單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組快速啟動(dòng)中的煙溫與汽溫匹配策略優(yōu)化

大唐萬寧天然氣發(fā)電有限責(zé)任公司 江 彬 李 杰 吳占元 王 典 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 趙偉剛

西安熱工研究院有限公司 陳志剛 王 林

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

某電廠擴(kuò)建工程6號(hào)機(jī)組采用上海電氣制造的安薩爾多AE94.3A型9F級(jí)改進(jìn)型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)、一拖一單軸、帶SSS離合器的純凝發(fā)電機(jī)組。該項(xiàng)目具有啟停靈活、低碳環(huán)保、清潔高效等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，單套機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)工況下出力為475MW。機(jī)組DCS和TCS控制系統(tǒng)均采用ABB（S+）系統(tǒng)。某燃機(jī)電廠采用上海電氣安薩爾多AE94.3A型9F級(jí)改進(jìn)型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)、一拖一單軸帶SSS離合器純凝發(fā)電機(jī)組。余熱鍋爐采用杭州鍋爐股份有限公司制造的三壓、再熱、臥式、無補(bǔ)燃、自除氧、自然循環(huán)汽包鍋爐，過熱和再熱蒸汽系統(tǒng)分別采用兩級(jí)噴水減溫控制末級(jí)蒸汽溫度。

2 快速啟動(dòng)面臨的問題

燃機(jī)運(yùn)行最低煙溫受環(huán)境溫度影響較大，夏季冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)會(huì)因燃機(jī)煙溫過高造成余熱鍋爐急劇升溫，若降低煙溫會(huì)導(dǎo)致燃機(jī)燃燒不穩(wěn)甚至逆功率解列[4-6]；若抬高煙溫，極易造成余熱鍋爐過熱面瞬間超溫受損。根據(jù)汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)曲線需要主蒸汽溫度在390℃，因此需要鍋爐過熱器出口蒸汽溫度從480～500℃降低至390～420℃后才能進(jìn)行機(jī)組聯(lián)循啟動(dòng)[7-9]。

2.1 煙氣溫度上升過快余熱鍋爐減溫噴水余量不足

夏季工況，燃機(jī)并網(wǎng)帶初負(fù)荷后面臨排煙溫度無法降低，導(dǎo)致余熱鍋爐無法有效減溫。因啟動(dòng)初期余熱鍋爐蒸發(fā)量受限于旁路容量特別是中旁容量。蒸汽流量不足導(dǎo)致過熱減溫水極易達(dá)到噴水后蒸汽溫度臨近飽和態(tài)而閉鎖增的限值，導(dǎo)致余熱鍋爐減溫噴水無法有效降低過熱蒸汽溫度[10]。

2.2 余熱鍋爐出口蒸汽溫度與汽輪機(jī)需求蒸汽溫度不匹配

汽輪機(jī)在冷態(tài)或溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)，因需求蒸汽溫度較低且金屬應(yīng)力需求的暖機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致旁路系統(tǒng)無法維持匹配的主汽壓力和主汽溫度，實(shí)操中主汽溫度遠(yuǎn)超汽輪機(jī)推薦沖轉(zhuǎn)參數(shù)，汽輪機(jī)進(jìn)汽量受限金屬應(yīng)力，導(dǎo)致無法有效暖機(jī)進(jìn)而延長(zhǎng)了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組聯(lián)循啟動(dòng)時(shí)間。

2.3 中壓旁路余量不足導(dǎo)致中壓缸升負(fù)荷裕度不足

機(jī)組啟動(dòng)過程中，若燃機(jī)煙溫?zé)o法有效降低，就需要旁路系統(tǒng)配合增大余熱鍋爐蒸發(fā)量來延緩主汽溫度上升過快，這導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)壓力與需求蒸汽溫度的嚴(yán)重錯(cuò)配，為了合適的汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力則需要降低主汽壓力，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)后在中速暖機(jī)時(shí)，因高旁為降低沖轉(zhuǎn)壓力而開大旁路流量，造成再熱壓力升高并直至中旁全開而無調(diào)節(jié)余量。存在高壓缸排汽溫度受限于再熱壓力過高無法及時(shí)排出，進(jìn)而鼓風(fēng)損失加大排汽溫度快速升高；高壓缸進(jìn)汽量遠(yuǎn)大于中壓缸進(jìn)汽量，在汽輪機(jī)維持轉(zhuǎn)速前提下導(dǎo)致中壓調(diào)閥關(guān)小進(jìn)而中壓缸暖缸效果進(jìn)一步惡化。

3 機(jī)組控制策略優(yōu)化

3.1 燃機(jī)最低負(fù)荷動(dòng)態(tài)下限控制

冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，燃機(jī)并網(wǎng)后先按照15MW/min速率快速升到30MW，等待余熱鍋爐升壓和旁路暖管；隨后在余熱鍋爐和汽輪機(jī)升速率限制下緩慢增加負(fù)荷，直至達(dá)到運(yùn)行預(yù)設(shè)的燃機(jī)期望負(fù)荷，這時(shí)溫控回路自動(dòng)閉鎖最低燃機(jī)排煙溫度設(shè)定值。汽輪機(jī)低速暖機(jī)過程中隨著推薦主汽溫度折算排煙期望溫度的升高大于最低限制后，燃機(jī)繼續(xù)增大負(fù)荷，低速暖機(jī)完成后，在汽輪機(jī)嚙合瞬間會(huì)因?qū)嵃l(fā)功率大于設(shè)定負(fù)荷進(jìn)而退出溫控模式轉(zhuǎn)為負(fù)荷控制模式，這時(shí)溫控回路自動(dòng)鎖定當(dāng)前煙溫，在負(fù)荷逐步增加排煙溫度大于鎖定溫度時(shí)，重新進(jìn)入溫控回路。隨著汽輪機(jī)流量增加，旁路逐步關(guān)閉，進(jìn)而進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)模式，溫控回路煙氣設(shè)定值自動(dòng)切為650℃，OTC退出。隨著系統(tǒng)變負(fù)荷裕度的逐步增加，負(fù)荷逐步升高直至達(dá)到滿負(fù)荷。

3.2 燃機(jī)排煙溫度隨動(dòng)控制

溫態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)啟動(dòng)過程類似冷態(tài)啟動(dòng)過程，溫控回路增加的汽輪機(jī)推薦溫度折算煙氣溫度，可在汽輪機(jī)嚙合前更好匹配汽輪機(jī)需求而不至于使燃機(jī)出力增加過多，在汽輪機(jī)嚙合后鎖定煙溫可以更好匹配汽輪機(jī)裕度需求以及旁路的更快關(guān)閉，更加節(jié)能和更快達(dá)到機(jī)組聯(lián)循。該過程重點(diǎn)是在余熱鍋爐啟動(dòng)過程，溫控回路了兼顧高壓汽包上下管壁溫升速率；在聯(lián)循運(yùn)行且IGV未開的煙溫快升階段，需要關(guān)注過熱蒸汽溫度升高速率以及過熱一減減溫水調(diào)閥狀態(tài)。

在燃機(jī)啟動(dòng)過程中，燃機(jī)負(fù)荷50～80MW階段，IGV雖在全關(guān)位但是開啟角度會(huì)增大，雖然排煙溫度不變，燃機(jī)負(fù)荷會(huì)增加。燃機(jī)煙氣量會(huì)增加較快，需要關(guān)注余熱鍋爐升溫速率和升壓速率。

協(xié)調(diào)送至燃機(jī)排煙溫度設(shè)定主要有三部分構(gòu)成，分別是汽輪機(jī)當(dāng)前裕度需求排煙溫度、余熱鍋爐壁溫及汽包裕度計(jì)算的需求煙氣溫度、燃機(jī)IGV設(shè)定排煙溫度，三者小選后與設(shè)定的最低燃機(jī)排煙溫度做大選，經(jīng)過汽機(jī)溫升、余熱鍋爐溫升和余熱鍋爐壓升的速率限制后，才送至燃機(jī)進(jìn)而控制其燃料閥變化，達(dá)到燃機(jī)實(shí)時(shí)響應(yīng)余熱鍋爐和汽輪機(jī)裕度變化的目的。

3.3 主汽溫度控制策略

在機(jī)組啟動(dòng)過程中，過熱減溫水以控制汽輪機(jī)推薦需求主汽溫度為：主并兼顧噴水后過熱度不低于限制為安全低限，若過熱減溫水噴水后過熱度低于13℃快關(guān)隔離閥后，同步快關(guān)減溫調(diào)閥，但是保持其在自動(dòng)位置并畫面報(bào)警提醒運(yùn)行注意。實(shí)現(xiàn)最大限度的自動(dòng)避免增加運(yùn)行操作強(qiáng)度。

機(jī)組熱態(tài)或極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，較高的燃機(jī)負(fù)荷和較大的過熱蒸汽流量雖然延長(zhǎng)了汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)的時(shí)間，但是對(duì)于抑制過熱蒸汽管段超溫有較大好處，也有利于汽輪機(jī)裕度的快速增加和聯(lián)循后的快速增負(fù)荷。

實(shí)操中因旁路系統(tǒng)遠(yuǎn)離汽輪機(jī)主汽門，導(dǎo)致旁路至汽輪機(jī)主汽門管路蒸汽流通不暢、溫升過慢，因此在高壓旁路未關(guān)前控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟汽輪機(jī)主汽門前疏水，同時(shí)根據(jù)主汽門前蒸汽溫度變化來動(dòng)態(tài)修正末級(jí)過熱減溫噴水設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)主汽門前溫度的精確控制，達(dá)到汽輪機(jī)更加快速暖機(jī)溫度需求目的。

3.4 機(jī)組聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)關(guān)鍵

一是燃機(jī)初負(fù)荷需與汽輪機(jī)初始轉(zhuǎn)子溫度匹配，為了燃機(jī)穩(wěn)定燃燒原則上燃機(jī)負(fù)荷不小于15MW；二是為了縮短聯(lián)合循環(huán)啟機(jī)時(shí)間，需在減溫水有余量前提下，提高燃機(jī)初負(fù)荷、同時(shí)兼顧中壓旁路容量及聯(lián)循后機(jī)組快速帶負(fù)荷能力；三是聯(lián)循啟動(dòng)過程中，溫控回路需要?jiǎng)討B(tài)匹配汽輪機(jī)初始狀態(tài)，冷態(tài)對(duì)應(yīng)低負(fù)荷、熱態(tài)對(duì)應(yīng)高負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)負(fù)荷及溫度控制的平穩(wěn)及經(jīng)濟(jì)性；四是汽輪機(jī)嚙合后，旁路快速關(guān)閉后需兼顧避免過熱蒸汽超溫，均衡蒸汽流量與煙氣能量之間的平衡；五是機(jī)組聯(lián)循后，燃機(jī)增大出力受限于余熱鍋爐汽包上下壁溫升、蒸汽壓升以及汽輪機(jī)熱裕度的限制，縮短汽輪機(jī)熱裕度限制是縮短啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)鍵；六是機(jī)組聯(lián)循升負(fù)荷過程中，過熱蒸汽溫度的控制至關(guān)重要，減小煙溫升速率、提高蒸汽流量、維持減溫噴水量三者需要綜合權(quán)衡。

3.5 機(jī)組聯(lián)合循環(huán)溫度匹配主要改造

一是機(jī)組聯(lián)循協(xié)調(diào)初負(fù)荷由12MW增加為42MW，對(duì)應(yīng)協(xié)調(diào)負(fù)荷指令至燃機(jī)負(fù)荷由8MW增加為28MW。燃機(jī)并網(wǎng)后，燃機(jī)以15MW/min速率升負(fù)荷；二是協(xié)調(diào)畫面增加燃機(jī)進(jìn)入溫控的人機(jī)接口，只有燃機(jī)負(fù)荷大于9MW并維持不少于1min后，燃機(jī)才能進(jìn)入溫控模式；三是協(xié)調(diào)溫控回路增加初負(fù)荷最低煙溫限制，在燃機(jī)進(jìn)入溫控后，自動(dòng)鎖定當(dāng)前負(fù)荷下燃機(jī)排煙溫度，確保在整個(gè)啟動(dòng)過程中，燃機(jī)負(fù)荷不低于鎖定的煙溫值，避免燃機(jī)逆功率和負(fù)荷頻繁波動(dòng)；四是協(xié)調(diào)溫控回路增加汽輪機(jī)推薦溫度+50℃偏置，作為燃機(jī)小選溫度，動(dòng)態(tài)匹配汽輪機(jī)在溫態(tài)或熱態(tài)時(shí)需求燃機(jī)溫度，在汽輪機(jī)嚙合后該回路自動(dòng)退出；五是改造汽輪機(jī)嚙合后閉鎖燃機(jī)煙溫回路，通過鎖定燃機(jī)排氣段和擴(kuò)散段煙溫高值作為溫控設(shè)定值，避免燃機(jī)負(fù)荷波動(dòng)，快速推進(jìn)旁路關(guān)閉進(jìn)而進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)模式；六是改造過熱減溫控回路，抬高初始設(shè)定溫度、壓低高溫段設(shè)定溫度，強(qiáng)化噴水后過熱度控制并根據(jù)過熱度動(dòng)態(tài)適配煙溫溫升前饋，配合聯(lián)循裕度速率限制達(dá)到過熱蒸汽不超溫的目的。

4 結(jié)論與評(píng)價(jià)

改造后控制策略在機(jī)組不同啟動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間由原來的315min縮短到255min，節(jié)省時(shí)間60min；溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)間由原來的160min縮短到110min，節(jié)省時(shí)間53min。實(shí)際啟動(dòng)曲線如圖1和2所示。

圖1 改造前后機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線

圖2 改造前后機(jī)組溫態(tài)啟動(dòng)曲線

針對(duì)機(jī)組啟動(dòng)過程中煙氣溫度、余熱鍋爐和汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)不匹配的問題。通過對(duì)余熱鍋爐汽溫控制、燃機(jī)最低負(fù)荷動(dòng)態(tài)下限控制、燃機(jī)排煙溫度隨汽輪機(jī)需求蒸汽溫度控制等手動(dòng)進(jìn)行控制策略的動(dòng)態(tài)調(diào)整，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間縮短了60min、溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)間縮短了53min。整體上實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)過程全程自動(dòng)，過熱器出口溫度平滑不超溫，汽包水位平穩(wěn)無波動(dòng)、汽輪機(jī)暖機(jī)時(shí)間可控的目的。