翟洪柱　蔡東升

摘? 要：為了避免燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)在濕度較高溫度較低的環(huán)境下發(fā)生結(jié)霜結(jié)冰所引起的影響燃機穩(wěn)定安全穩(wěn)定運行等問題，根據(jù)進氣濾芯的結(jié)冰情況、環(huán)境的惡劣程度以及機組運行狀態(tài)，全面地分析總結(jié)了燃機防冰激活條件。基于所分析的激活條件，設計了防冰執(zhí)行機構(gòu)的動作邏輯以及防冰控制閥開度控制器。根據(jù)防冰過程中機組可能面臨的風險，闡述了報警及卸負載停機的保護條件。以某品牌大功率燃氣輪機作為研究對象，進行了相關的性能測試。實踐表明，所設計的防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運行，可以有效地避免進氣過濾系統(tǒng)發(fā)生的結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象的產(chǎn)生。

關鍵詞：燃氣輪機? ?高濕低溫? ?進氣過濾? ?防冰系統(tǒng)

中圖分類號：TK473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：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，燃氣輪機廣泛地應用于航空、航海、電力、石油化工等各個領域[1]。然而，在我國北方低溫高濕地區(qū)及海域，冬季燃氣輪機的進氣入口都會出現(xiàn)不同程度的結(jié)霜結(jié)冰現(xiàn)象，增大了進氣系統(tǒng)的壓力損失，給燃機的正常運行帶來了很高的風險。配套合理的進氣防冰裝置和設計安全可靠的控制邏輯是防止燃氣輪機進氣入口結(jié)霜結(jié)冰的根本辦法。目前，比較常見的防冰方式有蒸汽（熱水）加熱、電加熱、排氣再循環(huán)加熱和壓氣機的抽氣加熱等幾種方式[2]。蒸汽加熱與電加熱方式需要額外配備加熱裝置以及系統(tǒng)，從而影響了系統(tǒng)布局及結(jié)構(gòu)設計。而排氣再循環(huán)加熱方法因排氣溫度較高，在安全性和可控性上也存在著一定的風險[3]。目前，國內(nèi)外機組最廣泛采用的還是將高壓壓氣機中的一部分高溫高壓熱空氣引入到燃機的進氣系統(tǒng)過濾器入口處，通過空/空換熱的方式將進氣系統(tǒng)中的空氣加熱。這種方式不需要額外增加加熱熱源設備、具有工程造價較低、且抽氣量較小等優(yōu)點。北京太陽宮燃氣熱電公司所使用的GE9351FA燃機所配套的抽氣加熱除冰系統(tǒng)，在空氣濕度達到90%左右時，效果不佳，進氣過濾極易出現(xiàn)濕堵，引氣進氣系統(tǒng)壓損快速增加，造成機組被迫降負荷甚至停機[4]。中石化塔河油田電站的Titan130索拉燃氣輪機將高溫高壓空氣引入到濾芯之后消音器之前，只考慮了消音器和一級可轉(zhuǎn)導葉的防冰，并不能完全解決過濾器濾芯表面的防霜問題。

該文基于廣泛應用的壓氣機抽氣加熱的防冰方式，詳細地介紹了所設計進氣防冰控制系統(tǒng)的組成。根據(jù)高濕低溫環(huán)境的惡劣程度以及機組運行狀態(tài)，全面分析并量化總結(jié)了防冰激活條件?；诓煌募せ顥l件，設計了防冰執(zhí)行機構(gòu)的動作邏輯、自動擬合輸入設定值以及防冰控制閥開度控制器[5]。結(jié)合防冰控制過程中機組可能面臨的風險及故障，闡述了報警及卸負載停機的保護條件。以某品牌大功率燃氣輪機作為研究對象，進行了相關的性能測試。實踐表明，該防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運行，有效地避免了進氣濾芯濕堵現(xiàn)象的發(fā)生。

1? 進氣防冰系統(tǒng)介紹

某品牌大功率燃氣輪機進氣系統(tǒng)示意圖如圖1所示。進氣系統(tǒng)由過濾裝置（兩級濾芯）、消音器、防冰裝置（防冰控制閥、噴嘴）及各儀表組成。當相關的防冰條件滿足時，機組自動從壓氣機的最后一段抽出空氣（由防結(jié)冰氣動控制蝶閥（BV3）進行控制），通過熱空氣噴嘴注入進氣口進行防冰加熱。

下面對圖1中防冰控制系統(tǒng)設計需要用到的一些測量、控制裝置及變量進行簡要描述，具體如下。

TT101為外界環(huán)境溫度，由安裝在進氣系統(tǒng)外部的溫濕度計進行測量。

MT101為外界環(huán)境濕度，由安裝在進氣系統(tǒng)外部的溫濕度計進行測量。

TE103、TE104為濾芯根部的溫度，由濾芯根部的2只熱電阻測量，用于測定加熱后空氣到達濾芯時的溫度，防止溫度過高造成濾芯損壞或者影響濾芯壽命。

ZC101為防冰控制閥BV3的開度指令，即控制系統(tǒng)的控制輸入，用于控制和切斷流向進氣噴嘴的熱空氣流量。

TE201、TE202、TE203為壓氣機進口空氣溫度，由安裝在壓氣機入口的3個熱電阻測量。

T2min為壓氣機進口空氣溫度TE201、TE202、TE203的最小值。

T7為燃氣輪機排氣平均溫度。

AIMV為防冰控制器測量值，即控制系統(tǒng)輸出，定義為T2min與外界環(huán)境溫度的差值：

101（1）

AIsp為防冰控制器的設定值，即控制系統(tǒng)輸出的控制目標值，也就是在防冰控制器的作用下，隨著溫度的上升，AIMV預期所能達到的值。

?AI為防冰控制器的控制偏差量，定義AIMV與AIsp之間的差值。

T2T為壓氣機進氣溫度最小值的目標值，根據(jù)AIsp的定義可知T2T可以通過式（2）計算得出。該變量主要用于描述防冰系統(tǒng)報警及停機保護功能的條件，將在3.1節(jié)進行具體闡述。

101（2）

防冰系統(tǒng)閉環(huán)控制目標為設計防冰控制閥的控制規(guī)律使系統(tǒng)輸出AIMV（壓氣機入口溫度與環(huán)境溫度的差值）穩(wěn)定地跟蹤設定值AIsp，其閉環(huán)控制流程如圖2所示。

2? 防冰控制系統(tǒng)設計

2.1 防冰系統(tǒng)的激活條件

基于外界空氣溫濕度測量值所設定的防冰激活條件具體如下。

激活條件：機組在運行時（機組起動/停止功能塊置位或壓氣機轉(zhuǎn)速大于900 r/min），環(huán)境相對濕度MT101高于80%（在70%將解除激活），且外部環(huán)境溫度TT101在-5 °C和+5 °C之間（低于-6 °C或高于+6 °C將解除激活），具體見圖3。

2.2 執(zhí)行機構(gòu)動作邏輯

當滿足上述激活條件時，防冰控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)將做出以下響應。

當滿足激活條件時，為了盡快提高進氣溫度以避免結(jié)冰，防冰執(zhí)行機構(gòu)先用最大加熱能力（防冰控制閥BV3開到最大值ZC101MAX）加熱進氣系統(tǒng)10 min，此控制過程為開環(huán)控制[6]?？紤]到高負荷下若 BV3開度過大易導致透平燃燒排氣溫度突升，所以需要根據(jù)機組所帶的負荷高低來設計防冰控制閥開度的最大值ZC101MAX。該文以額定功率為33 MW的某型燃氣輪機為例，設計該階段ZC101MAX的規(guī)律為：

（3）

按照以上規(guī)律以最大加熱能力進行開環(huán)控制10 min后，系統(tǒng)開始執(zhí)行閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的輸入設定值可以根據(jù)外界環(huán)境溫度進行自動計算，設計規(guī)律見表1。

其中，外界環(huán)境溫度-5 °C和+5 °C之間所對應的輸入設定值AIsp和壓氣機進氣溫度目標值T2T可以通過對表1中的數(shù)據(jù)進行線性差值而得到。

根據(jù)擬合的輸入設定值，防冰閥開度控制器采用PCS軟件中PIDConL模塊進行閉環(huán)控制，該模塊對經(jīng)典的PID算法進行了優(yōu)化，能夠滿足更多的控制要求，其控制基本算法如式（4）所示，其中GainEff為模塊中的等效比例系數(shù)，TI為積分時間，TD為微分系數(shù)，ER為控制器輸出誤差，即?AI，MV為控制器的計算輸入，即控制閥開度ZC101。

（4）

需要注意的是，在閉環(huán)調(diào)節(jié)防冰控制閥時，為了避免BV3動作過快對透平T7排氣溫度的影響而導致機組卸載停機，應適當減小比例GainEff增益，增加積分系數(shù)TI，可以使得防冰控制得更為穩(wěn)定平滑。

3? 系統(tǒng)性能及應用分析

3.1 保護功能

防冰系統(tǒng)的控制效果可以依據(jù)壓氣機入口空氣各溫度傳感器的測量值與擬合的防冰控制的進氣溫度目標值T2T的差值大小來評估。

3.1.1 報警條件

以下3種情況均會觸發(fā)防冰系統(tǒng)報警條件。

（1）防冰系統(tǒng)激活條件持續(xù)激活5 min后，T2T-T2AVR>1 °C（延時5 min）。

（2）防冰系統(tǒng)未成功啟動：即當激活條件被激活2 min內(nèi)防冰控制閥BV3的開度小于30%（延時1 min）。

（3）加熱后空氣到達濾芯時的溫度TE103和TE104至少有一個大于60 °C（防止高溫造成濾芯損壞）。

其中T2AVE為壓氣機進口空氣溫度TE201、TE202、TE203的平均值。

3.1.2 卸負載停機條件

（1）防冰系統(tǒng)激活條件持續(xù)激活5 min后，對于測量壓氣機進口溫度的3個傳感器溫度與目標溫度的差值T2T-TE201>3 °C，T2T-TE202>3 °C，T2T-TE203>3 °C，其中至少有兩個不等式成立（延時5 min）。

（2）這3個測量壓氣機進口溫度的傳感器至少有兩個及以上故障。

3.2 防冰系統(tǒng)應用效果

該套進氣防冰系統(tǒng)于2019年11月份應用在某工廠的燃氣透平機組上。圖4為基于WINCC軟件設計的進氣防冰系統(tǒng)及控制設定人機交互界面。圖5為2020年2月份防冰系統(tǒng)起動時的負荷、轉(zhuǎn)速、外界溫濕度以及防冰控制閥動作的曲線。從圖4、圖5中可以看出，當防冰條件滿足時（外界溫度1.8 °C左右，濕度81%左右時），防冰閥以最大加熱能力開啟10 min后，然后防冰控制閥轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制。從運行曲線中可以看出，該系統(tǒng)在幾個月的實踐中運行穩(wěn)定，在冬季高寒及高濕的環(huán)境下防冰效果非常明顯。

4? 結(jié)語

根據(jù)高濕低溫環(huán)境的惡劣程度以及機組運行狀態(tài)，對可能存在的冰霜風險進行分析和舉措，全面分析并量化總結(jié)了防冰激活條件?；谒治龅募せ顥l件，設計了防冰執(zhí)行機構(gòu)的動作邏輯以及防冰控制閥開度控制器。結(jié)合大功率燃氣輪機防冰系統(tǒng)的實際應用情況，闡述了報警及卸負載停機的保護條件。實踐表明，該防冰系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運行，有效地避免了進氣濾芯濕堵現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻

[1] 秦亞迪，鄭大雷，徐立昊，等.燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)常見問題分析及應對[J].天然氣與石油，2021，39（2）：107-112.

[2] 劉振河.淺談燃氣輪機入口設置防冰系統(tǒng)的必要性[J].化工管理，2018（1）：156-157.

[3] 劉麗麗，廉小隗.M701F燃氣輪機防結(jié)冰系統(tǒng)改造[J].化學工程與裝備，2017（5）：181-182.

[4] 孟凡剛，馮永志，于寧，等.燃氣輪機典型故障統(tǒng)計分析及運行維護[J].電氣時代，2020（1）：52-53.

[5] 朱華，嚴彪，劉雨松，等.濕空氣透平冷卻技術(shù)研究[J].發(fā)電技術(shù)，2021，42（4）：412-421.

[6] 吳莉娟，嚴志遠，唐任宗，等.GE9351FA燃機進氣防冰除濕系統(tǒng)改造[J].電力科技與環(huán)保，2018，34（5）：46-47.

作者簡介：翟洪柱（1984—），男，本科，工程師，研究方向為海洋石油設備設施。