某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)轉(zhuǎn)速飛升過高原因分析

丁智華，丁陽俊，顧正皓

（1.杭州華電下沙熱電有限公司，杭州　310018；2．國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0　引言

甩負(fù)荷試驗(yàn)是考核機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性最直接、最常用的方法，其主要目的是檢驗(yàn)機(jī)組控制系統(tǒng)在甩負(fù)荷瞬間對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制能力。目前國內(nèi)有專門的汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)導(dǎo)則，但是關(guān)于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)的說明只作為汽輪機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)則的附錄出現(xiàn)，并且除了明確指出測(cè)功法甩負(fù)荷試驗(yàn)不適用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組外，對(duì)最高飛升轉(zhuǎn)速等具體參數(shù)沒有作詳細(xì)說明[1]。近年來，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組因其熱效率高、啟停方便、便于調(diào)峰、污染排放少等優(yōu)點(diǎn)，而被“西氣東輸”工程的下游地區(qū)廣泛采用[2-4]。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)也被廣泛關(guān)注。

通常影響汽輪機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速飛升的因素有以下幾點(diǎn)[5]：

（1）甩負(fù)荷信號(hào)判斷準(zhǔn)確與否。

（2）控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（3）各調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉時(shí)間。

（4）機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速飛升影響因素基本可以參考以上幾點(diǎn)，但是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)需要考慮壓氣機(jī)耗功、燃機(jī)做功等因素的影響，單軸布置的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，還需考慮汽輪機(jī)的耗功。某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組甩50%額定負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到3 166 r/min，以該次試驗(yàn)為例對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷過程中需要考慮的因素進(jìn)行探討。

1　機(jī)組簡介

某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為GE（美國通用電氣公司）生產(chǎn)的STAG 109FA單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，機(jī)組容量390 MW，由PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)、D10型三壓有再熱系統(tǒng)的雙缸雙流式汽輪機(jī)、390H型氫冷發(fā)電機(jī)、和三壓有再熱但帶冷凝器除氧的自然循環(huán)余熱鍋爐組成。GT（燃?xì)廨啓C(jī)）、ST（蒸汽輪機(jī)）和GEN（發(fā)電機(jī)）剛性串聯(lián)在1根長軸上，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣端輸出功率，軸配置形式為：GT—ST—GEN，轉(zhuǎn)速3 000 r/min。控制系統(tǒng)原為GE公司的MARK-VI，后升級(jí)為MARK VIE，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的主要控制功能由燃機(jī)的氣體燃料系統(tǒng)及汽輪機(jī)進(jìn)汽閥控制組成。功率輸出及轉(zhuǎn)速控制由燃料模塊的GCV2/3/4（氣體控制閥）及SRV（速比閥）進(jìn)行控制，汽輪機(jī)的進(jìn)汽控制由1組MSV（高壓主汽閥）和MCV（高壓調(diào)閥），2組RSV1/2（中壓主汽閥）和RIV1/2（中壓調(diào)閥），1個(gè)ASV（低壓進(jìn)汽門），1個(gè)ACV（低壓調(diào)節(jié)閥），以及高、中、低壓旁路閥完成控制、保護(hù)和調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)如圖1所示[6-7]。

圖1　汽輪機(jī)進(jìn)汽示意

2　甩負(fù)荷試驗(yàn)過程

某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制系統(tǒng)升級(jí)改造后進(jìn)行甩50%額定負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如下：試驗(yàn)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鉁囟葹?℃，試驗(yàn)前壓氣機(jī)排氣壓力0.88 MPa，主汽壓力6.77 MPa，再熱蒸汽壓力1.48 MPa。甩負(fù)荷倒計(jì)時(shí)到“0”時(shí)，拉開發(fā)電機(jī)出口斷路器，與電網(wǎng)脫開，以此為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，40 ms時(shí)轉(zhuǎn)速開始飛升，6.36 s達(dá)到瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速3 166 r/min，92.96 s轉(zhuǎn)速開始穩(wěn)定在3 009 r/min；80 ms時(shí)GCV2從26.6%開度打開，400 ms到最大開度70.8%，3.12 s穩(wěn)定在43.7%開度；80 ms時(shí)GCV3從35.1%開度關(guān)閉；320 ms全關(guān)；80 ms時(shí)GCV4從31.1%開度打開，280 ms到最大開度50.0%，3.14 s穩(wěn)定在26.8%開度；720 ms時(shí)IGV（進(jìn)口導(dǎo)葉）開始從45.7%開度快關(guān)，1.32 s關(guān)到43.4%；160 ms時(shí)MCV開始關(guān)閉，2.56 s全關(guān)；200 ms時(shí)RCV1/RCV2開始快關(guān)，440 ms全關(guān)；160 ms時(shí)ACV開始關(guān)閉，2.8 s全關(guān)；過程曲線如圖2和3所示，試驗(yàn)所用高速數(shù)據(jù)采集儀采樣頻率為每秒1 000次。

圖2　燃?xì)廨啓C(jī)甩50%負(fù)荷試驗(yàn)趨勢(shì)

圖3　汽輪機(jī)甩50%負(fù)荷試驗(yàn)趨勢(shì)

此次甩50%負(fù)荷試驗(yàn)瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速為3 166 r/min，雖然燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷說明中，沒有關(guān)于甩50%負(fù)荷時(shí)瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速超過多少后不能進(jìn)行下級(jí)試驗(yàn)，但是參考汽輪機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)導(dǎo)則，甩50%負(fù)荷時(shí)瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速超過105%額定轉(zhuǎn)速，需要中斷試驗(yàn)，查明原因[1]。同時(shí)該機(jī)組甩50%負(fù)荷時(shí)的瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速與同類型機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比確實(shí)偏高，如表1所示。

表1　同類型機(jī)組甩50%負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合試驗(yàn)過程和現(xiàn)場(chǎng)情況，此次甩50%負(fù)荷試驗(yàn)甩負(fù)荷信號(hào)判斷準(zhǔn)確，并網(wǎng)信號(hào)消失后，控制系統(tǒng)也能及時(shí)響應(yīng)，但是由圖2和圖3可知，甩負(fù)荷試驗(yàn)中汽輪機(jī)MCV與ACV沒有快關(guān)。根據(jù)廠家提供的熱平衡圖，在50%和100%額定負(fù)荷時(shí)，通過ASV與ACV的蒸汽流量分別只占主蒸汽流量的10.8%和15.9%，蒸汽量很有限，對(duì)轉(zhuǎn)速的影響比較小，故這里重點(diǎn)討論由于MCV沒有快關(guān)對(duì)甩負(fù)荷試驗(yàn)瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速的影響[8]。

查看該機(jī)組的甩負(fù)荷邏輯，當(dāng)發(fā)生甩負(fù)荷工況時(shí)，MCV的控制方式為調(diào)節(jié)關(guān)，按照GE維護(hù)手冊(cè) GEK99000B（Combined Stop and Control Valve）中相關(guān)說明，MCV調(diào)節(jié)關(guān)的時(shí)長小于3 s，因此MCV的關(guān)閉速度符合正常預(yù)期。根據(jù)《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗(yàn)導(dǎo)則》中的方法，采用公式（1）和帶蒸汽閥門關(guān)閉時(shí)間來估算因?yàn)镸CV調(diào)節(jié)關(guān)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響[9]。

式中：Δn為瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速飛升；n0為額定工作轉(zhuǎn)速；Ta為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；ψ為甩負(fù)荷相對(duì)值；tH1和tH2為高壓調(diào)閥關(guān)閉延遲和關(guān)閉時(shí)間；αH為高壓缸功率比例系數(shù)。

由熱平衡圖可知在50%負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)占聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷比例為46.9%，其中高壓缸占汽機(jī)負(fù)荷比例為18%，按照MCV快關(guān)和調(diào)節(jié)關(guān)對(duì)飛升轉(zhuǎn)速的影響計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　MCV關(guān)閉方式對(duì)飛升轉(zhuǎn)速影響

由表1可知，甩50%額定負(fù)荷時(shí)最高轉(zhuǎn)速M(fèi)CV調(diào)節(jié)關(guān)比快關(guān)會(huì)增加20 r/min。如果在邏輯中將甩負(fù)荷時(shí)MCV的控制方式由調(diào)節(jié)關(guān)改為快關(guān)方式，甩50%額定負(fù)荷試驗(yàn)轉(zhuǎn)速理論上可以下降20 r/min左右，約為3 146 r/min。

本次沒有進(jìn)行甩100%額定負(fù)荷試驗(yàn)，按照《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗(yàn)導(dǎo)則》中靜態(tài)預(yù)測(cè)公式估算甩100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速，如式（2）所示[9]。

式中：Tv為蒸汽容積時(shí)間常數(shù)；tI1，tL1和 tI2，tL2分別為中壓、低壓調(diào)閥關(guān)閉延遲和關(guān)閉時(shí)間；αI，αL分別為中、低壓缸功率比例系數(shù)。

通過式（2）可以理論估算出該機(jī)組在甩100%額定負(fù)荷時(shí)瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速為3 252 r/min，但實(shí)際由于單軸布置的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算要考慮壓氣機(jī)耗功、汽輪機(jī)耗功、燃機(jī)做功因素的影響[10]，而壓氣機(jī)耗功是與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系的，所以甩100%負(fù)荷時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)更大，而且在100%額定負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)占聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷比例為35.5%，比50%額定負(fù)荷時(shí)要小。故甩100%負(fù)荷實(shí)際轉(zhuǎn)速一般比按照《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗(yàn)導(dǎo)則》中甩50%負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算出的甩100%負(fù)荷轉(zhuǎn)速低。由此可以推測(cè)該機(jī)組即使在冬季甩100%額定負(fù)荷，MCV仍是關(guān)閉的情況下，瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速也不會(huì)超過3 300 r/min。

另外，由表1中JB發(fā)電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)和CX發(fā)電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以觀察到，同樣的機(jī)組在夏季甩負(fù)荷瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速比在冬季甩負(fù)荷低，這是因?yàn)橄募敬髿鉁囟雀撸諝饷芏刃。諝獗热荽?，不易被壓縮，在甩負(fù)荷瞬時(shí)壓縮機(jī)耗功比冬季多[11-13]。該機(jī)組2006年調(diào)試期間在夏季（當(dāng)天大氣溫度23℃）甩50%額定負(fù)荷瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速為3 147 r/min，同一天甩100%額定負(fù)荷轉(zhuǎn)速為3 192 r/min。故該機(jī)組如果要進(jìn)行下一級(jí)甩100%額定負(fù)荷，為了使試驗(yàn)過程更加安全可控，可以安排在夏季進(jìn)行試驗(yàn)，以確保瞬時(shí)最高轉(zhuǎn)速不超過3 300 r/min，不觸發(fā)超速保護(hù)動(dòng)作。

4　結(jié)語

高壓調(diào)閥沒有快關(guān)，是造成機(jī)組甩50%額定負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速飛升過高的直接原因。但是通過這次試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，只要閥門調(diào)節(jié)關(guān)的時(shí)間符合GE標(biāo)準(zhǔn)，單軸布置燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)即使高壓調(diào)閥沒有快關(guān)，轉(zhuǎn)子飛升轉(zhuǎn)速也很難超過3 300 r/min。另外，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子尤其是單軸布置聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算存在很多困難，需要考慮壓氣機(jī)耗功、燃機(jī)做功、汽輪機(jī)耗功，甚至還受試驗(yàn)時(shí)的大氣溫度的影響，因此實(shí)際計(jì)算時(shí)一定要考慮全面，防止疏漏。