燃气轮机进气防冰系统的应用及分析

翟洪柱　蔡东升

摘  要：为了避免燃气轮机进气过滤系统在湿度较高温度较低的环境下发生结霜结冰所引起的影响燃机稳定安全稳定运行等问题，根据进气滤芯的结冰情况、环境的恶劣程度以及机组运行状态，全面地分析总结了燃机防冰激活条件。基于所分析的激活条件，设计了防冰执行机构的动作逻辑以及防冰控制阀开度控制器。根据防冰过程中机组可能面临的风险，阐述了报警及卸负载停机的保护条件。以某品牌大功率燃气轮机作为研究对象，进行了相关的性能测试。实践表明，所设计的防冰系统能够稳定高效地运行，可以有效地避免进气过滤系统发生的结冰结霜现象的产生。

关键词：燃气轮机   高湿低温   进气过滤   防冰系统

中图分类号：TK473                        文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）09（b）-0057-05

Application and Analysis of Gas Turbine Inlet Anti-icing System

ZHAI Hongzhu  CAI Dongsheng

（Tianjin Branch of CNOOC（china） co.， Ltd.， Tianjin， 300459 China）

Abstract： In order to avoid the problems caused by frost and icing of the gas turbine inlet filtration system in the environment of high humidity and low temperature， which will affect the stability， safety and stable operation of gas turbine， based on the severity of environment at low temperature and unit operation condition， the activation conditions of anti-icing is comprehensively analyzed and summarized. Based on the analyzed conditions， the anti-icing actuator operation logic and anti-icing valve opening position controller are designed. According to the risk that the unit may face in the process of anti-icing， the protection conditions of alarming and stopping load unloading are expounded. Taking high power gas turbine as the research object， the relevant performance test is carried out. The results show that the anti-icing system can operate stably and efficiently， and avoid the occurrence of freezing and blocking of the inlet filter element.

Key Words： Gas turbine; High humidity and low temperature; Air intake; Anti-icing system

目前，燃氣轮机广泛地应用于航空、航海、电力、石油化工等各个领域[1]。然而，在我国北方低温高湿地区及海域，冬季燃气轮机的进气入口都会出现不同程度的结霜结冰现象，增大了进气系统的压力损失，给燃机的正常运行带来了很高的风险。配套合理的进气防冰装置和设计安全可靠的控制逻辑是防止燃气轮机进气入口结霜结冰的根本办法。目前，比较常见的防冰方式有蒸汽（热水）加热、电加热、排气再循环加热和压气机的抽气加热等几种方式[2]。蒸汽加热与电加热方式需要额外配备加热装置以及系统，从而影响了系统布局及结构设计。而排气再循环加热方法因排气温度较高，在安全性和可控性上也存在着一定的风险[3]。目前，国内外机组最广泛采用的还是将高压压气机中的一部分高温高压热空气引入到燃机的进气系统过滤器入口处，通过空/空换热的方式将进气系统中的空气加热。这种方式不需要额外增加加热热源设备、具有工程造价较低、且抽气量较小等优点。北京太阳宫燃气热电公司所使用的GE9351FA燃机所配套的抽气加热除冰系统，在空气湿度达到90%左右时，效果不佳，进气过滤极易出现湿堵，引气进气系统压损快速增加，造成机组被迫降负荷甚至停机[4]。中石化塔河油田电站的Titan130索拉燃气轮机将高温高压空气引入到滤芯之后消音器之前，只考虑了消音器和一级可转导叶的防冰，并不能完全解决过滤器滤芯表面的防霜问题。

该文基于广泛应用的压气机抽气加热的防冰方式，详细地介绍了所设计进气防冰控制系统的组成。根据高湿低温环境的恶劣程度以及机组运行状态，全面分析并量化总结了防冰激活条件。基于不同的激活条件，设计了防冰执行机构的动作逻辑、自动拟合输入设定值以及防冰控制阀开度控制器[5]。结合防冰控制过程中机组可能面临的风险及故障，阐述了报警及卸负载停机的保护条件。以某品牌大功率燃气轮机作为研究对象，进行了相关的性能测试。实践表明，该防冰系统能够稳定高效地运行，有效地避免了进气滤芯湿堵现象的发生。

1  进气防冰系统介绍

某品牌大功率燃气轮机进气系统示意图如图1所示。进气系统由过滤装置（两级滤芯）、消音器、防冰装置（防冰控制阀、喷嘴）及各仪表组成。当相关的防冰条件满足时，机组自动从压气机的最后一段抽出空气（由防结冰气动控制蝶阀（BV3）进行控制），通过热空气喷嘴注入进气口进行防冰加热。

下面对图1中防冰控制系统设计需要用到的一些测量、控制装置及变量进行简要描述，具体如下。

TT101为外界环境温度，由安装在进气系统外部的温湿度计进行测量。

MT101为外界环境湿度，由安装在进气系统外部的温湿度计进行测量。

TE103、TE104为滤芯根部的温度，由滤芯根部的2只热电阻测量，用于测定加热后空气到达滤芯时的温度，防止温度过高造成滤芯损坏或者影响滤芯寿命。

ZC101为防冰控制阀BV3的开度指令，即控制系统的控制输入，用于控制和切断流向进气喷嘴的热空气流量。

TE201、TE202、TE203为压气机进口空气温度，由安装在压气机入口的3个热电阻测量。

T2min为压气机进口空气温度TE201、TE202、TE203的最小值。

T7为燃气轮机排气平均温度。

AIMV为防冰控制器测量值，即控制系统输出，定义为T2min与外界环境温度的差值：

101（1）

AIsp为防冰控制器的设定值，即控制系统输出的控制目标值，也就是在防冰控制器的作用下，随着温度的上升，AIMV预期所能达到的值。

?AI为防冰控制器的控制偏差量，定义AIMV与AIsp之间的差值。

T2T为压气机进气温度最小值的目标值，根据AIsp的定义可知T2T可以通过式（2）计算得出。该变量主要用于描述防冰系统报警及停机保护功能的条件，将在3.1节进行具体阐述。

101（2）

防冰系統闭环控制目标为设计防冰控制阀的控制规律使系统输出AIMV（压气机入口温度与环境温度的差值）稳定地跟踪设定值AIsp，其闭环控制流程如图2所示。

2  防冰控制系统设计

2.1 防冰系统的激活条件

基于外界空气温湿度测量值所设定的防冰激活条件具体如下。

激活条件：机组在运行时（机组起动/停止功能块置位或压气机转速大于900 r/min），环境相对湿度MT101高于80%（在70%将解除激活），且外部环境温度TT101在-5 °C和+5 °C之间（低于-6 °C或高于+6 °C将解除激活），具体见图3。

2.2 执行机构动作逻辑

当满足上述激活条件时，防冰控制系统执行机构将做出以下响应。

当满足激活条件时，为了尽快提高进气温度以避免结冰，防冰执行机构先用最大加热能力（防冰控制阀BV3开到最大值ZC101MAX）加热进气系统10 min，此控制过程为开环控制[6]。考虑到高负荷下若 BV3开度过大易导致透平燃烧排气温度突升，所以需要根据机组所带的负荷高低来设计防冰控制阀开度的最大值ZC101MAX。该文以额定功率为33 MW的某型燃气轮机为例，设计该阶段ZC101MAX的规律为：

（3）

按照以上规律以最大加热能力进行开环控制10 min后，系统开始执行闭环控制。闭环控制的输入设定值可以根据外界环境温度进行自动计算，设计规律见表1。

其中，外界环境温度-5 °C和+5 °C之间所对应的输入设定值AIsp和压气机进气温度目标值T2T可以通过对表1中的数据进行线性差值而得到。

根据拟合的输入设定值，防冰阀开度控制器采用PCS软件中PIDConL模块进行闭环控制，该模块对经典的PID算法进行了优化，能够满足更多的控制要求，其控制基本算法如式（4）所示，其中GainEff为模块中的等效比例系数，TI为积分时间，TD为微分系数，ER为控制器输出误差，即?AI，MV为控制器的计算输入，即控制阀开度ZC101。

（4）

需要注意的是，在闭环调节防冰控制阀时，为了避免BV3动作过快对透平T7排气温度的影响而导致机组卸载停机，应适当减小比例GainEff增益，增加积分系数TI，可以使得防冰控制得更为稳定平滑。

3  系统性能及应用分析

3.1 保护功能

防冰系统的控制效果可以依据压气机入口空气各温度传感器的测量值与拟合的防冰控制的进气温度目标值T2T的差值大小来评估。

3.1.1 报警条件

以下3种情况均会触发防冰系统报警条件。

（1）防冰系统激活条件持续激活5 min后，T2T-T2AVR>1 °C（延时5 min）。

（2）防冰系统未成功启动：即当激活条件被激活2 min内防冰控制阀BV3的开度小于30%（延时1 min）。

（3）加热后空气到达滤芯时的温度TE103和TE104至少有一个大于60 °C（防止高温造成滤芯损坏）。

其中T2AVE为压气机进口空气温度TE201、TE202、TE203的平均值。

3.1.2 卸负载停机条件

（1）防冰系统激活条件持续激活5 min后，对于测量压气机进口温度的3个传感器温度与目标温度的差值T2T-TE201>3 °C，T2T-TE202>3 °C，T2T-TE203>3 °C，其中至少有两个不等式成立（延时5 min）。

（2）这3个测量压气机进口温度的传感器至少有两个及以上故障。

3.2 防冰系统应用效果

该套进气防冰系统于2019年11月份应用在某工厂的燃气透平机组上。图4为基于WINCC软件设计的进气防冰系统及控制设定人机交互界面。图5为2020年2月份防冰系统起动时的负荷、转速、外界温湿度以及防冰控制阀动作的曲线。从图4、图5中可以看出，当防冰条件满足时（外界温度1.8 °C左右，湿度81%左右时），防冰阀以最大加热能力开启10 min后，然后防冰控制阀转入闭环控制。从运行曲线中可以看出，该系统在几个月的实践中运行稳定，在冬季高寒及高湿的环境下防冰效果非常明显。

4  结语

根据高湿低温环境的恶劣程度以及机组运行状态，对可能存在的冰霜风险进行分析和举措，全面分析并量化总结了防冰激活条件。基于所分析的激活条件，设计了防冰执行机构的动作逻辑以及防冰控制阀开度控制器。结合大功率燃气轮机防冰系统的实际应用情况，阐述了报警及卸负载停机的保护条件。实践表明，该防冰系统能够稳定高效地运行，有效地避免了进气滤芯湿堵现象的发生。

参考文献

[1] 秦亚迪，郑大雷，徐立昊，等.燃气轮机进气过滤系统常见问题分析及应对[J].天然气与石油，2021，39（2）：107-112.

[2] 刘振河.浅谈燃气轮机入口设置防冰系统的必要性[J].化工管理，2018（1）：156-157.

[3] 刘丽丽，廉小隗.M701F燃气轮机防结冰系统改造[J].化学工程与装备，2017（5）：181-182.

[4] 孟凡刚，冯永志，于宁，等.燃气轮机典型故障统计分析及运行维护[J].电气时代，2020（1）：52-53.

[5] 朱华，严彪，刘雨松，等.湿空气透平冷却技术研究[J].发电技术，2021，42（4）：412-421.

[6] 吴莉娟，严志远，唐任宗，等.GE9351FA燃机进气防冰除湿系统改造[J].电力科技与环保，2018，34（5）：46-47.

作者简介：翟洪柱（1984—），男，本科，工程师，研究方向为海洋石油设备设施。