M701F4燃气轮机TCA系统冷却水流量异常分析

马建军

【摘要】透平冷却空气( TCA) 系统是三菱 M701F4 燃气轮机所采用的冷却系统，以实现对汽轮机转子高温部件的冷却处理。在TCA系统冷却运行过程中，存在冷却水流量减少的状况，就会诱发TCA 冷却器出却空气气温的升高，进而对转子高温部件的冷却处理造成了影响，严重威胁到了高温部件的正常工作运行。基于此，本文以实际案例作为分析依据，对 M701F4 燃气轮机 TCA 冷却器水流量异常现象进行探究分析，着力找出诱发 TCA 系统冷却水流量异常的真正原因，及时给予相应的技术措施处理，以供参考。

【关键词】M701F4 燃机；TCA 系统; 冷却水; 流量异常; 措施处理

所谓燃气轮机透平就是燃气轮机中把高温高压燃气的能量转变为机械功的部件，在燃气轮机运作过程中，燃气轮机透平进口温度会出现不断升高的现象，此时，必须要给予及时的冷却降温处理，因此，采用有效的冷却措施十分必要。三菱M701F4燃气轮机就采用了透平冷却空气(TCA)系统来实现对转子高温部件的冷却处理，燃气轮机运行过程中，从压气机出口腔室引一路高温、高压空气，然后经TCA冷却器冷却降温，冷却处理后，再经过滤后通过特定通道送到燃气轮机转子内部，冷却燃汽轮机透平转子和叶片等部件，并设有转子冷却空气温度高机组快速减负荷及停机保护。

1、M701燃气轮机 TCA 系统冷却水流量控制分析

1.1余热锅炉侧冷却水流量控制分析

M701F 燃气轮机机组在正常运行过程中，TCA 冷却器冷却水经 TCA回余热锅炉侧( 炉侧) 冷却水流量调阀至余热锅炉高压省煤器出口。TCA 回余热锅炉侧冷却水流量调阀流量设定需经 TCA 冷却水回余热锅炉侧调阀 FCV－2 前后差压、TCA 出口冷却水温度对应的密度运算控制，见图1 ，控制指令 CV 计算公式为:

CV=()×S×0.366                （1）

S=                          （2）

其中，列式中：

（1）W表示：所对应的燃机负荷函数对应的 TCA 冷却水流量设定值，并需经压气机入口空气温度修正;

（2）S表示： TCA 回余热锅炉侧冷却水流量调阀前后压差修正;

（3）ΔP表示：TCA 回余热锅炉侧冷却水流量调阀FCV－2 前后压差;

（4）D 表示：TCA 出口冷却水温度对应的密度。

图 1TCA 回炉侧冷却水调阀控制指令框图

1.2回凝汽器侧冷却水流量控制分析

 由于高压省煤器和TCA 冷却器两者是并列运行的，因此，机组在启动、停止运作以及燃气轮机低负荷运作过程中，会出现锅炉产气量减少问题，就会间接的造成高压省煤器出入口压差的降低，进而造成TCA系统中冷却水流量的不足，TCA冷却水由TCA系统回凝汽器侧(凝侧)冷却水流量调阀FCV－1控制。机组全速前，根据TCA进口冷却水温度控设定TCA回凝汽器侧冷却水流量，全速后则根据压气机入口空气温度所对应的燃机负荷设定TCA回凝侧冷却水流量，TCA系统回凝汽器侧冷却水流量调阀FCV－1阀位由TCA系统回凝汽器侧冷却水流量与TCA实际冷却水流量的偏差确定。

TCA 冷却水流量设定了一个最小值限制，防止因为冷却水流量减小导致 TCA 内的水发生气化。当燃机大于 78 MW 情况下发生遮断、甩负荷、孤岛运行，导致高压汽包水位达到最高值，或在 TCA 流量小于通过压气机入口空气温度所对应的燃机负荷函数计算出的流量时，TCA 回凝侧冷却水流量调阀快速打开，以保证 TCA 的最小冷却水流量。

2、三菱M701F4燃气轮机TCA 冷却水流量异常事件分析

某M701F4 联合循环机组启动后带 300 MW运行中，此时工作人员对汽轮机运行状况进行监测时发现，存在 TCA 流量过小的问题，经数值分析看出，TCA冷却水流量在47 T/h的较低水平指标上， TCA 回炉侧冷却水流量调阀 FCV－2 开度在 24% 左右，均明显偏低。随后，工作人员调取当日运行曲线，分析得出，TCA 流量异常时 TCA 出口冷却水压力亦不正常，最高达 19. 16 MPa，TCA 回炉侧冷却水流量调阀后压力基本不变，维持在 14. 5 MPa 左右。分析运行曲线相关数值流量走向，可以看出在机组运行后，TCA 出口冷却水压力持续升高，在达到峰值 19. 16 MPa 后回落，TCA 流量随之恢复正常。

TCA 出口冷却水压力 19. 16 MPa 时计算出的TCA 回炉侧冷却水流量调阀前后压差修正量 S值最小为 0. 4252，机组同等燃机负荷正常运行时TCA 回炉侧冷却水流量调阀前后压差修正量 S为 2. 3337。该修正量的显著减小，会导致 TCA 回炉侧冷却水流量调阀 FCV－2 开度也明显减小，进而造成 TCA 冷却水流量减小，详细数据比较见表1。由此可判断 TCA 流量偏小是 TCA 出口冷却水压力异常升高、TCA 回炉侧冷却水流量调阀前后压差增大造成 TCA 回炉侧冷却水流量调阀控制指令异常所致，从运行曲线看相关参数变化情况也能印证上述论述。

表 1 两种工况下燃机 166 MW 负荷时 TCA 冷却水参数对比

在该事件中，TCA 回炉侧冷却水流量调阀控制指令减小导致 TCA 冷却水流量减小后，TCA 回凝侧冷却水流量调阀控制自动打开至 10% 以维持 TCA 冷却水流量与压气机入口空气温度所对应的燃机负荷所需 TCA 冷却水流量相一致。

因 TCA 出口冷却水压力在机组运行后即不正常，环境温度升高后又自行恢复，从该参数变化情况及环境温度变化情况可以判断，TCA 出口冷却水压力不正常升高的原因为寒潮导致 TCA出口冷却水压力变送器引压管结冻。明确异常原因后，该电厂对仪控变送器保温箱和压力变送器引压管保温情况进行了检查，发现部分引压管保温厚度不均匀，随即对保温薄弱部分进行了加强。

3、三菱M701F4燃气轮机TCA 冷却水流量异常改进建议

在该事件中所涉及到的机组中，设计初期对防寒防冻的考虑不是很充分，因 TCA 出口冷却水压力变送器引压管较长，管径较小，常规保温可能无法抵御极端寒潮，可考虑对重要压力测点、流量测点的引压管采用电伴热。M701F4 机 组 在 燃 机 负 荷 大 于 100MW 左右、TCA 冷却水切至回炉侧冷却水流量调阀控制后，该阀前后压差异常增大将导致回炉侧冷却水流量调阀关小，影响 TCA 流量，可考虑在DCS( 分散控制系统) 画面增加 TCA 回炉侧调阀前后压差显示，并设置燃机负荷大于 100 MW 同时 TCA 回炉侧调阀前后压差大于 1 MPa 时报“TCA 回炉侧调阀前后压差大”，提醒运行人员及时手动干预，稳定 TCA 冷却水流量。

4、结语

综上所述，三菱重型燃机的稳定、安全运行与TCA 冷却器的正常运行有着直接的关联性，维持TCA系统冷却水流量异常将会对机组的正常运作造成影响，因此，需要重视对 TCA系统冷却水流量异常问题的深入分析，积极采取相应的措施手段，来实现对TCA 冷却器冷却水流量异常情况的有效解决，此外，还需要注重对此类热控元器件的维护保养工作，着重做好燃气轮机压力、流量变送器及其引压管路的保温及变送器箱冬季的防寒防冻工作，进而降低变送器工作不正常导致 TCA 冷却器工作异常情况的发生，为M701F4 机 组的正常运行提供保障基础。

【参考文献】

[1]余沛坰,李秉海,魏佳明等. 某燃气轮机TCA系统管道设计及强度分析[C]//.第十七届中国CAE工程分析技术年会论文集.,2021:441-445.DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.045349.

[2]卢辉,解育才,杨智,杨君君.三菱F级燃气轮机透平冷却空气冷却水系统控制改造[J].热力发电,2021,50(10):135-141.DOI:10.19666/j.rlfd.202106126.

[3]张卫,宋澜波,付岳峰,周小力,秦湘斌.M251S型燃气轮机透平冷却系统的优化研究[J].冶金能源,2020,39(01):57-59.