西門子SGT5-4000F型燃機靈活性改造技術(shù)分析

韓洋，趙成澎

（1.北京京橋熱電有限責(zé)任公司，北京 100068；2.北京京能國際能源技術(shù)有限公司，北京 100041）

1 SGT-4000F型燃?xì)廨啓C概述

燃?xì)廨啓C為上海電氣-西門子重型單缸SGT5-4000F(+)型，壓氣機和透平用同一根軸，適合驅(qū)動發(fā)電機在基本負(fù)荷和尖峰負(fù)荷下運行，可以用于聯(lián)合循環(huán)。

燃?xì)廨啓C由1臺15級的軸流式壓氣機、24個低NOx燃燒器組成的環(huán)形燃燒系統(tǒng)、2臺4級的透平和燃機輔助系統(tǒng)組成。壓氣機轉(zhuǎn)子和透平轉(zhuǎn)子由法蘭剛性連接，采用2個支持軸承支撐。

壓氣機由15級組成，壓比約為17。進氣導(dǎo)流葉片的角度可變化，以便保持穩(wěn)定的排氣溫度至近半負(fù)荷而沒有明顯的效率損失。為排放掉足夠量的空氣以保證壓氣機在低速下的穩(wěn)定運行，如啟動和停機時，在壓氣機靜葉5，9和13的下游裝有排放管。在結(jié)構(gòu)上通過靜葉持環(huán)間形成環(huán)形間隙來實現(xiàn)，環(huán)形間隙將壓縮空氣引入3個環(huán)形腔室。排放管裝有氣動阻尼器并把排氣引入排氣擴散段。

燃?xì)廨啓C裝有24個混合燃燒器?；旌先紵骶鶆蚍植荚诃h(huán)形燃燒室圓周上，以達(dá)到燃燒室內(nèi)溫度場均勻。該設(shè)計保證了從壓氣機到燃燒室同中心的燃?xì)夂涂諝馔ǖ?，從燃燒室到透平有最小的壓降?/p>

從燃燒室來的熱氣體在透平的四個級中膨脹。動葉片是由型線，內(nèi)圍帶和葉根組成。葉片用高溫合金鋼制造，可經(jīng)得住高機械和熱應(yīng)力。前三級的葉片都有涂層，以防止高溫腐蝕。靜葉片是由型線，內(nèi)外圍帶組成。外圍帶把葉片裝入靜葉持環(huán)并形成了熱氣體通道的外邊界。內(nèi)圍帶形成了內(nèi)邊界并裝有內(nèi)密封。所有四級靜葉和前三級動葉都采用氣冷。透平的冷卻空氣是從相應(yīng)的壓氣機級抽取。根據(jù)透平級，分別采用膜沖擊和對流冷卻技術(shù)對葉片進行冷卻。透平空氣冷卻系統(tǒng)用來冷卻透平葉片，以防止透平材料溫度超過最大允許極限。熱氣體通道部件的冷卻改善了運行可靠性，防止部件過熱，增加了其抗高溫腐蝕的能力。

2 燃機靈活性改造方法

2.1 燃燒裕度控制系統(tǒng)優(yōu)化

燃燒裕度控制系統(tǒng)（ARGUS）在燃機運行時實時監(jiān)測燃燒動態(tài)，其信號輸出到控制系統(tǒng)。自動控制邏輯通過調(diào)節(jié)值班氣氣量和透平出口溫度（OTC）,從而阻止過大燃燒室振動加速度事件。使得燃機能在環(huán)境條件及燃?xì)馄焚|(zhì)變化的情況下，仍能保持最佳燃燒動態(tài)及出力。在某些條件下，燃機必須降低出力以避免加速度過大引起的跳機。ARGUS系統(tǒng)實時監(jiān)測燃燒室動態(tài)壓力波動，提供反饋給燃機自動燃燒調(diào)整，自動保護及提供燃燒過程中潛在問題信號。

燃燒裕度控制系統(tǒng)優(yōu)化升級方案（圖1）：原燃燒裕度控制系統(tǒng)用的是3個嗡鳴傳感器（分別位于燃燒器7#、10#、15#），高級燃燒裕度控制在此基礎(chǔ)上增加了2個嗡鳴傳感器（位于燃燒器12#、17#），共使用5個嗡鳴傳感器采集信號，可以更加準(zhǔn)確的感知燃燒的狀態(tài)。此外，控制軟件也進行升級，升級后的控制軟件考慮了更多的燃燒頻段，因為燃燒的狀態(tài)不同對應(yīng)的頻譜也不一樣，升級后的控制軟件可以自動識別嗡鳴出現(xiàn)在90Hz，120Hz，180Hz或210Hz等不同頻段并通過控制邏輯對出現(xiàn)在不同頻段的嗡鳴信號進行處理，給出相應(yīng)的加減值班氣量的指令。由于考慮了不同的燃燒頻段，控制邏輯更加復(fù)雜精細(xì)，可調(diào)參數(shù)更加豐富，以此實現(xiàn)對燃燒狀態(tài)更加精確的控制。高級燃燒裕度控制系統(tǒng)的目的在于更好的控制燃燒，由于有更多更精細(xì)的調(diào)控可以控制燃燒，系統(tǒng)指令自動觸發(fā)燃料閥動作的頻率也會相對增加，可以更好的將燃燒不穩(wěn)定的狀態(tài)及時控制住，避免加速度的情況發(fā)生。

圖1 燃燒裕度控制系統(tǒng)優(yōu)化升級方案

燃燒裕度控制系統(tǒng)根據(jù)傳輸?shù)男盘?，結(jié)合修改后的軟件，控制系統(tǒng)將能夠?qū)崟r對燃燒不穩(wěn)定性做出反應(yīng)（通過調(diào)整值班氣體質(zhì)量流量和/或OTC設(shè)定），在部分負(fù)荷運行和基本負(fù)荷運行時提高燃燒穩(wěn)定性，能夠確定每個負(fù)荷范圍內(nèi)燃燒極限的裕度，同時可防止燃燒極限事件發(fā)生。

2.2 部分負(fù)荷OTC優(yōu)化（PLOTCI）

部分負(fù)荷OTC的提高是在燃機部分負(fù)荷工況下，使IGV在相同開度時的OTC溫度提高，以提高部分負(fù)荷工況下的余熱或出力。

邏輯控制方面調(diào)高IGV拐點的OTC溫度（例如從577°C調(diào)高至600°C），IGV進入溫控模式后的運行曲線相應(yīng)調(diào)整。原運行曲線在IGV開始打開后到滿負(fù)荷OTC保持不變，如下圖中橘色直線所示。部分負(fù)荷OTC優(yōu)化后，IGV開始打開到滿負(fù)荷OTC溫度為折線，如下圖2中藍(lán)色折線所示。在部分負(fù)荷工況下，IGV相同開度時的OTC溫度較之前提高，如圖2中灰色部分所示。

圖2 部分負(fù)荷OTC優(yōu)化

部分負(fù)荷OTC優(yōu)化實施方案：MBR平面更換新熱電偶使用原有安裝位置，換掉原有安裝位置上的舊熱電偶替換為反應(yīng)速率更快的新型熱電偶，原設(shè)計支架套管與新熱電偶完全匹配。改造后，當(dāng)燃機啟動直到FSNL過程中，由于防喘閥打開，此時仍舊采用MBA平面24支熱電偶計算OTC。當(dāng)防喘閥全部關(guān)閉后，MBR平面新安裝的6支新型快速響應(yīng)熱電偶將取代原MBA平面的24支熱電偶計算OTC。冷熱點保護信號仍由原MBA平面的24支熱電偶提供計算，MBR平面6支新型熱電偶不參與冷熱點保護信號計算。

部分負(fù)荷OTC優(yōu)化后，從95%負(fù)荷率（PNorm）開始，每降低1%的負(fù)荷，OTC將提高1℃，直到達(dá)到最大允許排煙溫度TT2，例如：80%負(fù)荷率時OTC將增加15℃。此后，保持TT2溫度運行直到最小IGV開度。80%負(fù)荷率是理論計算的部分負(fù)荷OTC優(yōu)化的可用最大負(fù)荷，調(diào)試時會根據(jù)現(xiàn)場實際情況最終確認(rèn)部分負(fù)荷OTC優(yōu)化的最大負(fù)荷。

最大允許排煙溫度受到燃機排氣擴散段的材料耐受溫度（TAT15）限制（624℃）以及鍋爐溫度上限（TSMAX）限制（預(yù)期值按鍋爐設(shè)計極限是600℃計算）。

例如：以排煙溫度最高600℃為例，相對于現(xiàn)有585℃的排煙溫度增加了15℃，因此，在IGV進入溫控模式開始直到80%負(fù)荷率(PNorm)間，OTC將相對原有值增加15℃；從80%負(fù)荷率到95%負(fù)荷率，OTC以1℃/1% PNorm的梯度降低到標(biāo)準(zhǔn)滿負(fù)荷OTC；在95%負(fù)荷率以上，OTC將維持標(biāo)準(zhǔn)滿負(fù)荷OTC不變。（實際設(shè)定值可能在調(diào)試中燃燒表現(xiàn)進行調(diào)整。）。

OTC溫度僅在部分負(fù)荷工況下增加，100%滿負(fù)荷OTC溫度不變，燃燒溫度不變。因此，僅對部分負(fù)荷NOx有影響，滿負(fù)荷NOx無影響。部分負(fù)荷NOx即使有所增加也低于滿負(fù)荷工況下NOx排放。

2.3 IGV進一步關(guān)?。‥TD）

燃?xì)廨啓C的工作范圍受限于IGV的可調(diào)范圍。IGV進一步關(guān)小實施旨在幫助聯(lián)合循環(huán)電廠在保持較高燃機出口溫度的同時運行在更低的部分負(fù)荷，通過擴展工作負(fù)荷范圍，使運行更具靈活性，并且能夠增加部分負(fù)荷運行時的聯(lián)合循環(huán)效率?？紤]到當(dāng)前的環(huán)境溫度，通過增加進口導(dǎo)葉的可調(diào)范圍來減少壓氣機質(zhì)量流量，從而實現(xiàn)擴展的工作范圍。實際最小部分負(fù)荷取決于現(xiàn)場具體條件和要求的一氧化碳排放水平。在低環(huán)境溫度和高濕度下，由于壓氣機內(nèi)結(jié)冰風(fēng)險，需要限制IGV進一步關(guān)小的操作范圍。通過IGV進一步關(guān)小和防冰系統(tǒng)的結(jié)合，可以使IGV進一步關(guān)小適用更大范圍的環(huán)境溫度和濕度。

IGV進一步關(guān)小改造通過擴展IGV 可調(diào)角度來減少燃?xì)廨啓C的壓縮機質(zhì)量流量，增加IGV驅(qū)動范圍來降低最低負(fù)荷，從而降低質(zhì)量流量，同時保持燃機出口溫度恒定。相對于原有IGV關(guān)閉時的IGV角度βbi=48,7°(0%)，IGV進一步關(guān)小至最小角度βbi=59.7°(-13%)，為了維持較低的一氧化碳水平以及考慮防冰要求，目前負(fù)載范圍最低可能至30%相對負(fù)荷。

IGV進一步關(guān)小功能并不是在燃機啟動過程中全程可用，只有在滿足特定條件下該功能才被激活，即燃機正常模式啟動到達(dá)IGV拐點，汽輪機完成嚙合且IGV進入溫控模式后該功能才能被激活，運行人員通過手動點擊控制面板IGV進一步關(guān)小啟動按鈕執(zhí)行該項操作。IGV進一步關(guān)小啟動后控制程序?qū)?zhí)行eTD控制邏輯，以實現(xiàn)上述IGV進一步關(guān)小啟動后的燃機運行模式。運行人員可以根據(jù)實際情況選擇是否啟動該功能，該功能啟動后在激活范圍內(nèi)可以隨時選擇退出，控制程序?qū)⑶袚Q為正常運行模式控制邏輯，如燃機運行超出該功能激活范圍則IGV進一步關(guān)小模式保持常開，即手動投入，手動退出。

2.4 IGV進一步開大（TU）

IGV進一步開大包括擴大IGV基本負(fù)荷設(shè)計操作范圍的功能，進一步增加壓縮機質(zhì)量流量。為頻率響應(yīng)范圍提供超出基本負(fù)荷的備用出力。

IGV進一步開大即提高IGV的最大開度，在OTC保持不變的情況下，使IGV達(dá)到100%開度后可以繼續(xù)打開至113%，壓氣機流量能夠增加約2.7%(約15.87kg/s)，出力進一步提高。

IGV進一步開大屬于極限工況，在此工況下，熱通道處于超溫運行狀態(tài)，EOH系數(shù)會有所增加。IGV達(dá)到100%開度后EOH系數(shù)為1，IGV達(dá)到113%最大開度后EOH系數(shù)為2，IGV開度在100%-113%之間EOH系數(shù)從1-2線性增加。

IGV進一步開大將壓縮機進口導(dǎo)葉打開超過標(biāo)準(zhǔn)位置。這會提高壓縮機質(zhì)量流量，從而增加燃?xì)廨啓C的出力輸出。預(yù)計在ISO條件下的額外估計出力增加最大值為+4.5MW，在26-30°C，最大值為+4MW。

2.5 快速負(fù)荷梯度優(yōu)化

快速負(fù)荷梯度優(yōu)化是指提升燃機預(yù)期出力的變化速率，即提高燃機的升負(fù)荷率以實現(xiàn)燃機負(fù)荷的更快速變化，在IGV動作范圍內(nèi)，提升負(fù)荷梯度，進而獲得更佳的運行靈活性。快速負(fù)荷梯度優(yōu)化對燃機運行模式?jīng)]有影響。

正常燃機升負(fù)荷率設(shè)定值為13MW/min,需要緩慢升負(fù)荷時為2MW/min,二次調(diào)頻響應(yīng)的升負(fù)荷率為50MW/min?？焖儇?fù)荷梯度優(yōu)化是將正常燃機升負(fù)荷率設(shè)定值提高到50MW/min?？焖儇?fù)荷梯度優(yōu)化功能的激活條件是IGV到達(dá)拐點（如圖3），在控制面板上設(shè)有相應(yīng)功能的按鈕，運行人員手動點擊相應(yīng)按鈕啟動快速負(fù)荷梯度優(yōu)化功能，即燃機升負(fù)荷或降負(fù)荷速率設(shè)定值為50MW/min。在IGV開度在10%～97%之間可以達(dá)到升降負(fù)荷速率50MW/min,運行人員可以在任何時候退出該功能，退出后燃機升負(fù)荷速率恢復(fù)原設(shè)定值。由于快速升負(fù)荷會導(dǎo)致燃燒狀態(tài)快速變化而出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，所以該功能需要配合高級燃燒裕度控制系統(tǒng)實施以保證在快速升負(fù)荷過程中的燃燒穩(wěn)定性?？焖偕?fù)荷還會導(dǎo)致NOx排放波動范圍增大，但在調(diào)試過程中會充分考慮快速升負(fù)荷對NOx排放的影響并將快速升負(fù)荷過程中的NOx排放控制在保證值之內(nèi)。

圖3 IGV激活條件

3 BOP檢查評估

BOP評估的方向是，評估計算升級后的熱平衡圖，通過升級后的熱平衡圖判斷各個系統(tǒng)的流量，包括最小流量最大流量以及溫度，各系統(tǒng)是否能夠承受。主要是流量溫度對鍋爐汽機的影響，尤其是IGV進一步關(guān)小模式下，流量比較低，鍋爐是否能適應(yīng)，以及排煙溫度及快速升負(fù)荷對配套設(shè)備的影響。

不同工況下燃機出口排煙指標(biāo)參數(shù)如表1：

表1 不同工況下燃機出口排煙溫度

通過全面BOP檢查評估，燃機靈活改造升級條件下，不影響鍋爐和汽輪機使用壽命，尤其是IGV進一步關(guān)小模式下，能夠滿足鍋爐和汽輪機使用條件。

4 結(jié)語

綜上所述，西門子SGT5-4000F型燃?xì)廨啓C靈活性改造，不但可以提高機組調(diào)峰、調(diào)頻能力，還可以擴展工作負(fù)荷范圍，使運行更具靈活性，并且能夠增加部分負(fù)荷運行時的聯(lián)合循環(huán)效率。