联合循环燃气轮机低负荷运行模式探讨与分析

苏烨，樊印龙，尹峰，张彩

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

发电技术

联合循环燃气轮机低负荷运行模式探讨与分析

苏烨，樊印龙，尹峰，张彩

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

介绍了某发电厂的西门子V94.3A多轴联合循环燃气轮机机组在低负荷阶段运行的特点，根据过夜负荷为140 MW的低负荷要求以及此负荷下的机组特点，对原有的机组运行方式和协调逻辑以及协调控制方式下机组的负荷分配方式进行了优化和调整，通过旁路和汽机的配合，解决了燃机稳定性和机组经济性的问题。

燃气轮机；低负荷运行模式；负荷分配；运行方式；协调控制

0 引言

某发电厂机组为400 MW级联合循环多轴发电机组，燃气轮机是由德国Siemens公司生产的SGT5-4000F，ISO工况出力为285.87 MW，发电机为SGen-1000A；余热锅炉采用杭州锅炉集团股份有限公司生产的NG-54000F-R型三压有再热无补燃卧式余热锅炉；汽轮机为上海电气集团股份有限公司生产的N141-563/551型超高压、双缸、再热、凝汽式汽轮机。机组采用分轴布置，燃机和汽轮机有各自配套的发电机。DCS（分散控制系统）和TCS（燃机控制系统）均采用西门子公司的SPPA T 3000一体化系统。

机组有单循环和联合循环2种运行方式，在单循环模式下，燃机可以独立带满负荷运行。根据电网调度要求，该机组不采用日开夜停方式，晚上最低负荷为140 MW，且保持定负荷运行。与日开夜停联合循环机组不同，该机组此低负荷运行时在需要考虑机组稳定性的同时，还需要考虑机组的经济性要求，必须在保证机组稳定性的基础上实现其经济效益最大化。

1 机组原运行方式

与日开夜停联合循环机组不同，该机组因电网的要求而保持夜间运行，且保持140 MW的最低负荷。此负荷下，燃机和汽机负荷均较低，但燃机和汽机在低负荷运行时的特点有所不同。根据机组原有的运行方式，在140 MW时，其运行控制方式有以下几个特点：

（1）协调撤出，燃机负荷和汽机负荷单独设定，燃机负荷在TCS画面操作设定，汽机负荷在DEH（数字电液调节系统）画面操作设定。

（2）在此负荷时运行人员一般设定燃机负荷为100 MW。

（3）汽机3个调门开度较小，负荷为40 MW。

（4）由于燃机负荷较高、汽机负荷较低，汽机调门开度较小，因此汽机旁路系统投入，且开度较大。

（5）运行操作和监盘工作量大。

（6）机组经济性和效率较低。

在此负荷段，机组负荷、汽机旁路开度、汽机调门开度如表1所示，从表1可以看出，机组在此负荷下运行时，高压旁路和中压旁路开度较大，从机组以往的运行情况看，每天这样的负荷工况长达7 h，大量蒸汽通过旁路排入凝汽器，造成了极大的浪费。

2 机组在低负荷下的运行特点

当机组在联合循环方式下运行时，如果过夜总负荷较低，机组将呈现以下特点：

（1）燃机燃烧不是很稳定，排烟温度变化比较大，不同负荷段的燃机排烟温度如图1所示。燃机在80～105 MW负荷区间时，排烟温度变化比较大，部分排气热电偶会有突变反应，特别是当燃机负荷从89 MW变到100 MW时，某排气热电偶的温度变化近60℃，西门子技术人员认为此区域燃烧不太稳定，因此，在该负荷段升降负荷时，需要控制燃机负荷的升降速度。

图1 排烟温度与燃机负荷变化曲线

（2）汽机负荷较低，汽机调门开度较小。

（3）需要开启旁路配合运行，大量蒸汽排入凝汽器，造成机组的经济性不高。

在考虑机组安全稳定性的同时，又要考虑机组的经济性，因此要对机组的运行方式、燃机和汽机的负荷分配进行重新考虑和优化。

3 协调运行方式下的负荷分配

在原有逻辑设计中，非CCS（协调控制）模式时燃机负荷在TCS燃机画面进行操作，通过TCS操作面板给出负荷指令，变负荷速率固化在燃机逻辑中，为13 MW/min，变负荷速率不可更改。汽机负荷指令在DEH汽机画面单独操作，通过DEH操作面板给出汽机负荷指令，汽机变负荷速率可以在DEH操作画面手动设定和改变。但是当CCS投入时，在DCS负荷控制画面进行负荷设定和AGC（自动负荷控制）的投撤，从DCS负荷控制画面给定的是联合循环机组的总负荷指令。在原来的协调控制系统中，负荷指令SAMA图如图2所示，DCS负荷控制模块给定总负荷指令后，此负荷指令通过速率限制，再经过40 s的惯性，最后由通过限速形成的负荷指令与实际负荷进行PID运算，运算结果加上限速后的负荷指令乘以0.7的系数作为燃机的负荷指令。汽机负荷指令生成分2种情况：为当汽机滑压未投入时，以燃机负荷乘以0.5的系数，再减去5 MW作为汽机负荷指令；如果协调方式下汽机滑压投入，则以汽机实际负荷再每个扫描周期叠加1 MW作为汽机负荷指令，一直到负荷高限限制为止。汽机负荷指令逻辑框图如图3所示。

图3 汽机负荷指令逻辑框图

4 协调逻辑和参数优化

在采用原CCS控制方式时，运行人员反应变负荷速度较慢，西门子公司的技术人员也反应DCS送燃机负荷指令信号有跳变现象，且波动较频繁。对CCS逻辑和参数进行检查后，发现以下问题：

表1 原低负荷运行方式下的各项参数

（1）DCS中，送燃机的负荷指令回路设计了PID环节，送燃机指令=总负荷指令×0.7+PID输出，PID的输出根据负荷指令和实际负荷的偏差计算得出，PID的参数为比例1、积分30、微分1。由于有微分环节，因此当有负荷偏差时，PID输出会有较大幅度的变化，造成送燃机的负荷指令波动频繁。在原逻辑设计PID的SAMA图中发现送燃机负荷指令之前还有1个PID，通过计算再送燃机指令，燃机侧收到负荷指令后再进行PID闭环控制，因此送燃机负荷指令前的PID是多余环节，此环节造成计算输出的指令偏慢且波动频繁，当指令大于机组实际所能带的功率时，PID计算会产生积分饱和，如果此时减负荷，则需从饱和值开始往下计算，速度较慢。

由于燃机侧TCS中有闭环控制，DCS只需要送出负荷指令即可，因此取消了该PID环节，将燃机负荷指令修改为限速后的负荷总指令减汽机实际负荷。

（2）检查CCS回路发现，负荷指令经过操作面板的速率限制后，又经过1个惯性环节，惯性环节的输出送入燃机，且惯性时间为40 s，造成送燃机的负荷指令偏慢，因此取消该惯性环节。

（3）汽机负荷指令是固定的计算模式，在低负荷段时汽机旁路开度较大，经济性不高。因此在低负荷段汽机滑压未投入前可采取可修改的负荷分配方式，由运行人员在画面操作，修改汽机和燃机的负荷配比，配比范围为0.4～0.8，如协调投入时负荷设定为140 MW，如果想实现燃机100 MW、汽机40 MW的负荷分配，则配比系数为0.4，如果要实现燃机90 MW、汽机50 MW，则修改配比系数为0.556。当滑压投入或非CCS模式时，此回路不起作用，负荷分配系数保持0.7。

图2 CCS负荷控制SAMA图

5 运行方式优化

通过对CCS中燃机和汽机负荷指令回路逻辑和参数的优化，机组的各方面性能得到显著提高。

（1）实现了机组从比较低的过夜负荷到满负荷的全程协调，原机组带140 MW过夜负荷时，协调控制必须撤出，现可以通过修改负荷配比系数来修改燃机和汽机的负荷，运行操作较少，对燃机和汽机负荷的可控性更高。

（2）通过多次试验，总负荷160 MW以上时汽机滑压可以投入，使汽机调门尽量开大、尽早全开。通过试验，当滑压投入、总负荷为200 MW时，汽机高压调门和中压调门已能全开，而优化前要到250 MW时调门才能全开，因此大大提高了机组的经济性。

（3）当机组负荷从160 MW降至140 MW的区间时，滑压方式必须撤出，如果不撤出，汽机调门负荷控制和压力控制回路会来回切换，导致汽机负荷波动，继而造成燃机负荷波动，而此负荷点的燃机负荷波动对燃机排烟温度影响比较大，对机组的安全稳定性不利。在此负荷工况点将汽机滑压方式撤出后，由运行人员手动修改负荷分配系数，实现负荷配比的重新分配，也可以控制燃机的负荷变化速度和范围，实现140 MW时汽机旁路全关，燃机和汽机负荷稳定，机组的稳定性和经济性得到显著提高。优化后的低负荷运行参数如表2所示。

6 结语

根据某发电厂过夜负荷较低的情况，分析了此负荷段时燃机和汽机的特点，对协调系统的逻辑和控制策略进行了完善和优化，较好地解决了

表2 优化后的低负荷运行参数

机组低负荷时安全性和经济性不高的问题，运行控制的灵活性和可操作性得到了显著的提高，可供其他过夜负荷较低的联合循环机组参考。

[1]章素华．燃气轮机发电机组控制系统[M]．北京：中国电力出版社，2012．

（本文编辑：龚皓）

Discussion and Analysis on Low-load Operation Mode of Combined Cycle Gas Turbines

SU Ye，FAN Yinlong，YIN Feng，ZHANG Cai
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This article introduces characteristics of Siemens V94 3A multi-axes combined cycle gas turbine units in low-load operation in a power plant.In accordance with the overnight load of 140 MW and characteristics of units，the former operating mode，coordination logic and load distribution mode in the coordination control mode are optimized and adjusted.Through cooperation with bypass and steam turbine，problems concerning stability of gas turbine and economical efficiency of units are solved.

gas turbine；low-load operating mode；load distribution；operation mode；coordinated control

TK37

：B

：1007-1881（2014）12-0035-03

2014-08-25

苏烨（1979-），男，湖南冷水江人，高级工程师，从事发电厂热工自动化研究工作。