響（近幾年機組運行，如非燃氣輪機入口濾網差壓特別高的特殊情況，防結冰系統投入時，也未發生過跳機）。

參考文獻

[1] MHI.燃氣輪機控制系統邏輯圖——防結冰系統圖（TCS）[Z].

[2] MHI燃氣輪機運行維護手冊——防結冰系統結構及運行維護[Z].