陳子靜 王勇 王兆舜 曹偉平 郁建雄

摘 要：以GE公司PG9171E燃氣輪機為研究對象，在了解進氣加熱系統(tǒng)（IBH）工藝特點及控制策略的前提下，對進氣加熱系統(tǒng)投入和退出兩種情況下燃氣輪機變工況的性能進行了對比分析。研究結(jié)果表明，進氣加熱系統(tǒng)的投入使得燃氣輪機在更低的負荷工況下以犧牲熱效率為代價獲得了更高的透平初溫和透平排氣溫度，拓寬了預(yù)混工況的工作范圍。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機;進氣加熱系統(tǒng);變工況;透平初溫

0 ? ?引言

為了在較低負荷工況下獲得更高的透平初溫，使燃氣輪機更早進入預(yù)混穩(wěn)定模式，以穩(wěn)定燃燒及獲得更為寬泛的低NOx排放范圍，減小IGV角度，降低壓氣機入口空氣量是一個行之有效的手段。但是IGV角度的減小會導(dǎo)致較大的壓降和空氣流的總溫下降，可能致使壓氣機進口結(jié)冰，同時流量的降低也會導(dǎo)致壓氣機的喘振裕度下降，從而影響機組安全。為了解決這一問題，GE公司在燃氣輪機上設(shè)置了進氣加熱系統(tǒng)（IBH），即從壓氣機排氣抽取一部分高溫高壓的氣體引至壓氣機入口，從而提高了壓氣機的入口溫度和入口空氣量，保證了在減小IGV角度的情況下提高部分負荷時的透平初溫，使得機組能夠更早地進入預(yù)混穩(wěn)定模式[1]。

本文為了深入研究進氣加熱系統(tǒng)對GE公司PG9171E燃氣輪機變工況性能的影響，在仿真平臺上以GE公司PG9171E燃氣輪機為研究對象，在深度剖析進氣加熱系統(tǒng)控制策略的前提下，對IBH投入和退出兩種情況下的燃氣輪機變工況性能進行了對比分析。

1 ? ?進氣加熱系統(tǒng)

為了防止壓氣機壓比超限，GE公司PG9171E燃氣輪機專門設(shè)置了壓氣機運行極限壓比，其為IGV角度和折合轉(zhuǎn)速TNHCOR的函數(shù)，如圖1所示。

折合轉(zhuǎn)速TNHCOR是經(jīng)ISO大氣溫度和壓力校正后的轉(zhuǎn)速，其公式如下所示：

式中：CTIM為壓氣機入口溫度（℃）;TNH為實際轉(zhuǎn)速（r/min）。

由圖1可知，在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，隨著IGV角度減小，壓氣機的壓比極限也會下降，然而IGV角度減小同時也會導(dǎo)致壓氣機入口流量降低，壓氣機實際壓比增大，從而有可能使壓氣機實際壓比逼近壓比極限，影響設(shè)備安全。為了在IGV角度減小的同時降低壓氣機壓比，提高壓氣機入口溫度是一個行之有效的方法，壓氣機入口溫度的提高，可以使壓氣機的流通能力增大，從而降低壓氣機的壓比。

因此，GE公司設(shè)計了壓氣機進氣加熱系統(tǒng)，即從壓氣機排氣抽取一部分高溫高壓的氣體引至壓氣機入口，與吸入的空氣相混合。該系統(tǒng)主要由進氣加熱隔離閥VM15-1、排污閥VA30-1、控制閥VA20-1、控制閥上下游壓力變送器96BH-1及96BH-2等回路組成，如圖2所示。

2 ? ?IBH控制策略

GE公司9E燃氣輪機進氣加熱系統(tǒng)控制基準有4個，即防冰進氣加熱控制基準、手動設(shè)定控制基準、干法低NOx進氣加熱控制基準和壓氣機工作極限控制基準，四者取大值作為控制閥的輸出指令。但絕大多數(shù)9E機組只有干法低NOx進氣加熱控制基準和壓氣機工作極限控制基準這兩個基準，二者與常數(shù)0取大值作為控制閥的輸出指令[2]。

2.1 ? ?干法低NOx進氣加熱控制基準

干法低NOx進氣加熱控制基準如下式所示：

式中：CSRDLN為進氣加熱抽氣量與排氣量比值百分數(shù)的設(shè)定值;CQBHP為進氣加熱抽氣量CQBH與實測排氣量WEXH比值的百分數(shù);csrihout′為上一周期控制閥的指令。

CSRBH為進氣加熱抽氣量與排氣量比值百分數(shù)的基準值。當(dāng)CSRDLNCSRBH時，CSRDLN以0.062 5%/s的速率降低至CSRBH。當(dāng)燃機轉(zhuǎn)速低于95%額定轉(zhuǎn)速或IGV角度大于62°時，CSRBH=-1，在其他情況下，CSRBH的取值如下式所示：

式中：K1為常數(shù)0.014 948 86;K2為常數(shù)89.655 250 9;K3為常數(shù)-0.095 926 1;K4為常數(shù)198.871 645 4;P0為大氣壓力;P2為壓氣機排氣壓力;T4為透平排氣溫度。

進氣加熱抽氣量CQBH的計算如下式所示：

式中：PI為IBH閥門上游絕對壓力;CSCV為閥門流量系數(shù);CSXT為閥門壓差系數(shù)2;CTDR為閥門阻塞流壓差系數(shù)CSCFF與壓氣機排氣溫度的比值。

CSCFF為閥門阻塞流壓差系數(shù)，其為閥門壓差系數(shù)1

（CPBHPR）、閥門壓差系數(shù)2（CSXT）及常數(shù)0做三取中所得。

其中，閥門壓差系數(shù)1（CPBHPR）為IBH控制閥上下游壓差除以閥門上游絕對壓力所得。

閥門壓差系數(shù)2（CSXT）為IBH控制閥指令經(jīng)一階慣性延遲（K=1，T=0.5 s）后，再經(jīng)過折線函數(shù)運算所得，如表1所示。

CSCV為閥門流量系數(shù)，其為IBH控制閥指令經(jīng)一階慣性延遲（K=1，T=0.5 s）后，再經(jīng)過折線函數(shù)運算所得，如表2所示。

2.2 ? ?壓氣機工作極限控制基準

壓氣機工作極限控制基準如下式所示：

CSRPRX=max（CSRPRX1，CSRPRX2） ? ? ? ? ? ?（7）

當(dāng)壓氣機運行限制控制故障時，CSRPRX1=100;當(dāng)壓氣機運行限制控制無故障且IBH壓比限制未激活時，CSRPRX1=0;當(dāng)壓氣機運行限制控制無故障且IBH壓比限制激活時，CSRPRX1=CSRPR。當(dāng)未進入預(yù)混穩(wěn)定模式時，延時30 s，CSRPRX2=CSRPRX1;當(dāng)進入預(yù)混穩(wěn)定模式時，CSRPRX2保持之前值。

其中IBH壓比基準CSRPR計算如下式所示：

式中：csrihout為IBH控制閥指令;CPRERR為壓比極限與實際壓氣機壓比的差值，并將其限定在3～100。

3 ? ?燃氣輪機熱力性能評價指標(biāo)

當(dāng)假設(shè)燃氣輪機工質(zhì)為理想氣體，即氣體的熱力性質(zhì)不變，以及各個工作過程無損耗無泄漏時，燃氣輪機工作過程就可簡化為由4個可逆過程組成的定壓加熱理想循環(huán)[3]，如圖3所示。圖中，1—2為空氣在壓氣機中絕熱壓縮過程，2—3為氣體在燃燒室定壓加熱過程，3—4為氣體在渦輪中絕熱膨脹做功，4—1為氣體定壓放熱過程。

對于定壓加熱理想循環(huán)，一般采用比功we與熱效率 ηt這兩個指標(biāo)進行分析，由布雷頓循環(huán)可推導(dǎo)出定壓加熱理想循環(huán)的比功及熱效率公式：

由公式（13）可知，定壓加熱理想循環(huán)的熱效率取決于壓氣機的壓比，并隨著壓比的增大而提高，但是該表達式忽略了定壓加熱理想循環(huán)的本質(zhì)，即未解析熱現(xiàn)象的本質(zhì)，不足以用于分析熱機過程。因此，本文為了更好地表述燃氣輪機的熱機本質(zhì)，在此引入循環(huán)溫增比τ=T3/T1，燃燒室溫增比τb=T3/T2，并將比功和熱效率公式改為溫比形式，可得以下公式：

當(dāng)燃燒室溫增比為循環(huán)溫增比的平方根且燃氣輪機的比功最大時，機組熱效率最佳，由此也可以得到一個最佳的壓比。與此同時可以發(fā)現(xiàn)，比功及熱效率與循環(huán)溫增比及燃燒室溫增比均有關(guān)系，而且最佳燃燒室溫增比的存在其實是限制了壓比，也就是說燃燒室溫增過程其實限制了壓比的選取。

4 ? ?仿真試驗及結(jié)果分析

為了深入研究進氣加熱系統(tǒng)對燃氣輪機變工況性能的影響，本文在仿真平臺上以GE公司PG9171E燃氣輪機機組為研究對象，對IBH投入和退出兩種情況下的燃氣輪機變工況性能進行了對比分析。模型設(shè)定環(huán)境溫度為20 ℃，大氣壓力為0.101 45 MPa，燃氣溫度為20 ℃。

由圖4和圖5可知，因IBH投入，IGV最小全速角由57°變成42°，從而導(dǎo)致壓氣機入口空氣量減少，透平初溫T3升溫過程加快，進而引起DLN模式切換點發(fā)生了變化。IBH未投入的情況下，DLN模式切換為貧貧增負荷模式時負荷約為59 MW，進入二次切換模式時負荷約為91 MW，約21 s后，進行預(yù)混切換模式，約14 s后，進入預(yù)混穩(wěn)定模式，此時負荷約為93 MW;而IBH投入的情況下，DLN模式切換為貧貧增負荷模式時負荷約為33 MW，進入二次切換模式時負荷約為60 MW，約21 s后，進行預(yù)混切換模式，約12 s后，進入預(yù)混穩(wěn)定模式，此時負荷約為63 MW。即IBH投入時，燃氣輪機在約50%額定負荷時即可進入預(yù)混穩(wěn)定模式，從而獲得了更為寬泛的低NOx排放范圍。

而由IBH投入和退出兩種情況下的壓氣機壓比變化曲線（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，IGV最小全速角為42°時，壓氣機壓比極限雖然有明顯的下降，但是由于IBH的投入提高了壓氣機的入口溫度，壓氣機實際壓比有了明顯的降低，從而保證了壓氣機在正常運行時有足夠的喘振裕度。

對比IBH投入和退出兩種情況下的燃燒室溫增比及循環(huán)溫增比（圖7）可知，當(dāng)IBH投入時，燃燒室溫增比及循環(huán)溫增比均要明顯高于IBH未投入時的燃燒室溫增比及循環(huán)溫增比，但隨著負荷的增加，增溫比之間的偏差越來越小，當(dāng)IBH退出控制后，兩種狀態(tài)下的燃燒室溫增比及循環(huán)溫增比逐漸趨于一致。此外，當(dāng)負荷穩(wěn)定在額定負荷附近時，燃燒室溫增比的平方與循環(huán)溫增比近似相等，結(jié)合公式（17），可以證明GE公司PG9171E燃氣輪機是以比功最大為原則進行設(shè)計的。

由圖8可知，在低負荷階段，由于壓氣機進氣量要少于IBH未投入時的進氣量，所以單位工質(zhì)的做功能力相較于IBH未投入時要高。另外，結(jié)合熱效率計算公式（13）或（15）可以發(fā)現(xiàn)，在低負荷段由于燃燒室溫增比增長較快，其熱效率要明顯低于IBH未投入時的熱效率，即燃氣輪機在中低負荷段是以犧牲熱效率為代價來換取更高的循環(huán)溫增比及燃燒室溫增比，以使燃機更早地進入預(yù)混穩(wěn)定模式，從而獲得更為寬泛的低NOx排放范圍。

5 ? ?結(jié)論

本文基于仿真模型對IBH投入和退出兩種情況下的燃氣輪機變工況性能進行了對比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在中低負荷段通過減小IGV角度可以提高透平初溫，使DLN模式更早切換至預(yù)混穩(wěn)定模式，從而獲得更為寬泛的低NOx排放范圍。

（2）IGV角度的減小也會導(dǎo)致壓氣機的運行極限壓比減小，因而通過投入IBH系統(tǒng)提高壓氣機入口溫度的方法降低了壓氣機的實際壓比，增加了壓氣機運行時的喘振裕度，從而保證了壓氣機的安全運行。

（3）IBH的投入降低了燃氣輪機在中低負荷段的熱效率，因此當(dāng)IGV進入溫控模式，IGV角度逐漸增大時，需要減小IBH的開度，直至IBH系統(tǒng)退出。

（4）當(dāng)負荷穩(wěn)定在額定負荷附近時，燃燒室溫增比的平方與循環(huán)溫增比近似相等，由此可以證明GE公司PG9171E燃氣輪機是以比功最大為原則進行設(shè)計的。

[參考文獻]

[1] 王曙光，朱本剛.GE公司9E燃氣輪機進氣加熱系統(tǒng)控制分析[J].燃氣輪機技術(shù)，2017，30（4）：47-50.

[2] 章素華.燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2013.

[3] 清華大學(xué)熱能工程系動力機械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司.燃氣輪機與燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.

收稿日期：2021-09-28

作者簡介：陳子靜（1988—），男，江蘇南京人，工程師，從事燃氣輪機控制系統(tǒng)研究工作。