燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組設(shè)備工況變化 對機組啟動的影響分析

李易凡，王應(yīng)虎

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

1 機組概況

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，英文簡稱CCPP(Combined Cycle Power Plant)，如圖1所示。在機組啟動前期使用輕油作為主燃料，啟動后期以及正常運行時使用高爐煤氣BFG作為主燃料。該發(fā)電機組主要將高爐煤氣經(jīng)過高低壓煤氣壓縮機加壓之后進入燃燒室與經(jīng)過壓氣機壓縮之后的空氣混合燃燒做功產(chǎn)生高溫高壓的氣體，推動燃氣輪機透平旋轉(zhuǎn)。其燃燒過程產(chǎn)生的廢煙氣溫度極高，可達到450～550 ℃，為了提高發(fā)電效率，將這部分熱廢煙氣通過余熱鍋爐能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高中低壓的熱蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機做功。以上提到的燃氣輪機、煤氣壓縮機和壓氣機在同一軸上運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速3 611 r/min。蒸汽輪機、發(fā)電機和勵磁機在同一軸上運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速3 000 r/min。兩根軸之間通過變速齒輪箱連接。

2 機組啟動

機組啟動之前主要通過外廠的再熱蒸汽作為機組啟動蒸汽，用來暖管暖機及前期帶動蒸汽輪機的負荷出力。啟動前期通過啟動蒸汽帶動蒸汽輪機，同時帶動機組整條軸系的轉(zhuǎn)動設(shè)備轉(zhuǎn)動,以一定的升速率升速沖轉(zhuǎn)，升速至燃氣輪機轉(zhuǎn)速1 080 r/min，壓氣機入口可調(diào)導葉VIGV從初始位置全開，燃氣輪機進入15 min吹掃，結(jié)束之后燃氣輪機轉(zhuǎn)速下降至800 r/min后重新升速達到1 100 r/min，在此時輕油流量調(diào)節(jié)門達到點火初始開度，投入輕油進行點火燃燒，火檢器檢測有火后機組進入升速控制。此后燃氣輪機以一定升速率上升到3 611 r/min,機組并網(wǎng)。之后煤氣旁路門以一定速率緩慢關(guān)閉(冷態(tài)100 min，溫態(tài)60 min，熱態(tài)40 min)，煤氣旁路門關(guān)閉之前機組主要由輕油燃燒帶動燃氣輪機做功以及啟動蒸汽帶動蒸汽輪機做功，余熱鍋爐系統(tǒng)和煤氣系統(tǒng)都未投入做功。

等到煤氣旁路門關(guān)閉，煤氣壓縮機出口壓力大于壓氣機出口壓力0.2 MPa(保證煤氣正常壓入燃燒室燃燒)。機組負荷大于12 MW之后，燃料切換正式開始。燃燒室前煤氣快關(guān)閥打開，高低壓防喘閥逐漸關(guān)小，低壓煤氣壓縮機入口導葉開啟，煤氣逐漸通過煤氣調(diào)節(jié)閥流入燃燒室燃燒，煤氣流量逐漸上升，輕油流量逐漸減小，高低壓煤氣壓縮機防喘振調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)小，進入燃燒室的煤氣壓力增大。輕油流量逐漸減小到2 kg/s后等待3 min，燃料切換結(jié)束，蒸汽切換正式開始。蒸汽輪機高壓調(diào)門慢慢關(guān)小，余熱鍋爐至蒸汽輪機的截止閥打開，啟動蒸汽截止閥關(guān)閉，高壓蒸汽切換結(jié)束，蒸汽輪機開始接受余熱鍋爐蒸汽做功。之后蒸汽輪機高壓調(diào)門以一定速率緩慢開啟，開至33 %，中壓調(diào)門開始關(guān)小，等到蒸汽輪機內(nèi)部中壓缸壓力與余熱鍋爐中壓蒸汽壓力一致時，開啟中壓主汽門，余熱鍋爐中壓蒸汽開始做功。除氧器(低壓汽包)壓力小于40 kPa，低壓主汽門開啟，低壓調(diào)門開啟，余熱鍋爐低壓蒸汽開始做功。至此蒸汽切換完成，機組啟動結(jié)束，可以慢慢提升負荷運行。

CCPP各階段轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線、負荷設(shè)定曲線如圖2、圖3所示。

圖2 CCPP各階段轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線

圖3 CCCP負荷設(shè)定值控制曲線

3 問題分析

該發(fā)電機組自運行到現(xiàn)在已有20多年，最近6年經(jīng)歷了高低壓煤氣壓縮機更換、余熱鍋爐受熱面改造等多次大型設(shè)備更換改造，機組正常運行工況與之前相比發(fā)生了很大變化，導致最近幾年機組啟動程序已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有的機組工況，機組啟動頻繁失敗脫扣。分析后有以下幾個方面原因。

3.1 煤氣壓縮機防喘振控制

高低壓煤氣壓縮機防喘振系統(tǒng)更換，防喘振控制參數(shù)改變，導致高低壓防喘振閥門關(guān)閉速率過快，不符合實際機組啟動工況要求。

如圖1所示，高低壓煤氣壓縮機同處于一根軸系，相互之間也通過煤氣管道相連接。煤氣經(jīng)高壓防喘閥回流至高低壓煤氣壓縮機中間，影響高壓煤氣壓縮機進口壓力流量和低壓煤氣壓縮機出口壓力；煤氣經(jīng)低壓防喘閥回流至低壓煤氣壓縮機進口，影響低壓煤氣壓縮機進口壓力流量。所以他們各自的壓力流量對彼此之間的影響關(guān)系非常密切，一旦防喘閥關(guān)閉速率過快或啟動工況突變，煤氣壓縮機壓力流量參數(shù)容易發(fā)生突變，觸發(fā)防喘振控制系統(tǒng)的參數(shù)變化速率保護。根據(jù)防喘振控制原理，如圖4所示，喘振線左上方為喘振危險區(qū)，喘振線右下方為安全區(qū)。為防止煤氣壓縮機參數(shù)向喘振線靠近觸發(fā)煤氣壓縮機喘振從而損壞煤氣壓縮機，在喘振線右下方不遠處設(shè)置一條設(shè)定值響應(yīng)線。在工作點向響應(yīng)線上方移動時能打開防喘閥增加通過煤氣壓縮機的煤氣流量，使工作點重新回歸響應(yīng)線右下的安全區(qū)域。工作點實際值與響應(yīng)線設(shè)定值之間偏差(一般選用流量作為工作點和響應(yīng)線的主變量，壓力和溫度作為隨動參數(shù)修正兩者，也可選用出口壓力作為主變量)通過PID運算控制防喘閥。

圖4 防喘振控制設(shè)定曲線

實際工作點與響應(yīng)線之間偏差如式(1)所示：

(1)

式中:K1、K2、K3、C1、C2、C3為常數(shù)；ΔP為煤氣壓縮機進口差壓，kPa；Pin為煤氣壓縮機進口壓力，kPa；Pout為煤氣壓縮機出口壓力，kPa；Δ為實際工作點與響應(yīng)線之間偏差的線性化表現(xiàn)，%。

防喘振控制器輸出上對工作點與響應(yīng)線之間偏差變化速率也做了相應(yīng)保護，若速率過快防喘閥將會快開，該保護直接作用于閥門指令，不受正常PID控制，避免因阻力快速增加得情況下的喘振。

如表1所示，低壓煤氣壓縮機出口壓力及流量急劇下降，進口壓力急劇上升，流量變化比壓力變化更加劇烈，導致工作點瞬時快速向響應(yīng)線上方不安全區(qū)域移動，觸發(fā)防喘閥變化速率快開保護，低壓防喘閥全開，已被煤氣壓縮機慢慢加壓得出口的高壓煤氣回流至壓縮機進口，導致外界供給得低壓煤氣無法進入燃氣輪機從而觸發(fā)機組保護動作脫扣。

表1 脫扣時高低壓煤氣壓縮機壓力流量閥門開度變化表

3.2 余熱鍋爐熱效率

余熱鍋爐改造后，余熱鍋爐熱效率較改造前有了大幅度提升，這導致在蒸汽切換開始時，余熱鍋爐所產(chǎn)生得高壓蒸汽的能量比改造之前大。如圖5、圖6、圖7所示，機組負荷按照圖3負荷設(shè)定斜率上升，當進行到蒸汽切換開始時，余熱鍋爐能量轉(zhuǎn)換到蒸汽輪機處做功，隨著高壓調(diào)門緩慢開大，蒸汽輪機做功增加，總負荷增加，蒸汽輪機做功速率超過總負荷設(shè)定速率，為了平衡總負荷，減小煤氣壓縮機入口導葉開度，從而減小煤氣量使燃氣輪機做功減小。

圖5 啟動失敗過程中汽輪機高壓調(diào)門、 煤氣壓縮機入口導葉以及負荷關(guān)系曲線

圖6 CCPP機組啟動過程脫扣曲線1

圖7 CCPP機組啟動過程脫扣曲線2

綜合以上兩點，為了平衡總負荷使之維持負荷設(shè)定升速率，燃氣輪機側(cè)的負荷相應(yīng)減少，導致進入高低壓煤氣壓縮機的流量減少，煤氣壓縮機工作點不穩(wěn)定，且向不安全區(qū)域快速移動，觸發(fā)了防喘振控制系統(tǒng)的參數(shù)變化速率保護，最終導致了機組脫扣。

4 解決方案

為了避免蒸汽切換后煤氣壓縮機工作點變化速率過快，導致自動打開速率過快，將高低壓防喘閥的關(guān)閉下限分別設(shè)為65%和50%，在蒸汽切換時維持此開度不變，減少煤氣量波動，之后監(jiān)視防喘閥開度和機組負荷指令和實際負荷等關(guān)鍵工況參數(shù)，手動操作防喘閥指令，逐步手動關(guān)小高低壓防喘閥開度，直到啟動結(jié)束。

如圖2所示，考慮到燃料切換后需等待3 min再進行蒸汽切換，在此等待過程中，煤氣流量依然不斷增加，燃氣輪機負荷出力不斷增加，等到蒸汽切換后為了平衡多余的蒸汽輪機負荷出力，低壓煤氣壓縮機入口導葉和BFG調(diào)門開度大幅減少，煤氣流量將大幅減少(如圖6、圖7所示)，引起煤氣壓縮機工作點快速移動觸發(fā)煤氣壓縮機防喘速率保護。所以在啟動歩序STEP29輕油量下降，減到最小流量2 kg/s時不再等待3 min，立即開始高壓蒸汽切換，通過提前增加蒸汽輪機負荷出力，保持燃氣輪機側(cè)負荷出力不增加，即低壓煤氣壓縮機入口導葉IGV不再大幅上升，盡量避免蒸汽切換后低負荷階段低壓煤氣壓縮機入口導葉IGV的大幅波動導致煤氣量減少的波動。

考慮到高壓蒸汽對蒸汽輪機負荷出力影響巨大，后期高壓調(diào)門速率過快，為了平衡過多的蒸汽輪機負荷出力，低壓煤氣壓縮機入口導葉IGV關(guān)小，煤氣流量將大幅減少引起煤氣壓縮機工作點快速移動觸發(fā)煤氣壓縮機防喘速率保護，如圖5曲線最后所示。所以在中壓蒸汽切換開始后，限制高壓調(diào)門開度在33%不增加，根據(jù)機組負荷、煤氣壓縮機防喘裕度情況，逐漸放開高壓調(diào)門開度限制，避免高壓蒸汽出力增加過快導致煤氣流量下降過快，低壓煤氣壓縮機進口導葉IGV關(guān)小從而影響煤氣壓縮機工作點快速變化。

5 結(jié)論

機組起動過程中，根據(jù)燃氣輪機、蒸汽輪機出力情況，根據(jù)以上方案，機組實際負荷盡量不超過設(shè)定負荷過多，大約3 MW，通過以上一系列措施平衡蒸汽輪機與燃氣輪機之間的負荷出力，保持低壓煤氣壓縮機入口導葉IGV處于穩(wěn)定上升狀態(tài)，使煤氣壓縮機工作點不出現(xiàn)快速波動觸發(fā)防喘振保護，機組就能正常啟動運行。