燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組協(xié)調(diào)控制策略設計

吳光明

（大唐華東電力試驗研究院，合肥 230088）

0 引言

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組整體效率得到了大幅提升，具有啟動快、調(diào)峰性能好、占地小、耗水少、對環(huán)境污染小等顯著優(yōu)勢[1]。此外，聯(lián)合循環(huán)機組高自動化程度、高穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯提升，實現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)峰能力的增強，很大程度上優(yōu)化了整個電網(wǎng)的運行能力[2]。隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電網(wǎng)峰谷差日益增大，發(fā)展調(diào)峰用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組電站勢在必行[3]。國內(nèi)對于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的控制技術研究進度相對滯后，尤其是對于聯(lián)合循環(huán)機組協(xié)調(diào)控制的掌握程度相比常規(guī)燃煤機組差距較大。行業(yè)總結(jié)認為，主要原因是目前聯(lián)合循環(huán)機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般在燃機控制系統(tǒng)（TCS）中實現(xiàn)[4]。出于技術保密和封鎖，部分TCS關鍵功能被封裝，即使開放部分也以安全性為由，各聯(lián)合循環(huán)發(fā)電企業(yè)均需和廠家簽訂維護合同，僅能由廠家技術人員進行維護。目前，世界上燃機主要生產(chǎn)廠家有美國GE、德國Siemens、法國Alstom和日本三菱。近年來為了更好匹配改善大氣環(huán)境與電力發(fā)展的需求，國內(nèi)逐步引入大型燃機，建設了一批燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。如2014年底，上海電氣與意大利安薩爾多能源公司合作，在上海成立了合資公司，在打破國際燃機技術壁壘和服務壟斷的同時，促進了國內(nèi)對燃機技術的進一步掌握，也對相關領域的技術人員提出了更高的要求。本文以某新建燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為對象，結(jié)合調(diào)試過程對機組特點進行分析，提出了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組協(xié)調(diào)控制策略設計思路。

某燃機工程為雙軸聯(lián)合循環(huán)機組，單元機組設有一臺燃機及其發(fā)電機、一臺余熱鍋爐和一臺汽輪機及其發(fā)電機。燃氣輪機由上海電氣與安薩爾多能源公司聯(lián)合設計制造，型號為AE94.3A，余熱鍋爐為三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環(huán)結(jié)構，蒸汽輪機為上海電氣設計制造的三壓、再熱、反動式、軸向排汽、抽汽凝汽式汽輪機。全廠整個聯(lián)合循環(huán)機組及其輔助系統(tǒng)將采用由分散控制系統(tǒng)（DCS）、燃機控制系統(tǒng)（TCS）、汽機控制系統(tǒng)（DEH、ETS）等和必要的獨立的保護、控制裝置來實現(xiàn)集中監(jiān)控，具備網(wǎng)調(diào)AGC及一次調(diào)頻等功能。

1 協(xié)調(diào)控制策略分析

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組涉及有燃機、余熱鍋爐以及蒸汽輪機，其中燃機運行中控制對象主要包括轉(zhuǎn)速、機組負荷、排氣溫度，為保證這些控制對象在燃機運行過程始終處于安全范圍內(nèi)，在TCS中設計有啟動升程器、速度控制器、功率控制器、排氣溫度控制器、負荷限制器、壓比控制器、冷卻空氣限制控制器7個控制器，在燃機啟動直至額定負荷過程中完成不同階段的控制任務，并由燃料分配器把燃料分配給值班閥和預混閥。功率控制器在燃機發(fā)電機并網(wǎng)后接管轉(zhuǎn)速控制器，通過功率控制器（PID調(diào)節(jié)）控制燃機的負荷，使之與電網(wǎng)需求匹配。另外，負荷控制器還具有一次調(diào)頻功能。功率控制器的目標設定包括燃機側(cè)設定和接受協(xié)調(diào)側(cè)指令兩種方式，本文研究的主要內(nèi)容正是聯(lián)合循環(huán)機組投入?yún)f(xié)調(diào)運行的控制方式。

對于分軸式燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，其燃氣輪機發(fā)電機和蒸汽輪機發(fā)電機同時輸出電功率，燃氣輪機、余熱鍋爐以及蒸汽輪機三者是一個相互聯(lián)系的熱能動力系統(tǒng)，為了保證各分系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，必然要提出新的控制要求。由于燃機氣室容積效應小、熱慣性小，負荷變化反應靈敏，而余熱鍋爐及其蒸汽輪機有著較大的熱慣性和汽室容積，對負荷變化的響應則要反應遲鈍，因而聯(lián)合循環(huán)機組的協(xié)調(diào)控制的首要任務就是需要對單元機組的負荷指令進行分配。此外，協(xié)調(diào)控制的另一任務是需要調(diào)整余熱鍋爐和蒸汽輪機蒸汽參數(shù)，為確保蒸汽輪機安全經(jīng)濟運行，其主蒸汽壓力需工作在合理安全的范圍內(nèi)。

2 汽輪機壓力控制邏輯設計

為適應電網(wǎng)負荷調(diào)節(jié)快速性要求，聯(lián)合循環(huán)機組首要任務是負荷調(diào)節(jié)。聯(lián)合循環(huán)機組控制涉及的燃氣輪機和蒸汽輪機負荷響應速度有明顯差別，前文中已分析可知燃機具有負荷響應快速性的特點。此外，因余熱鍋爐吸熱過程的大慣性環(huán)節(jié)，主蒸汽壓力對燃機燃料量變化的響應存在明顯滯后。因此，用燃機控制負荷比控制壓力較為有利。同時，余熱鍋爐配置的大多是自然循環(huán)汽包爐，為了避免各汽包水位異常波動，也需要維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。為保障余熱鍋爐系統(tǒng)和蒸汽輪機的安全經(jīng)濟運行，以高壓蒸汽壓力控制為例，設計了蒸汽輪機側(cè)的高壓主蒸汽壓力控制回路如圖1所示。當余熱鍋爐蒸汽參數(shù)合格后，DEH控制蒸汽輪機沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負荷。

啟動初始階段的高壓主蒸汽壓力主要由高壓旁路系統(tǒng)進行控制，在高壓壓力控制器設定值基礎上疊加一個負偏置量x，如圖1（a）所示，此時高壓調(diào)門不參與主蒸汽壓力控制。進入初始帶負荷階段后，隨著高壓旁路系統(tǒng)逐漸關小，當高壓旁路調(diào)閥完全關閉后，啟動汽輪機初壓模式。在初始壓力模式下，汽輪機控制器工作及連續(xù)的控制調(diào)門打開，以使實際壓力達到高壓壓力設定值。在這期間，這是唯一工作的控制汽輪機高壓缸進口主蒸汽壓力的壓力控制器。通過在高壓壓力設定值的基礎上增加一個正偏置y的“關閉裕度”如圖1（b）所示，使高壓旁路閥保持在關閉位置。

隨著蒸汽流量的增加，汽輪機調(diào)門的開度越來越大。當蒸汽流量大約在70%時，汽輪機調(diào)門開度已經(jīng)到100%。隨著鍋爐負荷（蒸汽流量）的進一步增加，主蒸汽壓力隨之增加。在高負荷范圍（70%～100%額定負荷），汽輪機處于深度滑壓狀態(tài)，此時高壓壓力設定值略低于實際滑壓值，汽輪機調(diào)門保持在100%開度，從而減小蒸汽輪機側(cè)的節(jié)流損失，最大限度地利用燃氣輪機排氣的余熱。

3 負荷控制邏輯設計

聯(lián)合循環(huán)機組總負荷為燃氣輪機負荷和蒸汽輪機負荷之和，理論上存在兩者負荷分配關系。在此基礎上，可形成聯(lián)合循環(huán)機組理論負荷分配控制方案，如圖2所示。從廠家提供的說明書及理論分析可知，燃機和蒸汽輪機負荷分配存在一定比例關系，圖2中通過燃氣輪機負荷分配系數(shù)KG及蒸汽輪機負荷分配系數(shù)KS對聯(lián)合循環(huán)機組負荷指令進行定量分配，分別獲得燃機負荷指令PGD、蒸汽輪機負荷指令PSD。該控制方式的原則是按穩(wěn)態(tài)負荷進行負荷分配的，靜態(tài)時能夠滿足要求，但通過仿真發(fā)現(xiàn)在變負荷過程中[1]，由于余熱鍋爐及其蒸汽輪機系統(tǒng)熱慣性很大，蒸汽輪機的實際負荷響應具有一定的遲延，造成總負荷也無法快速跟隨其指令變化。

從工程實際情況分析，需要在總負荷控制精度及控制快速性兩方面進行協(xié)同考慮。聯(lián)合循環(huán)機組中燃機具有負荷響應快的特點，而余熱鍋爐相對慣性較大，蒸汽輪機做功則需要在燃機負荷變化后，排煙溫度及煙氣量隨之發(fā)生變化，再經(jīng)余熱鍋爐進行熱量交換，做功介質(zhì)升溫升壓后才能提升蒸汽輪機出力，相比呈現(xiàn)出非常明顯的滯后特性。因此，對上述聯(lián)合循環(huán)機組負荷分配方式進行調(diào)整，汽輪機負荷采用隨動方式，即汽輪機以最大做功能力運行，最大限度消納燃機余熱。形成如圖2所示汽輪機負荷隨動方式聯(lián)合循環(huán)機組負荷分配方式。

汽輪機負荷隨動方式聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制方式已基本上能夠滿足燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制要求，但從機組實際運行情況發(fā)現(xiàn)在機組升負荷階段，燃機側(cè)負荷能夠快速響應負荷總指令，按照設定速率調(diào)整至目標負荷。由于余熱鍋爐換熱環(huán)節(jié)遲延特性，在升負荷過程后期，進入蒸汽輪機的主蒸汽壓力快速上升，蒸汽輪機做功能力較升負荷初期明顯增強。隨著蒸汽輪機發(fā)電機負荷增加，為維持總負荷不變，則需燃機減負荷，形成燃機先超調(diào)再回調(diào)現(xiàn)象，正常超調(diào)量在4MW左右。這一過程對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響，同時加劇了現(xiàn)場相關設備動作頻次。在接近額定負荷過程中，燃機側(cè)極易因快速升負荷，導致負荷控制器切換為排氣溫度控制器，它作用于燃料供應，控制燃機的排氣溫度，從而將透平入口溫度限制在允許的水平，而機組負荷控制將受限，不利于機組參與AGC和一次調(diào)頻調(diào)整。

針對上述現(xiàn)象，對汽輪機負荷隨動方式聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制方式進行適當優(yōu)化，增加DCS側(cè)燃機負荷指令限速環(huán)節(jié)，對送入燃機控制系統(tǒng)的負荷指令PGD進行限速處理。該限速功能通過引入余熱鍋爐側(cè)高壓主蒸汽壓力微分，動態(tài)調(diào)整燃機變負荷速率。因蒸汽輪機在高負荷階段采取的是深度滑壓方式運行，蒸汽輪機調(diào)閥保持全開，主蒸汽壓力升高，主蒸汽流量將增加，機組負荷也隨之升高。機組升、降負荷后期，蒸汽輪機側(cè)負荷快速變化，實際總負荷升降速率超過設定速率[5]，燃機側(cè)和蒸汽輪機側(cè)實際負荷分配比例發(fā)生了變化。通過對燃機負荷指令PGD的降速處理，平衡蒸汽輪機側(cè)較快的負荷變化率，能夠減少燃機側(cè)負荷超調(diào)，縮短變負荷過程的穩(wěn)定時間。對于升負荷至額定負荷過程，能夠有效避免因燃機快速變負荷觸發(fā)排氣溫度控制器，保障機組有效參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻。

4 工程應用及總結(jié)

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在協(xié)調(diào)控制方式下的主要運行參數(shù)曲線如圖5所示。

由圖5可見，機組負荷升速率設定為14MW/min，在320MW～405MW連續(xù)升負荷過程中，變負荷初期燃機能夠提供快速的負荷響應，高壓蒸汽壓力和蒸汽輪機發(fā)電機負荷有較為明顯的遲延。采用改進后的汽輪機負荷隨動方式聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制方式，在接近目標負荷時，解決了燃機負荷超調(diào)的問題。

針對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組燃機與蒸汽輪機負荷響應特性差別，設計汽輪機負荷隨動方式聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制方式，由燃機承擔快速響應機組負荷指令任務，蒸汽輪機側(cè)由旁路和汽輪機調(diào)門進行主蒸汽壓力控制。在此基礎上適當改進負荷分配方法，既保證了并網(wǎng)機組較好的調(diào)峰調(diào)頻能力和蒸汽輪機滑壓運行方式的經(jīng)濟性，也提升了機組變負荷動態(tài)過程的穩(wěn)定性，增強了機組運行安全性。