进口可转导叶igv在燃气轮机压气机中的应用

进口可转导叶igv在燃气轮机压气机中的应用

0pg351fa型燃气轮机pg9351f涡轮箱是一艘重型和箱式发电，燃料为天然气。主要部件为压气机、透平和燃烧室。由美国通用电气公司制造。在ISO工况下燃用天然气时其基本负荷为256MW,简单循环热效率为36.9%,压气机压比为15.4,透平一级静叶后的燃气最高温度为2420℉(1326.7℃)。PG9351FA型燃气轮机由18级轴流式压气机、18个逆流分管DLN2.0+型燃烧室、3级燃气透平组成。压气机由转子和气缸构成,在气缸中安装了18级压气机静叶,1级进口可转导叶(IGV)和2级出口导叶。当PG9351FA型燃气轮机与余热锅炉、汽轮机组成单轴联合循环发电机组时其功率为冷端(压气机端)输出。ISO工况下其基本负荷为394MW,联合循环热效率为57.43%。1igv的功能1.1采用空气容积流量和进口可转导叶防止有气充分运动根据多级压气机特性曲线可知:在压气机特性曲线的左侧,有一条喘振边界线,当流经压气机的空气流量减小到一定程度,就会使运行工况进入喘振边界线的左侧,造成整台压气机不能稳定工作。那里的空气流量和压力会出现波动,严重时会使气流从压气机进口倒流出来,同时发出低频怒吼声,机组伴随强烈振动,这种现象通称为喘振。在实际运行中,决不能允许压气机在喘振工况下工作,因为当严重喘振发生时,往往会造成压气机叶片断裂,导致灾难性事故发生。喘振现象的发生与压气机通流部分的气流脱离密切相关。压气机在设计工况运行时,气流进入工作叶栅的冲角接近于零。当压气机偏离设计工况运行时,必然会出现气流的正冲角或负冲角。当冲角增大到一定程度时,气流就会同叶面分离形成气流脱离现象。如图1a)中的2所示,当空气容积流量超过设计流量时,将产生负冲角,当冲角增大到一定程度时,在叶片内弧面就会发生气流脱离现象。但由于气流在叶片内弧侧流动,在惯性力作用下,气流脱离区会朝着叶片内弧面方向挤拢和靠近,从而防止脱离区的进一步发展。但是当流经工作叶栅的空气容积流量减小时,情况就完全相反了,如图1a)中的3所示,当空气容积流量小于设计流量时,将产生正冲角,当冲角增大到一定程度时,就会在叶片背弧面发生气流脱离现象。由于气流在叶片背弧侧流动,在惯性力作用下,存在一种使气流离开叶片背弧面而分离出去的自然倾向。使气流脱离区不断发展扩大,最终产生气流的强烈脉动,形成了喘振现象。研究表明:对于多级的、高压缩比的轴流式压气机,在启动和停机时,由于转速低于正常设计转速,进气量少,在压气机的前几级将出现较大的正冲角,比较容易发生气流脱离现象,进而发展成喘振。正是为了防止喘振现象的发生,在轴流式压气机的第一级安装了进口可转导叶(IGV)。当燃气轮机启动和停机时,只要关小IGV角度,如图1b)所示,就能减小或消除气流进入第一级动叶的正冲角,从而防止第一级动叶进入喘振工况。同时由于进入第一级动叶的气流正冲角的减少,使第一级动叶的外加功量下降,第一级动叶出口处,空气的压力就比较低,这样就可以增大流到其后各级中去的空气体积流量,使这些级的气流冲角适当减少,因而也改善了后面几级的稳定工作特性。1.2减少启动功率燃气轮机启动时,IGV处于最小开度,将减小流经压气机的空气流量,降低了启动功率。1.3提高效率在燃气轮机不同的运行方式中,通过调节IGV开度,即可在一定程度上调节燃气轮机的排气温度及压比,从而提高总体效率。1.4透平功率2/3在燃气轮机正常运行时,压气机的耗功大约占到了透平输出功率的2/3。在机组甩负荷时,控制系统MARKVI通过开大IGV的角度来增加进气量,以增大压气机耗功,抑制转速飞升,防止超速。2可转导叶遮断阀控制过程如图2所示,在每一个可转导叶的顶部都安装了一个小齿轮,旋转这些小齿轮就可以改变进口导叶的角度。这些小齿轮的转动是依靠两个半圆的齿条来带动的。而齿条的动作由油动机HM3-1来操纵。如图3所示,当机组启动时,来自OH-4的高压液压油经过滤器FH6-1后流向伺服阀90TV-1和进口可转导叶遮断阀VH3-1,由于跳闸油在启动转速继电器14HT动作前(>1.5%转速动作)是无压状态,所以遮断阀VH3-1在左边弹簧力的作用下处于左边的工作状态。液压油经VH3-1进到油动机HM3-1的油缸活塞下面腔室,活塞上腔室经VH3-1接通回油管路OD,在此情况下,油动机活塞移到顶部,使IGV处于初始状态的最小开度,即28.5°;当机组在变频启动装置的牵引下启动并使14HT动作时,跳闸油压建立,推动VH3-1阀向左移动,使该阀处于右边位置,这时将液压油OH-4接通伺服阀90TV-1和油动机之间的液压油路,使可转导叶IGV处于可调整状态。位置信号LVDT(96TV-1,-2)用于IGV开度的调节反馈。3关于igv的测量基于IGV的设计要求,由控制系统MARKVI对其实现自动控制。在此约定如下参数:CNCF:SpeedCorrectionFactor(速度修正系数)TNH:TurbineHPshaftspeedin%(透平百分比转速)TNHCOR:TurbineHPSpeed,ISOCorrected(修正至ISO状况下的透平转速)CPR:CompressorPressureRatio(压气机压比)CSRGVPS:PartSpeedVIGVReference(部分转速IGV基准)CTIM:CompressorInletTemperature(压气机进气温度)TTRXGV:IGVTempControlReference(IGV温控基准)TTRX:TemperatureControlReference(温控基准)CSRGVMAN_CMD:IGVSetpointCommandSignal(IGV手动设定值)CSRGV:IGVReference(IGV基准)FSR:FuelStrokeReference(燃料冲程基准)CSKGVSSR:SimpleCycleIGVTempContRef(简单循环IGV温控基准)TTRXTMR:TemperatureMatchingSetpointRateControlledIGV(IGV温度匹配设定点)TTRXGVTM:PartLoadIGVTemperatureRef(部分负荷IGV温控基准即联合循环温控基准)CSRGVMN:MinIGVAngleDuringTertiaryFSNLorOverspeed(IGV最小运行角)CSKGVMAX:OpenIGVPosition(IGV最大开启角)L83GVMAX:Off-LineWaterWashIGVSignalLogic(离线水洗IGV信号)从MARKVI的控制来看,IGV伺服系统最终仅使IGV实际位置等于CSRGV。所以IGV的全部规律均由MARKVI的控制算法确定。CSRGV值的变化规律即为IGV的控制规律。3.1igv标准算法的框图如图4所示。3.2机组进入测温IGV部分转速基准:其中TNHCOR=TNH×CNCF=TNH×(540℉/(460℉+CTIM))0.5CTIM为压气机进口温度,界于-80℉和140℉之间。CSRGVPS界于上限88°与下限28.5°之间。因此CSRGVPS随TNHCOR的变化如图5所示。在机组尚未进入温控前,由图4的IGV基准算法框图中的大选门输出为CSRGVMN,这样CSRGV的值等于CSRGVMN与CSRGVPS的小选值。如上所述,在部分转速时CSRGV随TNHCOR的变化如图6所示:3.3v允许在压气机的最小角度下值由图4可知:IGV最小运行角决定了燃气轮机正常运行时IGV允许的最小角度,其值大小将影响压气机的安全运行。考虑到机组低负荷运行期间燃烧稳定、DLN燃烧室运行范围等因素,实际运行的IGV最小运行角,由以下三部分的最大值来决定。(1)设置最小igv操作角程序功能允许手动设定IGV最小运行角,允许用户设定值范围为49~88°,出于安全考虑,此功能一般不对用户开放。(2)进口泵加热igv的最小工作角为在装设有进口抽气加热装置的机组上定值为49°(浙江镇海PG9351FA燃气轮机)。(3)降低燃料喷嘴的压降超速IGV最小运行角为转速的函数。在机组甩负荷时,一方面通过开大IGV角度来增加空气流量,产生更大的压气机负荷,阻止转速飞升;另一方面也提升压气机的排气压力,以减少燃料喷嘴的压降,减少甩负荷后喷入的燃料流量。超速IGV最小运行角控制值为:为了防止甩负荷时,盲目开大IGV导致燃烧不稳定,超速IGV最小运行角作为IGV的最小运行角输出的条件比较苛刻,以联合循环运行方式为例:超速IGV最小运行角,只有在联合循环IGV温控基准已动作,IGV开度大于55.5°,且转速大于约103%时(即因转速飞升太快或燃气控制阀没有及时关小燃料流量)才会被选用,作为IGV的最小运行角输出。3.4igv早期联合循环的基准根据燃气轮机运行所处的不同状态,不同阶段,选择不同的温控基准,利用IGV调节燃气轮机进气流量,来控制排气温度,达到提高效率或配合启动的目的。IGV的温控基准有以下三部分组成。(1)SimpleCycleIGVTempControlReference(简单循环IGV温控基准)当燃气轮机处于简单循环运行方式时,透平排气通过旁路烟囱排入大气,此时燃气轮机的效率对压气机压比比较敏感。在保证燃烧稳定的前提下,设法及早开启IGV以提高压比,来提高燃气轮机的效率。与PG9171E燃气轮机一样,PG9351FA燃气轮机的简单循环IGV温控基准也为700℉,即一旦选择简单循环温控模式,IGV在最小运行角至88°开度范围内进行调节以保持燃气轮机的排气温度为700℉(371.1℃)不变。(2)TemperatureMatchingSetpointRateControlledIGV(IGV温度匹配设定点)当燃气轮机处于联合循环运行方式时,为了使余热锅炉主汽温度与不同状态的汽机金属温度相匹配、协调汽机的启动、延长汽机寿命、防止高温金属部件受冷却、防止产生动静磨擦,MARKVI设有专门的温度匹配程序。当发电机开关闭合后,激活MARKVI温度匹配程序,MARKVI将以汽机高压缸一级缸温加上230℉(110℃)作为透平排气温度匹配的目标值,通过IGV调节来达到目标排气温度。当机组热态启动时,由于旋转备用负荷时所能达到的燃气轮机排气温度还未能达到目标排气温度,在这种情况下要对燃气轮机加负荷来增加排气温度,以达到设定值,而此时IGV将保持在最小运行角。(3)PartLoadIGVTemperatureReference(联合循环IGV温控基准)当燃气轮机处于联合循环运行方式时,其联合循环效率对燃气轮机的透平进口温度比较敏感。因此在保证透平进口温度不超温的前提下,尽量晚开启IGV,以提高透平的进口温度,提高整套联合循环的总体效率。为此联合循环IGV温控基准参照FSR温控基准。联合循环IGV温控基准的控制策略为:图7为IGV的温控线。3.5gv动手控制MARKVI控制程序中设有IGV手动控制功能,一旦该功能被选择,允许操作员直接设定IGV控制目标值CSRGVMAN_CMD即IGV手动设定值,IGV则以0.25°/秒(在线)或0.5°/秒(离线)的速率开到目标值。为了避免在启动阶段,因盲目使用IGV手动控制功能,而导致燃气轮机引起喘振或热悬挂,为此在手动控制投运命令中增加一个L14HSX=1必要条件,即只有在机组转速大于95%额定转速后,才允许被投运。考虑到单轴的联合循环机组,燃气轮机透平排气温度下限对汽机运行状态的影响,IGV手动控制功能一般不对用户开放。3.6igv的开至最顺着进气流向,离线水洗的喷嘴安装在IGV的上游,为了尽可能的减少IGV对离线水洗时水雾的阻挡,必须将IGV开至最大。如图4所示,当离线水洗命令发出,机组转速大于14%额定转速后,L83GVMAX=1,使CSRGV=88°,IGV开至最大。3.7机组运行状态综上所述,IGV的角度调节在部分转速时是一样的,并网后根据所处简单循环或联合循环不同运行方式而选择不同的调节规律。部分转速时:在启动升速过程中,为了防止压气机在低转速下发生喘振,IGV处在最小位置28.5°,当机组达到约85%修正转速至约89%修正转速时,IGV从28.5°打开至最小运行角。而停机降速时则刚好相反,当机组降到约89%修正转速至约85%修正转速时,IGV从最小运行角关至28.5°。简单循环时:燃气轮机并网带负荷后,IGV保持最小运行角直至机组气温度达到700℉,IGV开始参与调节保持排气温度700℉,随着负荷的继续增加,IGV从最小运行角打开至88°的位置,此后若负荷继续增加,IGV退出控制,在此负荷以上IGV将保持88°开度直至额定负荷。降负荷则刚好相反。联合循环时:燃气轮机并网后,在汽机启动阶段,IGV以高压缸一级缸温加上110℃作为透平排气温度匹配目标值,进行温度匹配。在汽机启动结束后,IGV以联合循环IGV温控基准为控制目标,进行控制。4igv故障自诊断IGV的故障自诊断分为两类:IGV故障检测和IGV未跟踪命令值。(1)igv伺服电流自保持保护当IGV开度反馈值小于26.5°或命令为全关而开度大于29.5°并延时5s后,发出IGV位置故障报警并自保持。此报警状况消失时,报警不会自动复归,需执行主复位来复归。当IGV