三菱M701F4型燃机透平冷却空气系统TCA回水阀快开功能的实现

三菱M701F4型燃机透平冷却空气系统TCA回水阀快开功能的实现

【摘 要】本文介绍三菱F701F4型452MW燃气轮机透平冷却空气系统冷却介质控制系统在控制失效的情况下如何达到工艺流程的要求。论述了原系统存在问题并提出了改造方案，设计并实现了气源控制系统。改造后的系统运行情况良好，满足三菱F701F4型燃机的工艺要求的目标。

【关键词】燃气轮机；气源；气动执行器；透平；流量

[Abstract] This article describes how to achieve the requirements of the process the Mitsubishi F701F4-452MW gas turbine turbine cooling air system cooling medium control system in the case of control failure. Discusses the problems of the original system and rehabilitation programs， the gas source control system is designed and implemented. After transformation， the system is running well， the target to meet the Mitsubishi F701F4 combustion process requirements.

[Keyword] Gas turbine；Gas source；Pneumatic actuators；Turbine； Flow

一、概述

浙江大唐国际绍兴江滨热电有限公司建设规模为两套400MW等级、“F”系列高效单轴联合循环热电联产机组。配置有两台M701F4燃气轮机。每台燃气轮机与一台蒸汽轮机和一台发电机同轴联接。用于支持燃气轮机运行的辅助设备包括：进气系统，排气系统，润滑油系统，控制油系统，压气机抽气和透平冷却空气系统，消防系统，燃气控制系统和燃气轮机控制系统。

燃气轮机透平冷却空气系统执行两个基本功能：第一个功能是给暴露在烟气通道，温度高于工作金属的温度极限的部件提供直接冷却。第二个功能是给透平环境控制提供服务。为确保整个透平维持设计的环境，系统在不同临界点提供正确压力和温度的冷却空气，通过使冷却空气向烟气通道正流动，高温烟气将会从壳体支撑结构和透平动叶盘中排出。冷却转子和透平动叶的空气来自轴流式压气机排气，压气机排气经过水冷式冷却器TCA冷却并过滤后来冷却转子。直接冷却发生在每一级动叶枞树形根部。这种冷却方式向暴露在燃气通道高温的动叶和透平转子轮盘间提供热障，因此透平冷却空气系统的冷却效果直接影响着燃气轮机透平的安全运行。

透平冷却空气冷却器TCA的冷却水来自冷却水泵的高压给水，回水经过两个气动调节阀导入高压汽包和凝汽器（见右系统图A）。两个疏水阀的动作如下：TCA回水导高压汽包的流量控制阀参与高压汽包的水位联锁，当高压汽包水位高于设定水位时，TCA回水导高压汽包的流量控制阀关闭，导向凝汽器的流量控制阀打开；当高压汽包水位低于设定值时，两个流量控制阀动作相反。

二、存在问题

根据三菱M701F4型燃机透平生产工艺流程看，透平冷却空气系统TCA的空气冷却效果直接影响到燃气透平热通道的安全，因此透平冷却空气系统TCA的冷却介质必须时时畅通、流量充足才能保证给转子提供合格的冷却空气，保证燃机的安全运行，杜绝设备损坏，提高设备的有效运行小时数（EOH），延长机组运行周期，降低机组的检修费用。因此要求TCA的两个回水调节阀在失效的情况下（断电、断气、断控制信号的情况即为失效）必须快速打开。了解现场实际：TCA回水阀至高压汽包的调节阀的执行器为气关式，满足工艺流程，即在失去气源、电磁阀电源断开、控制信号失去等时靠执行器弹簧的力量阀门能够打开；而TCA回水至凝汽器的调节阀的执行器为活塞式，虽然带有电磁阀，靠控制逻辑可以实现快速打开，但是在断控制信号（模拟量）、断气源、控制电磁阀失电等时阀门无法快速打开，违背了F701F4型燃机透平冷却的工艺流程，执行器实物见下图，原理图见下面附图B。

三、解决方案

针对F701F4型燃机透平冷却器TCA回水导凝汽器的回水阀执行器的实际情况，要想实现工艺流程要求的实现断气源、断控制信号、断电等的快速打开，需要对气源控制回路进行改造：

1、使用带有断信号保护（断信号输出最大）的定位器解决断控制信号4～20Ma阀门快速全开。

2、增加一个储气罐（0.5立方米左右），保证在外部压缩空气中断时此储气罐接替工作，为阀门因断气后的快速开启提供动力源。

3、执行器的气源控制回路增加两个三通控制阀，使之与新增的储气罐配合实现断气源后阀门的快速开启功能。

改造后的原理图见下附图C，工作过程如下：

正常时压缩空气气源压力满足，把气源加到三通压力控制阀的控制部分，三通控制阀的U-S导通，使电气转换器输出的两路调节信号加到执行器的上下腔室，执行器接受调节信号进行正常调节；当出现事故，系统气源消失，三通控制阀将复位到图中所示的位置，排掉三通控制阀的控制信号，三通控制阀复位，U-S断开，U-E导通，上面的三通控制阀的U-E导通排掉执行器上腔室内的压缩空气，下面的三通控制阀的U-E导通使储气罐中的压力直接加到执行器的下腔室中，执行器会快速打开。（注：因储气罐的入口装有逆止阀，因此在外部供汽断开时，储气罐中的压缩空气是不会卸掉的，因此能够保证执行器快速开启。）

四、效果

按照上图的原理对整个气源控制回路进行了改造，改造后模拟了三种工况对TCA回水至凝汽器的回水阀进行了测试：

1、中断供气气源，因三通控制阀的控制信号排掉，三通控制阀复位到上图中所示的位置， U-S断开，U-E导通。上面的三通控制阀的U-E导通排掉执行器上腔室内的压缩空气，下面的三通控制阀的U-E导通使储气罐中的压力直接加到执行器的下腔室中，执行器在2S内快速打开。

2、断开控制信号4～20Ma，阀门能够在2S内快速打开。

3、断开电磁阀电源，阀门能够在2S内快速打开。

经过气源控制回路的改造，透平冷却空气冷却器TCA的冷却水回水至凝汽器的回水调节阀能够实现在断气源、断电磁阀电源、断控制信号等情况下阀门在近短的时间内快速关闭（两秒内），满足了三菱F701F4燃机生产工艺流程的要求。

另外在选择西门子带有断信号保护的定位器的同时，考虑到系统运行中的振动可能引起执行器上采用硬连接固定的定位器等气源管路的断裂导致回水调节阀故障等因素，本次改造采用了西门子的分体定位器，使整个气源控制回路和执行器分开安装在独立的控制箱内，控制回路与执行器连接只需一颗两芯电缆和两个金属软管连接，这样在满足断控制信号阀门能够快速打开的同时又解决了因系统振动导致的阀门控制气源管路断裂导致的阀门故障的隐患。

五、效益分析

按照一年杜绝一次因TCA冷却系统故障考虑：

减少一次非停，节省一次启动费用：按照启动一次耗气量2万方计算2万方×2.41元/方=4.82万元；

一次满负荷跳闸热部件寿命的削减将比正常停机快10倍，降低机组有效利用200小时左右。按照与三菱广州JV公司长协服务合同价格计算（长协价格：一个大修周期48000小时为4.8亿元RMB），避免一次满负荷跳闸可以节省200万元/次。

参考文献：

[1]气动技术. 中国轻工业出版社

[2]燃机控制系统操作及维护手册 石油工业出版社