M701F4燃氣輪機TCA系統(tǒng)冷卻水流量異常分析

許正武，張慧軍，谷 嘯

(浙江浙能金華燃機發(fā)電有限責任公司，浙江 金華 321025)

0 引言

某燃機電廠采用M701F4單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，由一臺燃機，一臺蒸汽輪機，一臺余熱鍋爐和一臺發(fā)電機構成，聯(lián)合循環(huán)額定容量為458 MW。燃氣輪機透平是燃氣輪機中把高溫燃氣的能量轉變?yōu)闄C械功的部件，燃氣輪機透平進口溫度不斷提高，采用有效的冷卻措施十分必要〔1〕。三菱M701F4燃氣輪機設計了透平冷卻空氣(TCA)系統(tǒng)，從壓氣機出口腔室引一路高溫、高壓空氣，經TCA冷卻器冷卻降溫，再經過濾后通過特定通道送到燃氣輪機轉子內部〔2〕，冷卻燃汽輪機透平轉子和葉片等部件，并設有轉子冷卻空氣溫度高機組快速減負荷及停機保護。

TCA冷卻器利用冷卻水降低空氣出口溫度，其冷卻水系統(tǒng)流程如圖1。TCA冷卻水來自高中壓給水泵，經換熱后流向凝汽器和高壓汽包。TCA冷卻器通過TCA回凝汽器側(凝側)冷卻水流量調閥FCV-1、TCA回余熱鍋爐側(爐側)冷卻水流量調閥FCV-2調節(jié)冷卻水流量，維持TCA出口冷卻空氣在要求溫度范圍，兩個冷卻水回水流量調閥根據(jù)燃機控制系統(tǒng)的設定值進行控制操作〔3〕。系統(tǒng)設有冷卻水流量低保護，低至遮斷值后延時10 s機組遮斷。為滿足燃機啟動期間TCA冷卻空氣出口溫度小于100 ℃的要求，在高中壓給水泵入口設置了來自凝結水出口母管的摻冷管路，并設置有調節(jié)閥。

圖1 TCA冷卻水系統(tǒng)圖

1 事件簡述

某M701F4聯(lián)合循環(huán)機組啟動后帶300 MW運行中，運行人員監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)TCA流量偏低，TCA冷卻水流量低至47 T/h，TCA回爐側冷卻水流量調閥FCV-2開度在24%左右，均明顯偏低。隨著AGC投入后機組負荷波動，TCA回凝側冷卻水流量調閥FCV-1自動開至10%左右，TCA流量升值67 T/h。為避免TCA冷卻水流量低導致機組遮斷(定值：42 T/h)，由儀控人員進行信號強制，將TCA冷卻水流量低機組遮斷信號延時由10 s加長至9999 s。此后，在未人為干預的情況下TCA流量及TCA回爐側冷卻水流量調閥開度均恢復正常。

2 M701F燃氣輪機TCA系統(tǒng)冷卻水流量控制分析

2.1 M701F燃氣輪機TCA系統(tǒng)余熱鍋爐側冷卻水流量控制分析

機組正常運行時，TCA冷卻器冷卻水經TCA回余熱鍋爐側(爐側)冷卻水流量調閥至余熱鍋爐高壓省煤器出口。TCA回余熱鍋爐側冷卻水流量調閥流量設定需經TCA冷卻水回余熱鍋爐側調閥FCV-2前后差壓、TCA出口冷卻水溫度對應的密度運算控制(圖2)，控制指令CV計算公式為：

圖2 TCA回爐側冷卻水調閥控制指令框圖

(1)

(2)

式中：W為所對應的燃機負荷函數(shù)對應的TCA冷卻水流量設定值，并需經壓氣機入口空氣溫度修正；S為TCA回余熱鍋爐側冷卻水流量調閥前后壓差修正；ΔP為TCA回余熱鍋爐側冷卻水流量調閥FCV-2前后壓差；D為TCA出口冷卻水溫度對應的密度。

2.2 M701F燃氣輪機TCA系統(tǒng)回凝汽器側冷卻水流量控制分析

因TCA冷卻器與高壓省煤器是并列運行的，在機組啟停過程及燃機低負荷時，鍋爐的產汽量很小，使得高壓省煤器出入口壓差很小，此時TCA無法保證充足的冷卻水流量，TCA冷卻水由TCA系統(tǒng)回凝汽器側(凝側)冷卻水流量調閥FCV-1控制。機組全速前，根據(jù)TCA進口冷卻水溫度控設定TCA回凝汽器側冷卻水流量，全速后則根據(jù)壓氣機入口空氣溫度所對應的燃機負荷設定TCA回凝側冷卻水流量，TCA系統(tǒng)回凝汽器側冷卻水流量調閥FCV-1閥位由TCA系統(tǒng)回凝汽器側冷卻水流量與TCA實際冷卻水流量的偏差確定(圖3)。

圖3 TCA回凝側冷卻水調閥控制指令框圖

TCA冷卻水流量設定了一個最小值限制，防止因為冷卻水流量減小導致TCA內的水發(fā)生氣化〔4〕。當燃機大于78 MW情況下發(fā)生遮斷、甩負荷、孤島運行，導致高壓汽包水位達到最高值，或在TCA流量小于通過壓氣機入口空氣溫度所對應的燃機負荷函數(shù)計算出的流量時，TCA回凝側冷卻水流量調閥快速打開，以保證TCA的最小冷卻水流量。

3 事件分析

調取當日運行曲線(如圖4所示)，可以看出TCA流量異常時TCA出口冷卻水壓力亦不正常，最高達19.16 MPa，TCA回爐側冷卻水流量調閥后壓力基本不變，維持在14.5 MPa左右。從曲線可以看出在機組運行后，TCA出口冷卻水壓力持續(xù)升高，在達到峰值19.16 MPa后回落，TCA流量隨之恢復正常。

圖4 TCA系統(tǒng)冷卻水運行參數(shù)

TCA出口冷卻水壓力19.16 MPa時計算出的TCA回爐側冷卻水流量調閥前后壓差修正量S值最小為0.4252，機組同等燃機負荷正常運行時TCA回爐側冷卻水流量調閥前后壓差修正量S為2.3337。該修正量的顯著減小，會導致TCA回爐側冷卻水流量調閥FCV-2開度也明顯減小，進而造成TCA冷卻水流量減小(表1)，由此可判斷TCA流量偏小是TCA出口冷卻水壓力異常升高、TCA回爐側冷卻水流量調閥前后壓差增大造成TCA回爐側冷卻水流量調閥控制指令異常所致，從運行曲線看相關參數(shù)變化情況也能印證上述論述。

表1 兩種工況下燃機166 MW負荷時TCA冷卻水參數(shù)對比

在該事件中，TCA回爐側冷卻水流量調閥控制指令減小導致TCA冷卻水流量減小后，TCA回凝側冷卻水流量調閥控制自動打開至10%以維持TCA冷卻水流量與壓氣機入口空氣溫度所對應的燃機負荷所需TCA冷卻水流量相一致。

因TCA出口冷卻水壓力在機組運行后即不正常，環(huán)境溫度升高后又自行恢復，從該參數(shù)變化情況及環(huán)境溫度變化情況(圖5)判斷，TCA出口冷卻水壓力不正常升高的原因為寒潮導致TCA出口冷卻水壓力變送器引壓管結凍。明確異常原因后，該電廠對儀控變送器保溫箱和壓力變送器引壓管保溫情況進行了檢查，發(fā)現(xiàn)部分引壓管保溫厚度不均勻，隨即對保溫薄弱部分進行了加強。

圖 5 當日環(huán)境溫度-TCA出口壓力曲線

4 改進建議

華東地區(qū)機組在設計初期對防寒防凍的考慮不是很充分，因TCA出口冷卻水壓力變送器引壓管較長，管徑較小，常規(guī)保溫可能無法抵御極端寒潮，可考慮對重要壓力測點、流量測點的引壓管采用電伴熱。M701F4機組在燃機負荷大于100 MW左右、TCA冷卻水切至回爐側冷卻水流量調閥控制后，該閥前后壓差異常增大將導致回爐側冷卻水流量調閥關小，影響TCA流量，可考慮在DCS(分散控制系統(tǒng))畫面增加TCA回爐側調閥前后壓差顯示，并設置燃機負荷大于100 MW同時TCA回爐側調閥前后壓差大于1 MPa時報“TCA回爐側調閥前后壓差大”，提醒運行人員及時手動干預，穩(wěn)定TCA冷卻水流量。

5 總結

TCA冷卻器正常工作是三菱重型燃機安全運行的重要保障，TCA回爐側冷卻水流量調閥及TCA回凝側冷卻水流量調閥相互配合，維持TCA冷卻水在機組運行全過程中的供應，TCA冷卻器冷卻水流量的不正常將導致機組保護動作。流量變送器、相關壓力變送器及其引壓管問題對TCA系統(tǒng)冷卻水流量控制影響重大，應加強此類熱控元器件的維護保養(yǎng)工作，特別注意的是需做好壓力、流量變送器及其引壓管路的保溫及變送器箱冬季的防寒防凍工作，防止因變送器工作不正常導致TCA冷卻器工作異常，造成機組減負荷或遮斷。