房之棟，張建偉，劉建華

（1.北京太陽宮燃氣熱電有限公司，北京 100028；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

天然氣發(fā)電作為一種新型、清潔、高效的發(fā)電方式在國內(nèi)外發(fā)展很快，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)正是最適合于燃用天然氣的動力裝置。燃氣輪機對燃氣壓力及壓力的穩(wěn)定性有嚴格的要求，但受燃氣管線的限制，從供方直接來的燃氣壓力一般達不到燃氣輪機的要求。增壓站作為重要處理系統(tǒng)，主要用于改善天然氣品質(zhì)，向燃氣輪機提供所需壓力、流量的燃料氣體，確保燃氣輪機的正常可靠運行。因此增壓站壓縮機（以下簡稱增壓機）成為了燃氣電廠的重要設(shè)備，由于其運行轉(zhuǎn)速極高，對安全穩(wěn)定運行的要求也非常高，一旦出現(xiàn)喘振，燃氣輪機入口壓力將大幅波動，輕則引發(fā)機組非停，嚴重狀態(tài)有可能導(dǎo)致機毀人亡。因此，為了保證燃氣機組的長周期穩(wěn)定運行，增壓機均配有各種防喘振系統(tǒng)來保護設(shè)備的安全。

1 故障現(xiàn)象

北京太陽宮燃氣熱電有限公司（以下簡稱京陽公司）安裝1套780 MW級二拖一燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，整套機組配置了1套天然氣增壓站，包含2臺美國Atlas公司生產(chǎn)的電驅(qū)動離心式增壓機，用于向變化負荷條件下的2臺燃氣輪機（GT） 提供壓力大約為3.2 MPa的燃氣。每臺壓縮機均設(shè)計為滿足110%的GT負荷。2012年11月，2臺增壓機先后出現(xiàn)再循環(huán)閥異動工況，在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下均很快趨于平穩(wěn)。

1.1 2號增壓機故障過程

2012年11月4 日9時14分，運行人員發(fā)現(xiàn)2號增壓機再循環(huán)調(diào)閥由21.4%瞬間開至35.1%，保持3 s后回關(guān)，最后穩(wěn)定在21%的開度。在此期間，燃機進氣閥（以下簡稱SRV閥）前系統(tǒng)壓力P1由 3.21 MPa降低至 3.09 MPa，最后穩(wěn)定在3.20 MPa，P1的變化導(dǎo)致SRV閥正常調(diào)節(jié)動作。整個過程的曲線見圖1。

1.2 1號增壓機故障過程

2012年11月5 日3時59分至4時42分，1號增壓機再循環(huán)閥經(jīng)歷了一次由19%回關(guān)至0又穩(wěn)定到19%的過程。其中由19%關(guān)至0用時11 min左右；由0開到19%用時10 min左右。由于P1壓力基本保持穩(wěn)定，未引起SRV閥門動作。

2 初步分析

增壓機再循環(huán)閥主要在運行中控制燃氣輪機入口燃氣壓力，并能在增壓機即將或已經(jīng)發(fā)生喘振時迅速打開，增加其入口流量，防止或消除喘振現(xiàn)象，起到保護設(shè)備的目的。從上述兩次再循環(huán)閥異動現(xiàn)象來看，其動作時間均在一個掃描周期（0.25s）以上，因此可以排除汽機流量需求信號消失、喘振系數(shù)小于-1 800、有載切無載、增壓機跳閘等原因，同時經(jīng)檢查也不存在可以引起這些結(jié)果的問題。因此初步分析再循環(huán)閥異動的原因是增壓機防喘振控制系統(tǒng)動作所致。

3 防喘振控制系統(tǒng)動作機理分析

3.1 增壓機喘振的原因

增壓機發(fā)生喘振的原因除了由于運行工況劇烈變化、誤操作外，有很多是由于設(shè)備問題及防喘振保護系統(tǒng)設(shè)置不盡合理而造成的。當(dāng)增壓機流量減少到一定量時會在流道中出現(xiàn)嚴重的氣流旋渦，流動狀況嚴重惡化，增壓機出口壓力突然下降，而管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力并不馬上降低，于是管網(wǎng)中氣體倒流至增壓機，一直到管網(wǎng)中壓力低于增壓機出口壓力，倒流停止，增壓機又向管網(wǎng)供氣，周而復(fù)始，機組管網(wǎng)系統(tǒng)的吸入流量和出口壓力產(chǎn)生周期性振蕩，從而產(chǎn)生喘振。

3.2 增壓機防喘振控制原理

增壓機喘振是一個比較復(fù)雜的流動過程，其發(fā)生具有快速性和突然性，因此防喘振控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)迅速、有效，才能保證燃氣機組安全、穩(wěn)定運行。其基本原理是：增壓機在任何工況下運行時，均應(yīng)確保入口流量大于喘振時的流量，當(dāng)增壓機即將發(fā)生喘振時，迅速打開防喘振閥（即再循環(huán)閥），增加增壓機入口流量，達到消除喘振的目的[1]。

3.3 增壓機防喘振再循環(huán)閥調(diào)節(jié)動作機理分析

3.3.1 調(diào)節(jié)回路的選擇

增壓機防喘振控制系統(tǒng)中的壓力控制器與喘振控制器共同作用來確定再循環(huán)閥的開度[2]。

喘振區(qū)域1（surrge error<0），有且僅有喘振控制器發(fā)生作用。

喘振區(qū)域2（surrge error 0～500），喘振控制器及壓力控制器均不調(diào)節(jié)，閥門維持當(dāng)前開度。

喘振區(qū)域3（surrge error>500，且再循環(huán)閥未全關(guān)），喘振控制器發(fā)生作用，當(dāng)控制壓力與設(shè)定壓力偏差超出控制死區(qū)時，壓力控制器作用，且控制壓力大于設(shè)定壓力時，開再循環(huán)閥，控制壓力小于設(shè)定壓力時關(guān)再循環(huán)閥。

3.3.2 再循環(huán)閥的控制

增壓機再循環(huán)閥在運行工況下用來調(diào)節(jié)燃機SRV閥前系統(tǒng)壓力（P1）及增壓機喘振參數(shù)，京陽公司目前設(shè)定系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)目標(biāo)值為3.2 MPa，調(diào)節(jié)死區(qū)0.01 MPa；喘振調(diào)節(jié)目標(biāo)范圍為0～500，即喘振區(qū)域2。閥門開度計算公式為

式中Y為閥門開度，X為計算的參數(shù)，分母為參數(shù)最大量程，其中壓力、流量對應(yīng)差壓、增壓機出入口差壓度量單位均為10PSI。

3.3.3 調(diào)節(jié)量的計算

3.3.3.1 壓力控制器計算

壓力控制器使用壓力偏差計算壓力回路積分系數(shù)，并通過式（1）轉(zhuǎn)化為積分作用下的閥門預(yù)期變化開度系數(shù)；使用壓力變化率（上一掃描周期控制壓力-當(dāng)前控制壓力）來計算比例系數(shù)，并通過式（1） 轉(zhuǎn)化為比例作用下的閥門預(yù)期變化開度系數(shù)。

3.3.3.2 喘振控制器計算

喘振控制器使用喘振系數(shù)絕對值計算喘振回路積分系數(shù)，并通過式（1） 轉(zhuǎn)化為積分作用下的閥門預(yù)期變化開度系數(shù)；使用喘振變化率（當(dāng)前喘振系數(shù)絕對值-上一掃描周期喘振系數(shù)絕對值）來計算比例系數(shù)，并通過式（1）轉(zhuǎn)化為比例作用下的閥門預(yù)期變化開度系數(shù)。

3.3.4 再循環(huán)閥控制的特點

必須指出的是，即使在調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)，上述調(diào)節(jié)量的計算過程也一直存在，僅僅在閥門指令的最終出口，利用死區(qū)的條件將上述計算結(jié)果全部清零。因此一旦調(diào)節(jié)發(fā)生，再循環(huán)閥的動作在壓力控制及喘振控制的疊加作用下往往呈現(xiàn)出階躍調(diào)節(jié)的特點，并非通常認為的平緩曲線，這也符合其迅速穩(wěn)定壓力及喘振參數(shù)的要求（喘振發(fā)生時，變化往往非常劇烈）。這從以往再循環(huán)閥的指令曲線上可以得到印證，2011年11月1號增壓機再循環(huán)閥7日內(nèi)指令曲線如圖1所示。

4 再循環(huán)閥異動分析處理

4.1 2號增壓機再循環(huán)閥動作分析

圖1 2011年11月1號增壓機再循環(huán)閥7日內(nèi)指令曲線

2號增壓機再循環(huán)閥動作前系統(tǒng)壓力為3.198 6 MPa，壓力控制器未動作，由于相鄰兩個掃描周期喘振參數(shù)均為619，喘振回路動作，但僅有積分作用，且閥門預(yù)期動作的方向為負，因此指令突然大幅度階躍的原因，必然是出現(xiàn)了異常的擾動。異常期間增壓機出口壓力一直在上漲，且排氣壓力與系統(tǒng)壓力的切換是在一個掃描周期（0.25 s）內(nèi)完成，曲線不可能記錄。可以判斷在該瞬間出口壓力瞬時升高（比系統(tǒng)壓力高0.3 MPa），增壓機趨于失速及喘振狀態(tài)，在不到4 s的時間內(nèi)使再循環(huán)閥迅速開大變化量為13%左右，壓力瞬間回落，但延時10 s后，控制壓力才重新切換為系統(tǒng)壓力，在回落期間，閥門繼續(xù)開大，但曲線上無法記錄壓力變化。閥門開大后系統(tǒng)壓力迅速下降，從而使壓力控制器控制壓力重新切換為排氣壓力，同時由于出口流量的增大，使喘振參數(shù)迅速增大，喘振控制器動作，使閥門動作方向趨向于關(guān)小。這期間由于排氣壓力已穩(wěn)定，比例作用消失，壓力控制器僅有積分作用，在喘振控制器與壓力控制器的平衡作用下，再循環(huán)閥保持了3 s開度穩(wěn)定，之后由于喘振參數(shù)最大到3 233，導(dǎo)致喘振控制器作用大于壓力控制器，再循環(huán)閥迅速回關(guān)，并趨于穩(wěn)定。

4.2 1號增壓機再循環(huán)閥動作分析

1號增壓機則呈現(xiàn)出不同的特點，其喘振參數(shù)常常趨于喘振1區(qū)，變化率為正時，閥門趨關(guān)；變化率為負時，閥門趨于開，由于喘振參數(shù)在1區(qū)、2區(qū)變化頻繁，造成了閥門震蕩，但整個過程歷時一個多小時，控制還是比較正常的。

4.3 處理結(jié)果

為抑止即將或已經(jīng)發(fā)生的喘振故障，再循環(huán)閥按防喘振控制邏輯正常動作，使增壓機運行很快趨于平穩(wěn)，保護了增壓機的設(shè)備安全。避免類似喘振的最有效措施是降低增壓機出口管阻，使增壓機出口壓力與系統(tǒng)壓力的偏差有效控制在0.3 MPa以內(nèi)，2013年京陽公司對增壓機出口后管道濾網(wǎng)進行了優(yōu)化升級，運行至今再未出現(xiàn)過類似異常[1-2]。

5 結(jié)束語

隨著燃氣電站的廣泛建設(shè)使用，增壓系統(tǒng)的安全運行越來越重要，因此深入了解增壓機防喘振系統(tǒng)的控制過程和控制邏輯對于燃氣機組的安全運行有著重要的意義。本文經(jīng)過對兩次增壓機再循環(huán)閥異動工況進行分析，闡述了燃氣輪機增壓機防喘振控制原理，通過對再循環(huán)閥調(diào)節(jié)動作機理進行了介紹，找到了導(dǎo)致其異常動作的原因，并經(jīng)過對管道濾網(wǎng)的優(yōu)化升級從根本上處理了該問題，保證了設(shè)備的安全運行，對燃氣電站增壓系統(tǒng)類似故障的分析處理有一定的借鑒意義。

［1］ 王大江，姜自忠.燃氣輪機增壓站防喘振系統(tǒng)控制分析［J］.黑龍江電力，2005，27（4）：271-274.

［2］ 皮狀行.可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.