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摘要：针对三菱 M701F4 型燃机排气系统进入温控模式，IGV开度不合理导致机组出力达不到给定目标值，使得机组运行效率下降，对中调负荷响应不及时等问题，分析了三菱 M701F4 型燃气轮机排气系统进入温控模式下影响发电效率的问题，在原因解析有了初步结论的基础上，详细阐述了温控模式受环境温度影响的客观因素，提出了解决方案和改进建议，为燃气发电厂技术人员提供参考。
关键词：三菱 M701F4；能耗；IGV；温控模式
引言
三菱M701F4型燃气轮机排气系统的作用[1]是将燃气轮机排气引入到余热锅炉，经余热锅炉受热面吸热后，通过烟囱排到环境中。为了保护燃气轮机，在燃机排气道内装设了一组叶片通道温度测点、一组排气温度测点。排气系统在理论设计上已经比较完善，为燃气轮机的发展起到一定的推动作用，并且相比较单循环机组更是提高了燃气-蒸汽联合循环机组的效率。
但是三菱M701F4型燃气轮机在实际运行中，燃气轮机的排气系统仍然存在一些现实的问题，比如排气系统受环境温度影响排气温度高进入温控模式[2]，IGV开度不合理进而影响发电效率的等等问题。此类问题常出现在燃气轮机运行过程中，严重降低了燃气-蒸汽联合循环机组发电效率、能耗等经济指标。针对三菱 M701F4型燃机联合循环机组在运行过程中排气系统现有的设计及使用现状导致经济指标明显下降事件，本文着重介绍三菱M701F4燃气轮机排气系统的设计原理、系统特点以及运行方式，重点分析排气系统的运行特性，通过建立图表对比以及罗列运行技术参数等对温控模式下IGV的开度特点进行详细的描述，探讨机组进入温控模式下受环境温度的影响以及IGV开度的问题。鉴于此，设定夏季和冬季两种工况下燃气轮机负荷与IGV开度的函数关系来提高机组发电效率、降低能耗来满足燃气-蒸汽联合循环机组经济运行的需求是解决问题的关键。
1 排气系统主要表计监视的数据对工况的影响探讨
叶片通道温度（BPT）检测器监测到的温度场[3]，充分反映了燃气轮机内部燃烧、做功的温度场。因此叶片通道温度主要用来监控燃气轮机燃烧工况、保护燃气轮机安全运行，叶片通道平均温度还参与燃气轮机燃烧控制；排气温度（EXT）检测器监测到的温度各测点温度偏差较小，主要用于燃气轮机的燃烧控制及保护。
从排气部分的介绍，可以看出BPT及EXT都参与燃烧控制，也就是说当BPT、EXT达到一定的限制，燃烧控制模式就会进入温控模式，IGV的开度也会随着进行调整，进而燃气轮机的发电负荷也会受到限制，甚至出现低负荷运行，严重影响机组的发电效率、能耗等经济指标。
2系统参数保护分析
（1）当叶片通道平均温度达到680℃及以上时，发出报警，燃机跳闸；
（2）当叶片通道平均温度与叶片通道温度控制参考值之差达到或超过45℃时，发出报警，燃机跳闸；
（3）当平均排气温度达到620℃或更高时，发出报警，燃机跳闸；
（4）当平均排气温度与排气温度控制参考值之差达到或超过45℃时，发出报警，燃机跳闸。
从系统的运行维护中可以看出，排气系统中排气温度超过允许值时，机组就会发出报警并且跳机，也因此系统设置了温度控制模式，进入温度控制模式机组负荷不在增加来保证机组的安全运行，但是负荷受到了限制，并且没有达到额定负荷，就会对机组效率及对调度负荷响应产生负面影响。
3排气系统运行中存在的问题分析及优化、改造策略
随着夏季的到来，环境温度升高，燃气轮机在部分负荷下进入排气温度控制。此时，燃气轮机负荷固定在某一负荷不变，或机组负荷上升缓慢，甚至出现机组负荷从高负荷逐渐降到低负荷现象。出现排气温度控制时，燃气轮机进口导叶IGV没有全开，基本在40%-60%之间，联合循环负荷主要集中在270MW—328MW，环境温度越高，机组在越低的负荷进入排气温度控制，此时IGV开度更小。燃气轮机进入温控后机组出力达不到给定目标值，使得机组运行效率下降，发电量减少，对中调负荷响应也不及时，这种现象，一直是机组安全、经济、可靠、稳定运行的障碍。
燃气轮机在部分负荷下，IGV未全开，例如联合循环负荷310MW时，IGV开度在40%。当进入夏季后，环境温度升高，进入压气机的空气密度下降，温度升高，空气流量减少，压气机出口压力下降。由于参与燃烧的空气量减少，燃烧初温升高，同时压气机出口压力下降，烟气在透平中做功压比下降。燃烧初温及做功压比两个因素使得燃机排气温度升高，而根据排气温度计算的BPCSO、EXCSO相应下降，当BPCSO、EXCSO低于GVCSO时，燃料控制信号CSO[4]输出BPCSO、EXCSO，燃气轮机进入温控。
1.CLCSO：Combustion Load Control Signal Output
2.计算公式[5]：
从以上函数关系及逻辑图中可以直观的看出燃气轮机的控制方式进入温度控制模式后负荷输出将达到100％，此时并没有达到燃机的额定负荷，也就是负荷输出受到限制，在这种情况下，首先负荷输出不能响应调度AGC的指令，其次严重影响了整套机组的各项经济性指标。
可以假设，在一定燃气轮机负荷下如果继续开大IGV，进入压气机的空气量增多，压气机出口压力增大。空气量增大使燃烧初温降低，燃气轮机做功压比增大，烟气温降增大，整个热通道温度场下降，叶片通道温度和排气温度下降，控制系统中BPCSO、EXCSO升高，机组负荷将继续升高。
根据逻辑分析，在部分负荷下可通过直接改变燃气轮机负荷与IGV开度的函数关系，使得一定的燃气轮机负荷下IGV开度比增大，这样就可避免夏季工况时燃气轮机提前进入温控。但这样需要在相应IGV开度下进行燃烧调整，而且燃气轮机运行在冬季工况时，在相应负荷下由于进入燃机的空气量增大，排烟温度降低，在此负荷区域机组的联合循环效率会下降。所以最好的方法是设定夏季和冬季两种工况下燃气轮机负荷与IGV开度的函数关系，夏季时一定的燃气轮机负荷对应的IGV开度增大，避免机组部分负荷进入排气温度控制，冬季时IGV开度较小可保证联合循环效率。当然，也可在IGV未全开进入温控时，设置一路脉冲量增大IGV开度。
4 结论
本文分析了三菱 M701F4 型燃气轮机排气系统运行特性，以及存在的问题，阐述了排气系统中排气温度受环境温度的影响，进而影响机组负荷控制进入温控模式以及进口导叶IGV开度之间的相互关系，通过设定夏季和冬季两种工况下燃气轮机负荷与IGV开度的函数关系，解决了排气系统中受环境温度的影响燃机负荷控制模式提前进入温控模式，影响机组正常运行负荷的问题，从而提高了燃气-蒸汽联合循环的发电效率，降低了机组能耗，最终提高了机组的经济性指标。
参考文献：
[1]焦树建.燃气-蒸汽联合循环.北京机械工业出版社，2000.
[2]三菱的燃气轮机.大型燃气轮机技术交流会.三菱重工业（株），2002，2
[3]张兆顺，崔桂香.流体力学.北京：清华大学出版社，1999.
[4]清华大学电力工程系燃气轮机教研组编.燃气轮机.上册.北京：水利电力出版社，1978.
[5]彭泽琰，刘刚.航空燃气轮机原理.北京：国防工业出版社，2000.
论文作者:渠海峰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/14
标签：燃气轮机论文; 负荷论文; 机组论文; 温度论文; 系统论文; 工况论文; 效率论文; 《电力设备》2019年第9期论文;