進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉igv在燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)中的應(yīng)用

0pg351fa型燃?xì)廨啓C(jī)pg9351f渦輪箱是一艘重型和箱式發(fā)電，燃料為天然氣。主要部件為壓氣機(jī)、透平和燃燒室。由美國通用電氣公司制造。在ISO工況下燃用天然氣時其基本負(fù)荷為256MW,簡單循環(huán)熱效率為36.9%,壓氣機(jī)壓比為15.4,透平一級靜葉后的燃?xì)庾罡邷囟葹?420℉(1326.7℃)。PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)由18級軸流式壓氣機(jī)、18個逆流分管DLN2.0+型燃燒室、3級燃?xì)馔钙浇M成。壓氣機(jī)由轉(zhuǎn)子和氣缸構(gòu)成,在氣缸中安裝了18級壓氣機(jī)靜葉,1級進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(IGV)和2級出口導(dǎo)葉。當(dāng)PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐、汽輪機(jī)組成單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組時其功率為冷端(壓氣機(jī)端)輸出。ISO工況下其基本負(fù)荷為394MW,聯(lián)合循環(huán)熱效率為57.43%。1igv的功能1.1采用空氣容積流量和進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉防止有氣充分運(yùn)動根據(jù)多級壓氣機(jī)特性曲線可知:在壓氣機(jī)特性曲線的左側(cè),有一條喘振邊界線,當(dāng)流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量減小到一定程度,就會使運(yùn)行工況進(jìn)入喘振邊界線的左側(cè),造成整臺壓氣機(jī)不能穩(wěn)定工作。那里的空氣流量和壓力會出現(xiàn)波動,嚴(yán)重時會使氣流從壓氣機(jī)進(jìn)口倒流出來,同時發(fā)出低頻怒吼聲,機(jī)組伴隨強(qiáng)烈振動,這種現(xiàn)象通稱為喘振。在實(shí)際運(yùn)行中,決不能允許壓氣機(jī)在喘振工況下工作,因為當(dāng)嚴(yán)重喘振發(fā)生時,往往會造成壓氣機(jī)葉片斷裂,導(dǎo)致災(zāi)難性事故發(fā)生。喘振現(xiàn)象的發(fā)生與壓氣機(jī)通流部分的氣流脫離密切相關(guān)。壓氣機(jī)在設(shè)計工況運(yùn)行時,氣流進(jìn)入工作葉柵的沖角接近于零。當(dāng)壓氣機(jī)偏離設(shè)計工況運(yùn)行時,必然會出現(xiàn)氣流的正沖角或負(fù)沖角。當(dāng)沖角增大到一定程度時,氣流就會同葉面分離形成氣流脫離現(xiàn)象。如圖1a)中的2所示,當(dāng)空氣容積流量超過設(shè)計流量時,將產(chǎn)生負(fù)沖角,當(dāng)沖角增大到一定程度時,在葉片內(nèi)弧面就會發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象。但由于氣流在葉片內(nèi)弧側(cè)流動,在慣性力作用下,氣流脫離區(qū)會朝著葉片內(nèi)弧面方向擠攏和靠近,從而防止脫離區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。但是當(dāng)流經(jīng)工作葉柵的空氣容積流量減小時,情況就完全相反了,如圖1a)中的3所示,當(dāng)空氣容積流量小于設(shè)計流量時,將產(chǎn)生正沖角,當(dāng)沖角增大到一定程度時,就會在葉片背弧面發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象。由于氣流在葉片背弧側(cè)流動,在慣性力作用下,存在一種使氣流離開葉片背弧面而分離出去的自然傾向。使氣流脫離區(qū)不斷發(fā)展擴(kuò)大,最終產(chǎn)生氣流的強(qiáng)烈脈動,形成了喘振現(xiàn)象。研究表明:對于多級的、高壓縮比的軸流式壓氣機(jī),在啟動和停機(jī)時,由于轉(zhuǎn)速低于正常設(shè)計轉(zhuǎn)速,進(jìn)氣量少,在壓氣機(jī)的前幾級將出現(xiàn)較大的正沖角,比較容易發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象,進(jìn)而發(fā)展成喘振。正是為了防止喘振現(xiàn)象的發(fā)生,在軸流式壓氣機(jī)的第一級安裝了進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(IGV)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)啟動和停機(jī)時,只要關(guān)小IGV角度,如圖1b)所示,就能減小或消除氣流進(jìn)入第一級動葉的正沖角,從而防止第一級動葉進(jìn)入喘振工況。同時由于進(jìn)入第一級動葉的氣流正沖角的減少,使第一級動葉的外加功量下降,第一級動葉出口處,空氣的壓力就比較低,這樣就可以增大流到其后各級中去的空氣體積流量,使這些級的氣流沖角適當(dāng)減少,因而也改善了后面幾級的穩(wěn)定工作特性。1.2減少啟動功率燃?xì)廨啓C(jī)啟動時,IGV處于最小開度,將減小流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量,降低了啟動功率。1.3提高效率在燃?xì)廨啓C(jī)不同的運(yùn)行方式中,通過調(diào)節(jié)IGV開度,即可在一定程度上調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度及壓比,從而提高總體效率。1.4透平功率2/3在燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行時,壓氣機(jī)的耗功大約占到了透平輸出功率的2/3。在機(jī)組甩負(fù)荷時,控制系統(tǒng)MARKVI通過開大IGV的角度來增加進(jìn)氣量,以增大壓氣機(jī)耗功,抑制轉(zhuǎn)速飛升,防止超速。2可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉遮斷閥控制過程如圖2所示,在每一個可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的頂部都安裝了一個小齒輪,旋轉(zhuǎn)這些小齒輪就可以改變進(jìn)口導(dǎo)葉的角度。這些小齒輪的轉(zhuǎn)動是依靠兩個半圓的齒條來帶動的。而齒條的動作由油動機(jī)HM3-1來操縱。如圖3所示,當(dāng)機(jī)組啟動時,來自O(shè)H-4的高壓液壓油經(jīng)過濾器FH6-1后流向伺服閥90TV-1和進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉遮斷閥VH3-1,由于跳閘油在啟動轉(zhuǎn)速繼電器14HT動作前(>1.5%轉(zhuǎn)速動作)是無壓狀態(tài),所以遮斷閥VH3-1在左邊彈簧力的作用下處于左邊的工作狀態(tài)。液壓油經(jīng)VH3-1進(jìn)到油動機(jī)HM3-1的油缸活塞下面腔室,活塞上腔室經(jīng)VH3-1接通回油管路OD,在此情況下,油動機(jī)活塞移到頂部,使IGV處于初始狀態(tài)的最小開度,即28.5°;當(dāng)機(jī)組在變頻啟動裝置的牽引下啟動并使14HT動作時,跳閘油壓建立,推動VH3-1閥向左移動,使該閥處于右邊位置,這時將液壓油OH-4接通伺服閥90TV-1和油動機(jī)之間的液壓油路,使可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉IGV處于可調(diào)整狀態(tài)。位置信號LVDT(96TV-1,-2)用于IGV開度的調(diào)節(jié)反饋。3關(guān)于igv的測量基于IGV的設(shè)計要求,由控制系統(tǒng)MARKVI對其實(shí)現(xiàn)自動控制。在此約定如下參數(shù):CNCF:SpeedCorrectionFactor(速度修正系數(shù))TNH:TurbineHPshaftspeedin%(透平百分比轉(zhuǎn)速)TNHCOR:TurbineHPSpeed,ISOCorrected(修正至ISO狀況下的透平轉(zhuǎn)速)CPR:CompressorPressureRatio(壓氣機(jī)壓比)CSRGVPS:PartSpeedVIGVReference(部分轉(zhuǎn)速IGV基準(zhǔn))CTIM:CompressorInletTemperature(壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度)TTRXGV:IGVTempControlReference(IGV溫控基準(zhǔn))TTRX:TemperatureControlReference(溫控基準(zhǔn))CSRGVMAN_CMD:IGVSetpointCommandSignal(IGV手動設(shè)定值)CSRGV:IGVReference(IGV基準(zhǔn))FSR:FuelStrokeReference(燃料沖程基準(zhǔn))CSKGVSSR:SimpleCycleIGVTempContRef(簡單循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn))TTRXTMR:TemperatureMatchingSetpointRateControlledIGV(IGV溫度匹配設(shè)定點(diǎn))TTRXGVTM:PartLoadIGVTemperatureRef(部分負(fù)荷IGV溫控基準(zhǔn)即聯(lián)合循環(huán)溫控基準(zhǔn))CSRGVMN:MinIGVAngleDuringTertiaryFSNLorOverspeed(IGV最小運(yùn)行角)CSKGVMAX:OpenIGVPosition(IGV最大開啟角)L83GVMAX:Off-LineWaterWashIGVSignalLogic(離線水洗IGV信號)從MARKVI的控制來看,IGV伺服系統(tǒng)最終僅使IGV實(shí)際位置等于CSRGV。所以IGV的全部規(guī)律均由MARKVI的控制算法確定。CSRGV值的變化規(guī)律即為IGV的控制規(guī)律。3.1igv標(biāo)準(zhǔn)算法的框圖如圖4所示。3.2機(jī)組進(jìn)入測溫IGV部分轉(zhuǎn)速基準(zhǔn):其中TNHCOR=TNH×CNCF=TNH×(540℉/(460℉+CTIM))0.5CTIM為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度,界于-80℉和140℉之間。CSRGVPS界于上限88°與下限28.5°之間。因此CSRGVPS隨TNHCOR的變化如圖5所示。在機(jī)組尚未進(jìn)入溫控前,由圖4的IGV基準(zhǔn)算法框圖中的大選門輸出為CSRGVMN,這樣CSRGV的值等于CSRGVMN與CSRGVPS的小選值。如上所述,在部分轉(zhuǎn)速時CSRGV隨TNHCOR的變化如圖6所示:3.3v允許在壓氣機(jī)的最小角度下值由圖4可知:IGV最小運(yùn)行角決定了燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行時IGV允許的最小角度,其值大小將影響壓氣機(jī)的安全運(yùn)行?？紤]到機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行期間燃燒穩(wěn)定、DLN燃燒室運(yùn)行范圍等因素,實(shí)際運(yùn)行的IGV最小運(yùn)行角,由以下三部分的最大值來決定。(1)設(shè)置最小igv操作角程序功能允許手動設(shè)定IGV最小運(yùn)行角,允許用戶設(shè)定值范圍為49~88°,出于安全考慮,此功能一般不對用戶開放。(2)進(jìn)口泵加熱igv的最小工作角為在裝設(shè)有進(jìn)口抽氣加熱裝置的機(jī)組上定值為49°(浙江鎮(zhèn)海PG9351FA燃?xì)廨啓C(jī))。(3)降低燃料噴嘴的壓降超速IGV最小運(yùn)行角為轉(zhuǎn)速的函數(shù)。在機(jī)組甩負(fù)荷時,一方面通過開大IGV角度來增加空氣流量,產(chǎn)生更大的壓氣機(jī)負(fù)荷,阻止轉(zhuǎn)速飛升;另一方面也提升壓氣機(jī)的排氣壓力,以減少燃料噴嘴的壓降,減少甩負(fù)荷后噴入的燃料流量。超速IGV最小運(yùn)行角控制值為:為了防止甩負(fù)荷時,盲目開大IGV導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定,超速IGV最小運(yùn)行角作為IGV的最小運(yùn)行角輸出的條件比較苛刻,以聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行方式為例:超速IGV最小運(yùn)行角,只有在聯(lián)合循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn)已動作,IGV開度大于55.5°,且轉(zhuǎn)速大于約103%時(即因轉(zhuǎn)速飛升太快或燃?xì)饪刂崎y沒有及時關(guān)小燃料流量)才會被選用,作為IGV的最小運(yùn)行角輸出。3.4igv早期聯(lián)合循環(huán)的基準(zhǔn)根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行所處的不同狀態(tài),不同階段,選擇不同的溫控基準(zhǔn),利用IGV調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣流量,來控制排氣溫度,達(dá)到提高效率或配合啟動的目的。IGV的溫控基準(zhǔn)有以下三部分組成。(1)SimpleCycleIGVTempControlReference(簡單循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn))當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于簡單循環(huán)運(yùn)行方式時,透平排氣通過旁路煙囪排入大氣,此時燃?xì)廨啓C(jī)的效率對壓氣機(jī)壓比比較敏感。在保證燃燒穩(wěn)定的前提下,設(shè)法及早開啟IGV以提高壓比,來提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率。與PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)一樣,PG9351FA燃?xì)廨啓C(jī)的簡單循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn)也為700℉,即一旦選擇簡單循環(huán)溫控模式,IGV在最小運(yùn)行角至88°開度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度為700℉(371.1℃)不變。(2)TemperatureMatchingSetpointRateControlledIGV(IGV溫度匹配設(shè)定點(diǎn))當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行方式時,為了使余熱鍋爐主汽溫度與不同狀態(tài)的汽機(jī)金屬溫度相匹配、協(xié)調(diào)汽機(jī)的啟動、延長汽機(jī)壽命、防止高溫金屬部件受冷卻、防止產(chǎn)生動靜磨擦,MARKVI設(shè)有專門的溫度匹配程序。當(dāng)發(fā)電機(jī)開關(guān)閉合后,激活MARKVI溫度匹配程序,MARKVI將以汽機(jī)高壓缸一級缸溫加上230℉(110℃)作為透平排氣溫度匹配的目標(biāo)值,通過IGV調(diào)節(jié)來達(dá)到目標(biāo)排氣溫度。當(dāng)機(jī)組熱態(tài)啟動時,由于旋轉(zhuǎn)備用負(fù)荷時所能達(dá)到的燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度還未能達(dá)到目標(biāo)排氣溫度,在這種情況下要對燃?xì)廨啓C(jī)加負(fù)荷來增加排氣溫度,以達(dá)到設(shè)定值,而此時IGV將保持在最小運(yùn)行角。(3)PartLoadIGVTemperatureReference(聯(lián)合循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn))當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行方式時,其聯(lián)合循環(huán)效率對燃?xì)廨啓C(jī)的透平進(jìn)口溫度比較敏感。因此在保證透平進(jìn)口溫度不超溫的前提下,盡量晚開啟IGV,以提高透平的進(jìn)口溫度,提高整套聯(lián)合循環(huán)的總體效率。為此聯(lián)合循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn)參照FSR溫控基準(zhǔn)。聯(lián)合循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn)的控制策略為:圖7為IGV的溫控線。3.5gv動手控制MARKVI控制程序中設(shè)有IGV手動控制功能,一旦該功能被選擇,允許操作員直接設(shè)定IGV控制目標(biāo)值CSRGVMAN_CMD即IGV手動設(shè)定值,IGV則以0.25°/秒(在線)或0.5°/秒(離線)的速率開到目標(biāo)值。為了避免在啟動階段,因盲目使用IGV手動控制功能,而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)引起喘振或熱懸掛,為此在手動控制投運(yùn)命令中增加一個L14HSX=1必要條件,即只有在機(jī)組轉(zhuǎn)速大于95%額定轉(zhuǎn)速后,才允許被投運(yùn)?？紤]到單軸的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組,燃?xì)廨啓C(jī)透平排氣溫度下限對汽機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響,IGV手動控制功能一般不對用戶開放。3.6igv的開至最順著進(jìn)氣流向,離線水洗的噴嘴安裝在IGV的上游,為了盡可能的減少IGV對離線水洗時水霧的阻擋,必須將IGV開至最大。如圖4所示,當(dāng)離線水洗命令發(fā)出,機(jī)組轉(zhuǎn)速大于14%額定轉(zhuǎn)速后,L83GVMAX=1,使CSRGV=88°,IGV開至最大。3.7機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)綜上所述,IGV的角度調(diào)節(jié)在部分轉(zhuǎn)速時是一樣的,并網(wǎng)后根據(jù)所處簡單循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)不同運(yùn)行方式而選擇不同的調(diào)節(jié)規(guī)律。部分轉(zhuǎn)速時:在啟動升速過程中,為了防止壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速下發(fā)生喘振,IGV處在最小位置28.5°,當(dāng)機(jī)組達(dá)到約85%修正轉(zhuǎn)速至約89%修正轉(zhuǎn)速時,IGV從28.5°打開至最小運(yùn)行角。而停機(jī)降速時則剛好相反,當(dāng)機(jī)組降到約89%修正轉(zhuǎn)速至約85%修正轉(zhuǎn)速時,IGV從最小運(yùn)行角關(guān)至28.5°。簡單循環(huán)時:燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷后,IGV保持最小運(yùn)行角直至機(jī)組氣溫度達(dá)到700℉,IGV開始參與調(diào)節(jié)保持排氣溫度700℉,隨著負(fù)荷的繼續(xù)增加,IGV從最小運(yùn)行角打開至88°的位置,此后若負(fù)荷繼續(xù)增加,IGV退出控制,在此負(fù)荷以上IGV將保持88°開度直至額定負(fù)荷。降負(fù)荷則剛好相反。聯(lián)合循環(huán)時:燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)后,在汽機(jī)啟動階段,IGV以高壓缸一級缸溫加上110℃作為透平排氣溫度匹配目標(biāo)值,進(jìn)行溫度匹配。在汽機(jī)啟動結(jié)束后,IGV以聯(lián)合循環(huán)IGV溫控基準(zhǔn)為控制目標(biāo),進(jìn)行控制。4igv故障自診斷IGV的故障自診斷分為兩類:IGV故障檢測和IGV未跟蹤命令值。(1)igv伺服電流自保持保護(hù)當(dāng)IGV開度反饋值小于26.5°或命令為全關(guān)而開度大于29.5°并延時5s后,發(fā)出IGV位置故障報警并自保持。此報警狀況消失時,報警不會自動復(fù)歸,需執(zhí)行主復(fù)位來復(fù)歸。當(dāng)IGV