M701F4燃气轮机TCA系统冷却水流量异常分析

许正武，张慧军，谷 啸

(浙江浙能金华燃机发电有限责任公司，浙江 金华 321025)

0 引言

某燃机电厂采用M701F4单轴联合循环发电机组，由一台燃机，一台蒸汽轮机，一台余热锅炉和一台发电机构成，联合循环额定容量为458 MW。燃气轮机透平是燃气轮机中把高温燃气的能量转变为机械功的部件，燃气轮机透平进口温度不断提高，采用有效的冷却措施十分必要〔1〕。三菱M701F4燃气轮机设计了透平冷却空气(TCA)系统，从压气机出口腔室引一路高温、高压空气，经TCA冷却器冷却降温，再经过滤后通过特定通道送到燃气轮机转子内部〔2〕，冷却燃汽轮机透平转子和叶片等部件，并设有转子冷却空气温度高机组快速减负荷及停机保护。

TCA冷却器利用冷却水降低空气出口温度，其冷却水系统流程如图1。TCA冷却水来自高中压给水泵，经换热后流向凝汽器和高压汽包。TCA冷却器通过TCA回凝汽器侧(凝侧)冷却水流量调阀FCV-1、TCA回余热锅炉侧(炉侧)冷却水流量调阀FCV-2调节冷却水流量，维持TCA出口冷却空气在要求温度范围，两个冷却水回水流量调阀根据燃机控制系统的设定值进行控制操作〔3〕。系统设有冷却水流量低保护，低至遮断值后延时10 s机组遮断。为满足燃机启动期间TCA冷却空气出口温度小于100 ℃的要求，在高中压给水泵入口设置了来自凝结水出口母管的掺冷管路，并设置有调节阀。

图1 TCA冷却水系统图

1 事件简述

某M701F4联合循环机组启动后带300 MW运行中，运行人员监盘发现TCA流量偏低，TCA冷却水流量低至47 T/h，TCA回炉侧冷却水流量调阀FCV-2开度在24%左右，均明显偏低。随着AGC投入后机组负荷波动，TCA回凝侧冷却水流量调阀FCV-1自动开至10%左右，TCA流量升值67 T/h。为避免TCA冷却水流量低导致机组遮断(定值：42 T/h)，由仪控人员进行信号强制，将TCA冷却水流量低机组遮断信号延时由10 s加长至9999 s。此后，在未人为干预的情况下TCA流量及TCA回炉侧冷却水流量调阀开度均恢复正常。

2 M701F燃气轮机TCA系统冷却水流量控制分析

2.1 M701F燃气轮机TCA系统余热锅炉侧冷却水流量控制分析

机组正常运行时，TCA冷却器冷却水经TCA回余热锅炉侧(炉侧)冷却水流量调阀至余热锅炉高压省煤器出口。TCA回余热锅炉侧冷却水流量调阀流量设定需经TCA冷却水回余热锅炉侧调阀FCV-2前后差压、TCA出口冷却水温度对应的密度运算控制(图2)，控制指令CV计算公式为：

图2 TCA回炉侧冷却水调阀控制指令框图

(1)

(2)

式中：W为所对应的燃机负荷函数对应的TCA冷却水流量设定值，并需经压气机入口空气温度修正；S为TCA回余热锅炉侧冷却水流量调阀前后压差修正；ΔP为TCA回余热锅炉侧冷却水流量调阀FCV-2前后压差；D为TCA出口冷却水温度对应的密度。

2.2 M701F燃气轮机TCA系统回凝汽器侧冷却水流量控制分析

因TCA冷却器与高压省煤器是并列运行的，在机组启停过程及燃机低负荷时，锅炉的产汽量很小，使得高压省煤器出入口压差很小，此时TCA无法保证充足的冷却水流量，TCA冷却水由TCA系统回凝汽器侧(凝侧)冷却水流量调阀FCV-1控制。机组全速前，根据TCA进口冷却水温度控设定TCA回凝汽器侧冷却水流量，全速后则根据压气机入口空气温度所对应的燃机负荷设定TCA回凝侧冷却水流量，TCA系统回凝汽器侧冷却水流量调阀FCV-1阀位由TCA系统回凝汽器侧冷却水流量与TCA实际冷却水流量的偏差确定(图3)。

图3 TCA回凝侧冷却水调阀控制指令框图

TCA冷却水流量设定了一个最小值限制，防止因为冷却水流量减小导致TCA内的水发生气化〔4〕。当燃机大于78 MW情况下发生遮断、甩负荷、孤岛运行，导致高压汽包水位达到最高值，或在TCA流量小于通过压气机入口空气温度所对应的燃机负荷函数计算出的流量时，TCA回凝侧冷却水流量调阀快速打开，以保证TCA的最小冷却水流量。

3 事件分析

调取当日运行曲线(如图4所示)，可以看出TCA流量异常时TCA出口冷却水压力亦不正常，最高达19.16 MPa，TCA回炉侧冷却水流量调阀后压力基本不变，维持在14.5 MPa左右。从曲线可以看出在机组运行后，TCA出口冷却水压力持续升高，在达到峰值19.16 MPa后回落，TCA流量随之恢复正常。

图4 TCA系统冷却水运行参数

TCA出口冷却水压力19.16 MPa时计算出的TCA回炉侧冷却水流量调阀前后压差修正量S值最小为0.4252，机组同等燃机负荷正常运行时TCA回炉侧冷却水流量调阀前后压差修正量S为2.3337。该修正量的显著减小，会导致TCA回炉侧冷却水流量调阀FCV-2开度也明显减小，进而造成TCA冷却水流量减小(表1)，由此可判断TCA流量偏小是TCA出口冷却水压力异常升高、TCA回炉侧冷却水流量调阀前后压差增大造成TCA回炉侧冷却水流量调阀控制指令异常所致，从运行曲线看相关参数变化情况也能印证上述论述。

表1 两种工况下燃机166 MW负荷时TCA冷却水参数对比

在该事件中，TCA回炉侧冷却水流量调阀控制指令减小导致TCA冷却水流量减小后，TCA回凝侧冷却水流量调阀控制自动打开至10%以维持TCA冷却水流量与压气机入口空气温度所对应的燃机负荷所需TCA冷却水流量相一致。

因TCA出口冷却水压力在机组运行后即不正常，环境温度升高后又自行恢复，从该参数变化情况及环境温度变化情况(图5)判断，TCA出口冷却水压力不正常升高的原因为寒潮导致TCA出口冷却水压力变送器引压管结冻。明确异常原因后，该电厂对仪控变送器保温箱和压力变送器引压管保温情况进行了检查，发现部分引压管保温厚度不均匀，随即对保温薄弱部分进行了加强。

图 5 当日环境温度-TCA出口压力曲线

4 改进建议

华东地区机组在设计初期对防寒防冻的考虑不是很充分，因TCA出口冷却水压力变送器引压管较长，管径较小，常规保温可能无法抵御极端寒潮，可考虑对重要压力测点、流量测点的引压管采用电伴热。M701F4机组在燃机负荷大于100 MW左右、TCA冷却水切至回炉侧冷却水流量调阀控制后，该阀前后压差异常增大将导致回炉侧冷却水流量调阀关小，影响TCA流量，可考虑在DCS(分散控制系统)画面增加TCA回炉侧调阀前后压差显示，并设置燃机负荷大于100 MW同时TCA回炉侧调阀前后压差大于1 MPa时报“TCA回炉侧调阀前后压差大”，提醒运行人员及时手动干预，稳定TCA冷却水流量。

5 总结

TCA冷却器正常工作是三菱重型燃机安全运行的重要保障，TCA回炉侧冷却水流量调阀及TCA回凝侧冷却水流量调阀相互配合，维持TCA冷却水在机组运行全过程中的供应，TCA冷却器冷却水流量的不正常将导致机组保护动作。流量变送器、相关压力变送器及其引压管问题对TCA系统冷却水流量控制影响重大，应加强此类热控元器件的维护保养工作，特别注意的是需做好压力、流量变送器及其引压管路的保温及变送器箱冬季的防寒防冻工作，防止因变送器工作不正常导致TCA冷却器工作异常，造成机组减负荷或遮断。