丁智华，丁阳俊，顾正皓

（1.杭州华电下沙热电有限公司，杭州　310018；2．国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0　引言

甩负荷试验是考核机组调节系统动态特性最直接、最常用的方法，其主要目的是检验机组控制系统在甩负荷瞬间对机组转速的控制能力。目前国内有专门的汽轮发电机组甩负荷试验导则，但是关于燃气-蒸汽联合循环机组甩负荷试验的说明只作为汽轮机组甩负荷导则的附录出现，并且除了明确指出测功法甩负荷试验不适用于燃气-蒸汽联合循环机组外，对最高飞升转速等具体参数没有作详细说明[1]。近年来，燃气-蒸汽联合循环机组因其热效率高、启停方便、便于调峰、污染排放少等优点，而被“西气东输”工程的下游地区广泛采用[2-4]。燃气-蒸汽联合循环机组甩负荷试验也被广泛关注。

通常影响汽轮机组甩负荷时转速飞升的因素有以下几点[5]：

（1）甩负荷信号判断准确与否。

（2）控制系统的响应速度。

（3）各调节阀的关闭时间。

（4）机组的转动惯量。

燃气-蒸汽联合循环机组甩负荷时转速飞升影响因素基本可以参考以上几点，但是联合循环机组计算转动惯量时需要考虑压气机耗功、燃机做功等因素的影响，单轴布置的联合循环机组，还需考虑汽轮机的耗功。某燃气-蒸汽联合循环机组甩50%额定负荷试验时瞬时最高转速达到3 166 r/min，以该次试验为例对燃气-蒸汽联合循环机组甩负荷过程中需要考虑的因素进行探讨。

1　机组简介

某燃气-蒸汽联合循环机组为GE（美国通用电气公司）生产的STAG 109FA单轴联合循环机组，机组容量390 MW，由PG9351FA型燃气轮机、D10型三压有再热系统的双缸双流式汽轮机、390H型氢冷发电机、和三压有再热但带冷凝器除氧的自然循环余热锅炉组成。GT（燃气轮机）、ST（蒸汽轮机）和GEN（发电机）刚性串联在1根长轴上，燃气轮机进气端输出功率，轴配置形式为：GT—ST—GEN，转速3 000 r/min。控制系统原为GE公司的MARK-VI，后升级为MARK VIE，联合循环机组的主要控制功能由燃机的气体燃料系统及汽轮机进汽阀控制组成。功率输出及转速控制由燃料模块的GCV2/3/4（气体控制阀）及SRV（速比阀）进行控制，汽轮机的进汽控制由1组MSV（高压主汽阀）和MCV（高压调阀），2组RSV1/2（中压主汽阀）和RIV1/2（中压调阀），1个ASV（低压进汽门），1个ACV（低压调节阀），以及高、中、低压旁路阀完成控制、保护和调节功能，系统如图1所示[6-7]。

图1　汽轮机进汽示意

2　甩负荷试验过程

某燃气-蒸汽联合循环机组控制系统升级改造后进行甩50%额定负荷试验，试验过程如下：试验时当地大气温度为0℃，试验前压气机排气压力0.88 MPa，主汽压力6.77 MPa，再热蒸汽压力1.48 MPa。甩负荷倒计时到“0”时，拉开发电机出口断路器，与电网脱开，以此为计时零点，40 ms时转速开始飞升，6.36 s达到瞬时最高转速3 166 r/min，92.96 s转速开始稳定在3 009 r/min；80 ms时GCV2从26.6%开度打开，400 ms到最大开度70.8%，3.12 s稳定在43.7%开度；80 ms时GCV3从35.1%开度关闭；320 ms全关；80 ms时GCV4从31.1%开度打开，280 ms到最大开度50.0%，3.14 s稳定在26.8%开度；720 ms时IGV（进口导叶）开始从45.7%开度快关，1.32 s关到43.4%；160 ms时MCV开始关闭，2.56 s全关；200 ms时RCV1/RCV2开始快关，440 ms全关；160 ms时ACV开始关闭，2.8 s全关；过程曲线如图2和3所示，试验所用高速数据采集仪采样频率为每秒1 000次。

图2　燃气轮机甩50%负荷试验趋势

图3　汽轮机甩50%负荷试验趋势

此次甩50%负荷试验瞬时最高转速为3 166 r/min，虽然燃气-蒸汽联合循环机组甩负荷说明中，没有关于甩50%负荷时瞬时最高转速超过多少后不能进行下级试验，但是参考汽轮机组甩负荷试验导则，甩50%负荷时瞬时最高转速超过105%额定转速，需要中断试验，查明原因[1]。同时该机组甩50%负荷时的瞬时最高转速与同类型机组试验数据相比确实偏高，如表1所示。

表1　同类型机组甩50%负荷试验数据

3　试验结果分析

结合试验过程和现场情况，此次甩50%负荷试验甩负荷信号判断准确，并网信号消失后，控制系统也能及时响应，但是由图2和图3可知，甩负荷试验中汽轮机MCV与ACV没有快关。根据厂家提供的热平衡图，在50%和100%额定负荷时，通过ASV与ACV的蒸汽流量分别只占主蒸汽流量的10.8%和15.9%，蒸汽量很有限，对转速的影响比较小，故这里重点讨论由于MCV没有快关对甩负荷试验瞬时最高转速的影响[8]。

查看该机组的甩负荷逻辑，当发生甩负荷工况时，MCV的控制方式为调节关，按照GE维护手册 GEK99000B（Combined Stop and Control Valve）中相关说明，MCV调节关的时长小于3 s，因此MCV的关闭速度符合正常预期。根据《汽轮机调节控制系统试验导则》中的方法，采用公式（1）和带蒸汽阀门关闭时间来估算因为MCV调节关对转速的影响[9]。

式中：Δn为瞬时最高转速飞升；n0为额定工作转速；Ta为转子时间常数；ψ为甩负荷相对值；tH1和tH2为高压调阀关闭延迟和关闭时间；αH为高压缸功率比例系数。

由热平衡图可知在50%负荷时汽轮机占联合循环机组负荷比例为46.9%，其中高压缸占汽机负荷比例为18%，按照MCV快关和调节关对飞升转速的影响计算结果如表2所示。

表2　MCV关闭方式对飞升转速影响

由表1可知，甩50%额定负荷时最高转速MCV调节关比快关会增加20 r/min。如果在逻辑中将甩负荷时MCV的控制方式由调节关改为快关方式，甩50%额定负荷试验转速理论上可以下降20 r/min左右，约为3 146 r/min。

本次没有进行甩100%额定负荷试验，按照《汽轮机调节控制系统试验导则》中静态预测公式估算甩100%额定转速时的转速，如式（2）所示[9]。

式中：Tv为蒸汽容积时间常数；tI1，tL1和 tI2，tL2分别为中压、低压调阀关闭延迟和关闭时间；αI，αL分别为中、低压缸功率比例系数。

通过式（2）可以理论估算出该机组在甩100%额定负荷时瞬时最高转速为3 252 r/min，但实际由于单轴布置的燃气轮机转子的转动惯量计算要考虑压气机耗功、汽轮机耗功、燃机做功因素的影响[10]，而压气机耗功是与转速成3次方关系的，所以甩100%负荷时燃气轮机转子的转动惯量会更大，而且在100%额定负荷时汽轮机占联合循环机组负荷比例为35.5%，比50%额定负荷时要小。故甩100%负荷实际转速一般比按照《汽轮机调节控制系统试验导则》中甩50%负荷试验数据推算出的甩100%负荷转速低。由此可以推测该机组即使在冬季甩100%额定负荷，MCV仍是关闭的情况下，瞬时最高转速也不会超过3 300 r/min。

另外，由表1中JB发电厂1号、2号机和CX发电厂1号、2号机试验数据可以观察到，同样的机组在夏季甩负荷瞬时最高转速比在冬季甩负荷低，这是因为夏季大气温度高，空气密度小，空气比容大，不易被压缩，在甩负荷瞬时压缩机耗功比冬季多[11-13]。该机组2006年调试期间在夏季（当天大气温度23℃）甩50%额定负荷瞬时最高转速为3 147 r/min，同一天甩100%额定负荷转速为3 192 r/min。故该机组如果要进行下一级甩100%额定负荷，为了使试验过程更加安全可控，可以安排在夏季进行试验，以确保瞬时最高转速不超过3 300 r/min，不触发超速保护动作。

4　结语

高压调阀没有快关，是造成机组甩50%额定负荷试验时转速飞升过高的直接原因。但是通过这次试验可以发现，只要阀门调节关的时间符合GE标准，单轴布置燃气-蒸汽联合循环机组在甩负荷试验时即使高压调阀没有快关，转子飞升转速也很难超过3 300 r/min。另外，燃气轮机转子尤其是单轴布置联合循环机组的转子转动惯量计算存在很多困难，需要考虑压气机耗功、燃机做功、汽轮机耗功，甚至还受试验时的大气温度的影响，因此实际计算时一定要考虑全面，防止疏漏。