一種燃氣輪機進氣防冰控制系統設計

魏鵬鑫， 韋 煒， 王 巍， 胡悅豐

(中國船舶集團有限公司第七〇三研究所 燃氣輪機事業部, 哈爾濱 150078)

目前，隨著國內外燃氣輪機技術的不斷發展和各核心技術的日趨成熟，燃氣輪機廣泛地應用到航空、航海、電力、石油化工等各個領域。然而，在我國北方低溫高濕的地區及海域，冬季燃氣輪機的進氣入口都會出現不同程度的結霜結冰現象，增大了進氣系統的壓力損失，甚至會出現燃氣輪機壓氣機“吞冰”的現象，導致葉片及機器損壞，給燃氣輪機的正常運行帶來了很高的風險。GB/T 15736—2016《燃氣輪機輔助設備通用技術要術》明確規定: 為了防止濾芯結冰堵塞，在低溫高濕的地區應設計配套高效濾芯進氣加熱防冰裝置[1]。

配套合理的進氣防冰裝置和設計安全可靠的控制邏輯是防止燃氣輪機進氣入口結霜結冰的根本辦法。目前比較常見的防冰方式有：電加熱、蒸汽(熱水)加熱、排氣再循環加熱(flue gas recirculation,FGR)和壓氣機的抽氣加熱(compressor inlet bleeds heating, CIBH)等[2]。電加熱及蒸汽加熱方式[3-4]原理簡單，需要額外配備加熱裝置及系統，影響了系統布局及結構設計。排氣再循環加熱因排氣溫度較高，在安全性和可控性上存在著一定的風險。目前，國內外機組最廣泛采用的還是將高壓壓氣機中的一部分高溫高壓空氣引入到燃氣輪機的進氣系統過濾器入口處，通過氣氣換熱的方式將進氣系統中的空氣加熱[5-7]。這種方式不需要額外增加設備，具有工程造價較低、抽氣量較小等優點，但這種方式耗費一定的燃氣輪機功率以及會引起透平平均排氣溫度的明顯變化，在控制系統設計時需加以考慮。

國內外學者對引壓氣機熱空氣到進氣系統的除冰方式已有大量研究。中石化塔河油田電站的Titan130索拉燃氣輪機將高溫高壓空氣引入到進氣濾芯之后消音器之前，只考慮了消音器和一級可轉導葉的防冰，并不能完全解決過濾器濾芯表面的防霜問題[8]。Wilcox等人認為不需要對進氣濾芯進行防冰，用脈沖反沖洗就可以清除掉濾芯的結冰[9]。但由于濾芯中的冰霜一部分是由于其本身的節流降溫所形成的，非常牢固地嵌在濾芯上，這種方法是不能完全清除冰霜的[10]。北京太陽宮燃氣熱電公司所使用的GE 9351FA燃氣輪機所配套的抽氣加熱除冰系統，在空氣濕度達到90%左右時，效果不佳，進氣過濾濾芯極易出現濕堵，引起進氣系統壓損快速增加，造成機組被迫降負荷甚至停機[11]。

本文基于廣泛應用的壓氣機抽氣加熱的防冰方式，詳細地介紹了進氣防冰控制系統的組成，從“防”和“除”兩個層面進行分析，不僅考慮了對系統防冰，而且考慮了意外結冰后對過濾器的除冰。根據低溫高濕環境的惡劣程度、進氣濾芯的結冰情況以及機組運行狀態，全面分析并量化總結了防冰激活條件及除冰激活條件。基于不同的激活條件，設計了防冰執行機構的動作邏輯、自動擬合輸入設定值以及防冰控制閥開度控制器。結合防冰控制過程中機組可能面臨的風險及故障，闡述了報警及卸負載停機的保護條件。以33 MW燃氣輪機作為研究對象，進行了相關的性能測試。實踐表明，該防冰系統能夠穩定高效地運行，提高了進氣溫度，降低了進氣濕度，有效地避免了進氣濾芯濕堵現象的發生。

1 進氣防冰系統介紹

某型燃氣輪機進氣系統示意圖如圖1所示。進氣系統由過濾裝置(兩級濾芯)、消音器、防冰裝置(防冰控制閥、噴嘴)組成。當相關的防冰條件滿足時，機組自動從壓氣機的最后一級抽出空氣(由防冰控制閥BV3進行控制)，通過防冰噴嘴注入進氣口進行防冰加熱。

圖1 進氣系統示意圖

下面對圖1中防冰控制系統設計需要用到的一些測量、控制裝置及變量進行簡要描述：TT101為外界環境溫度，由安裝在進氣系統外部的溫濕度計TT101進行測量；MT101為外界環境濕度，由安裝在進氣系統外部的溫濕度計MT101進行測量；TE103和TE104為濾芯根部的溫度，分別由濾芯根部的2只熱電阻TE103、TE104測量，用于測定加熱后空氣到達濾芯時的溫度，防止溫度過高造成濾芯損壞或者影響濾芯壽命；ZC101為防冰控制閥BV3的開度指令，即控制系統的輸入，用于控制和切斷流向進氣噴嘴的熱空氣流量；PDT101為一級過濾器壓差變送器PDT101測量的壓差，作為除冰條件壓差損失的判斷依據；TE201、TE202和TE203為壓氣機進口空氣溫度，由安裝在壓氣機入口的三個熱電阻TE201、TE202、TE203測量；T2min為壓氣機進口空氣溫度TE201、TE202和TE203的最小值；T7為燃氣輪機排氣平均溫度；IMV為防冰控制器測量值，即控制系統輸出，定義其為T2min與外界環境溫度的差值。

IMV=T2min-TT101

(1)

ISP為防冰控制器的設定值，即控制系統輸出的控制目標值，也就是在防冰控制器的作用下，隨著溫度的上升，IMV預期所能達到的值；ΔI為防冰控制器的控制偏差量，定義為IMV與ISP之間的差值；T2T為壓氣機進氣溫度最小值的目標值，根據ISP的定義可知T2T可以通過式(2)計算得出，該變量主要用于描述防冰系統報警及停機保護功能的條件，將在本文3.1節進行具體闡述。

T2T=ISP-TT101

(2)

防冰系統閉環控制目標為設計防冰控制閥的控制規律使系統輸出IMV(壓氣機入口溫度三個傳感器測量的最小值與環境溫度的差值)穩定地跟蹤設定值ISP，其閉環控制流程如圖2所示。

圖2 防冰閉環控制系統流程圖

2 防冰控制系統邏輯介紹

2.1 防冰系統的激活條件

為了全面涵蓋所有激活防冰系統的條件，本文對可能存在的冰霜風險從“防”和“除”兩個層面進行分析，將激活條件分為兩種：條件1為基于外界空氣溫濕度測量值所設定的防冰激活條件；條件2為判斷濾芯是否結冰、基于第一段過濾器壓差值及透平平均排氣溫度變化速度等所設定的除冰激活條件。

2.1.1 激活條件1——防冰條件

機組在運行(機組起動/停止功能塊開啟或壓氣機轉速NGG大于900 r/min)時，外界環境濕度MT101高于80%(在70%將解除激活)且外界環境溫度TT101在-5 ℃和+5 ℃之間(低于-6 ℃或高于+ 6 ℃將解除激活)，機組的防冰條件被激活，如圖3所示。

圖3 防冰系統激活條件1邏輯圖

2.1.2 激活條件2——除冰條件

外部環境溫度TT101小于+10 ℃且透平平均排氣溫度變化率ΔT7大于2 ℃/min(延時60 s)，同時一級濾芯差壓PDT101>1 kPa或者一級濾芯差壓變化率ΔPDT101大于0.1 kPa/min (延時60 s)，機組的除冰條件被激活，如圖4所示。

圖4 防冰系統激活條件2邏輯圖

2.2 防冰和除冰系統執行機構動作邏輯

當滿足上述激活條件時，防冰控制系統執行機構將分別根據不同的激活條件作出以下響應。

2.2.1 滿足激活條件1——防冰條件

為了盡快提高進氣溫度以避免結冰，防冰執行機構先用最大加熱能力(防冰控制閥BV3開到最大值ZC101MAX)加熱進氣系統10 min，此控制過程為開環控制。考慮到高負荷下若 BV3開度過大易導致透平平均排氣溫度突升，所以需要根據機組所帶的負荷高低來設計防冰控制閥開度的最大值ZC101MAX。本文以額定功率為33 MW的某型燃氣輪機為例，設計該階段ZC101MAX的規律為：

(3)

按照以上規律以最大加熱能力進行開環控制10 min后，系統開始執行閉環控制。閉環控制的輸入設定值可以根據外界環境溫度進行自動計算，設計規律如表1所示。

表1 閉環控制輸入設定值的計算

其中，外界環境溫度在-5 ℃和+5 ℃之間所對應的輸入設定值ISP和壓氣機進氣溫度目標值T2T可以通過對表1中的數據進行線性差值而得到，所擬合的曲線如圖5所示。

圖5 不同外界環境溫度所對應的設定值

根據擬合的輸入設定值，防冰閥開度控制器采用PCS7軟件中PIDConL模塊進行閉環控制，該模塊對經典的PID算法進行了優化，能夠滿足更多的控制要求，其控制基本算法如式(4)所示。

(4)

式中：G為模塊中的等效比例系數；TI為積分時間；TD為微分系數；D為微分系數標稱化常數，PCS7軟件中默認為5；s為拉普拉斯的變量符號；ER為控制器輸出誤差，即ΔI；MV為控制器的計算輸入，即控制閥開度ZC101。

需要注意的是，在閉環調節防冰控制閥時，為了避免BV3動作過快對透平平均排氣溫度T7的影響而導致機組卸載停機，應適當減小比例G增益，增加積分時間TI，可以使得防冰控制更為穩定平滑。

2.2.2 滿足激活條件2——除冰條件

上述的激活條件1被激活10 min之后，若控制閥BV3不在閉合位置，說明之前防冰控制閥對于防冰條件1的響應可能因各種原因未達到最佳加熱效果，進氣濾芯處已經結霜結冰。此時防冰控制閥不能繼續按照激活條件1的響應進入到閉環控制中，而是仍然需要以最大的加熱能力繼續加熱進氣系統，以達到去除濾芯上冰霜的效果。所以在除冰條件被激活后(延時10 s)，防冰系統以最大的加熱能力即BV3開度到100%持續加熱進氣過濾系統30 min，該階段控制閥動作的優先級高于條件1被激活時的控制響應。

3 系統性能分析

3.1 防冰系統保護功能

防冰系統的控制效果可以依據壓氣機入口空氣各溫度傳感器的測量值與圖5擬合的防冰控制的進氣溫度目標值T2T的差值大小來評估。以下3種情況均會觸發防冰系統報警條件：

(1) 防冰系統激活條件持續激活5 min后，T2T-T2AVE>1 ℃(延時5 min)。其中T2AVE為壓氣機進口空氣溫度TE201、TE202和TE203的平均值。

(2) 防冰系統未成功啟動即當激活條件被激活2 min內防冰控制閥BV3的開度小于30%(延時1 min)。

(3) 加熱后空氣到達濾芯時的溫度TE103和TE104有一個大于60 ℃(防止高溫造成濾芯損壞)。

當防冰效果不佳，對機組安全運行產生影響時，會觸發防冰系統卸負載停機條件：

(1) 防冰系統激活條件持續激活5 min后，測量壓氣機進口溫度的3個傳感器溫度與目標溫度的差值T2T-TE201>3 ℃、T2T-TE202>3 ℃、T2T-TE203>3 ℃，其中有兩個不等式成立(延時5 min)。

(2) 3個測量壓氣機進口溫度的傳感器有兩個及以上故障。

3.2 防冰系統應用效果

進氣防冰系統于2019年11月份應用在北方某海上平臺的33 MW級燃氣透平機組上。當防冰條件(外界溫度1.8 ℃左右，濕度81%左右)滿足時，防冰閥以最大加熱能力開啟10 min后，防冰控制閥轉入閉環控制。當外界環境(外界溫度1.0 ℃左右，濕度91.7%)更為惡劣時，過濾器上仍有冰霜，激活了除冰條件。防冰閥仍繼續以最大加熱能力加熱30 min，然后轉入閉環控制。根據機組的運行記錄，該系統在幾個月的實踐中運行穩定，在冬季低溫高濕的環境下防冰及除冰效果非常明顯。

另外，需要注意的是，在防冰條件被激活后，由于進氣溫度在防冰控制的作用下得到了提升，透平平均排氣溫度有可能出現小幅突升的現象，在高工況情況下甚至會達到限制保護值，導致機組卸負載。所以在高工況下運行的防冰控制系統設計還要兼顧透平平均排氣溫度的變化。一般在防冰系統啟動后，控制系統也需要根據設計，自動合理地修改透平平均排氣溫度的上限值。以該機組為例，激活防冰系統的同時，機組也會同時進入極限負荷模式(該模式不同于正常模式，其排氣溫度限制值及計算等效工作時長的機組磨損系數都會自動增大)，這樣可以有效地避免高工況下的排氣溫度升高所引起的載荷限制。

4 結論

(1) 根據低溫高濕環境的惡劣程度、進氣濾芯的結冰情況以及機組運行狀態，從防冰和除冰兩個層面分析并量化總結了防冰激活條件及除冰激活條件。

(2) 基于不同的激活條件，設計了防冰執行機構的動作邏輯、輸入設定值擬合以及防冰控制閥開度控制器。

(3) 結合33 MW燃氣輪機防冰系統的實際應用情況，闡述了報警及卸負載停機的保護條件。實踐表明，該防冰系統能夠穩定高效地運行，有效地避免了進氣濾芯濕堵現象的發生。

(4) 在高工況下運行的防冰控制系統設計還需要兼顧透平平均排氣溫度的變化，避免高工況下的排氣溫度升高所引起的載荷限制。如何將透平平均排氣溫度作為反饋變量引入到防冰控制算法中，也是后續有待進一步研究的一個方向。