燃气—蒸汽联合循环机组冷、温态暖机优化

2015-12-02瞿虹剑

电力与能源 2015年3期

瞿虹剑，俞卫，邵良，王鑫

（华能上海燃机发电有限责任公司，上海 200942）

华能上海石洞口燃机电厂安装的3套燃气-蒸汽联合循环机组，由西门子公司和上海电气集团联合供货，采用单轴“一拖一”布置形式（带3S离合器）。西门子燃气轮机型号为V94.3A型，输出功率270MW。余热锅炉由上海电气集团引进ALSTOM公司技术设计制造，为三压再热、卧式布置、无补燃、自然循环式。汽轮机由上海电气集团引进西门子技术制造，额定功率135.8MW。机组DCS控制系统采用西门子公司的TELEPERM XP，燃机和汽轮机的控制和保护采用西门子SIMADYN-D和S-95保护装置。

目前西门子所有燃气-蒸汽联合循环机组都采用汽机高压缸启动的中速暖机模式，其特点是汽机启动过程中，燃机负荷、燃机排气温度、汽机主要蒸汽参数几乎不变，都为高参数启动，这种单一的汽机启动模式结果造成汽机阀门截流严重和暖机时间过长等弊端，导致设备损耗大、冷态机组调峰性能差、暖机运行节能环保和经济性不足等问题，一直以来都是困扰国内西门子9F型燃气轮机联合循环发电厂的难题。

华能上海燃机电厂分析原燃气-蒸汽联合循环机组的控制模式，根据燃机、汽机特性，详细制定优化原则、试验方案及试验步骤，利用启机机会实施汽机中速暖机试验，摸索出了一套可行有效的汽机暖机新模式，实现了汽机暖机冷态、温态、热态三种状态下的不同暖机方式的复合模式，并实现了全过程的变参数控制及全过程的程控自动，彻底消除了西门子关于汽机启动技术的弊端。

汽机启动暖机优化主要参照石洞口燃机电厂燃气轮机、汽轮机《运行维护手册》、《控制逻辑图》；石洞口燃机电厂余热锅炉《运行维护手册》、《控制逻辑图》；石洞口燃机电厂DCS系统《控制逻辑图》等标准、手册等进行。

1 优化目标

（1）通过一系列的现场试验、观察和分析机组运行参数，确定合适的汽机冷态、温态、热态的暖机参数。并确定燃机、汽机、余热锅炉保护控制的可靠性。

（2）对原西门子联合循环机组燃机与汽机控制回路进行功能分析、找出其控制特点和不足之处，进行控制逻辑修改和参数调整，并通过启动试验验证，最终实现2.3套联合循环机组的汽机冷态、温态、热态最佳启动控制。

2 优化原则

从安全性、经济性、调节品质考虑，对优化控制的实现设置以下原则：

（1）对燃机与汽机的保护回路及逻辑定值不做任何修改

（2）对燃机带部分负荷和基本负荷控制逻辑不做任何修改

（3）对影响燃机燃烧稳定性的控制逻辑不做任何修改

（4）对汽机暖管和冲转条件的X、Z准则逻辑和参数不做任何修改

（5）对汽机各个状态下的启动蒸汽温度参数不做修改

（6）对影响汽机升速和暖机稳定性的逻辑和参数不作修改

（7）汽机冷态、温态、热态暖机疏水控制实施变参数控制

（8）汽机冷态、温态、热态暖机负荷实施三段式复合控制

（9）汽机冷态、温态、热态暖机各蒸汽参数控制实现无扰动切换

（10）汽机冷态、温态、热态暖机的主要蒸汽参数实施变参数控制

（11）汽机暖机各个阶段的各调节器参数实现变参数控制

（12）整个汽机中速暖机至并网优化实现全自动程控控制

（13）运行操作画面不做任何修改，不增加任何手动操作点

3 优化步骤

依照优化原则，保证优化过程的安全性和正确性，科学实施以下步骤，实现汽机暖机各个阶段的优化控制。

（1）对原联合循环机组燃机负荷、OTC、IGV、冷却风、喘振等各个控制回路进行功能分析、逻辑分析，确认其匹配于汽机暖机各个阶段的控制原理，以及其原控制方式的设计依据。

（2）对原联合循环机组汽机暖机负荷、蒸汽压力、蒸汽温度、高压缸排汽压力、高压叶片压力、高压缸排气温度、高压缸压力比控制回路进行功能分析、逻辑分析，确认其联合循环的汽机冷态、温态、热态暖机各个阶段（暖机前、中速暖机、中速暖机至全速、燃机与汽机偶合、联合循环建立）的控制原理。

（3）汽机启动暖机各个阶段的应力裕量（MARGIN）分析和掌握。精确理解汽机热应力控制逻辑，对汽机启动暖机各个阶段的应力裕量控制范围定性分析，以确定汽机暖机和冲转时燃机和汽机主要参数的控制范围。

（4）分析和掌握原暖机控制方式的设计依据，找出控制点。通过一系列的现场试验，观察和分析机组运行参数，进一步确定汽机暖机特性。分析其原控制方式的设计依据，找出其控制方式的不足之处，在充分理解汽机运行规程的基础上，找出原控制方式切换的关键控制点及控制参数，为最终实现控制方式的无扰动切换创造条件。

（5）在不改变联合循环控制逻辑的基础上，手动调整燃机对应于汽机暖机的主要控制参数（负荷、排气温度）后，实施冷态、温态、热态暖机试验，分析暖机过程参数变化，确定燃机匹配参数。

（6）在不改变联合循环控制逻辑的基础上，手动调整汽机暖机的主要控制参数（蒸汽压力、温度、过热度）后，实施冷态、温态、热态暖机试验，分析暖机过程参数变化，确定汽机暖机时汽机旁路、汽机调门、汽机疏水的控制参数。

（7）修改联合循环控制逻辑，去除原汽机暖机的单一模式，实施汽机暖机冷态、温态、热态3种状态下的不同暖机方式的复合模式，并彻底修改联合循环的燃机、汽机启动程控逻辑，做到理论上各种方式的全过程自动无扰动切换。

（8）进行修改逻辑后的汽机暖机冷态、温态、热态试验，在试验中验证三种控制方式的全过程自动无扰动切换，完善各个切换点的控制参数，反复试验直至确认无误。

（9）在试验中进一步调整各个控制阶段的调节器参数，提高控制系统调节品质，实现汽机启动的快速稳定控制。

（10）分析汽机启动过程中的各个额定参数的变化趋势曲线，确认其是否在汽机的热应力、热保护定值范围之内，以便进一步优化控制参数。

4 联合循环机组冷、温、热态暖机控制原理

4.1 联合循环暖机时燃机负荷、温度指令处理

（1）汽机启动负荷、温度指令处理

汽机启动负荷、温度指令指汽机暖机前、中速暖机、汽机全速、汽机偶合后4阶段的燃机负荷、排气温度的设定值，如图1所示，西门子原设计其汽机启动负荷、温度具有以下特点：

图1 汽机启动负荷、温度指令处理示意图

1）负荷、温度定值为常数，一般负荷定值为130MW，温度定值为540℃，受环境温度的修正夏天分别为140MW、550℃左右。

2）汽机冷态、温态启动的各个阶段燃机负荷、温度定值保持不变。

3）汽机热态启动的燃机负荷、温度定值与冷态、温态启动相同。

4）其高参数启动设定值主要目的是降低汽机暖机过程中的烟气中的NOx的含量，但也导致汽机阀门截流严重和暖机时间过长等弊端。

（2）汽机启动负荷、温度变化速率的自动计算

联合循环机组的汽机启动负荷变化速率主要取决于余热锅炉和汽轮机。由图1中可知，机组负荷指令变化的有效速率是以下4个数值的小选值：

1）运行人员手动设定的机组负荷变化速率。

2）根据汽轮机的应力（温度裕量）和烟气温度计算得出的允许变化速率（0～20MW／min）。

3）根据高压汽包壁温差和二级减温进口汽温变化率计算得出的允许变化速率（0～20MW／min）。

4）根据高压汽包压力的变化率计算得出的允许变化率（0～20MW／min）。

为了进一步说明汽轮机和余热锅炉对负荷变化速率的影响，相关参数变化幅值（速率）对允许负荷变化速率的影响见表1。当允许速率为20 MW／min时，即表示在该幅值（速率）下的参数变化不影响变负荷速率；当允许速率为13MW／min时，即表示幅值（速率）放大后负荷允许变化速率从不受限降低为13MW／min。

经过速率处理后的负荷指令送给燃机后，燃机内部也有速率限制，目前按照设计值该速率最快为13MW／min。

4.2 联合循环暖机时汽机启动压力指令处理

汽机启动压力主要指汽机暖机前、中速暖机、汽机全速、汽机偶合后4阶段的主蒸汽压力、再热蒸汽压力的设定值，其定值用于汽机启动过程中各个阶段的高、中压旁路调门和汽机高、中压调门的压力控制，具有以下特点：

（1）汽机启动压力定值为常数，一般主蒸汽压力定值为8MPa，再热蒸汽压力定值为2MPa。

（2）汽机冷态、温态启动的各个阶段蒸汽压力定值保持不变。

（3）汽机热态启动的蒸汽压力定值与冷态、温态启动相同。

（4）汽机启动结束后直至汽机调门开足前，蒸汽压力仍然保持不变；当汽机调门开足后，汽机处于随动的滑压控制，压力定值由高、中压蒸汽流量的函数设定。

5 联合循环机组冷、温、热态暖机优化控制原理

5.1 联合循环暖机时燃机负荷、温度指令优化处理

汽机启动的负荷、温度指令逻辑优化在原控制的基础上增加了（虚线框内）汽机启动负荷、温度设定计算功能块和汽机冷、温、热态启动判断功能块，如图2所示。

图2 汽机启动负荷、温度指令优化处理示意图

（1）负荷、温度定值实现三段式设定，切换三种对应的冷态、温态、热态的负荷、温度定值；对应三种状态的参数为65MW／420℃、100MW／500℃、130MW／540℃左右，当然受环境温度的修正。

（2）汽机冷态启动的各个阶段燃机负荷、温度定值为变负荷、温度控制。

（3）汽机冷态、温态、热态暖机负荷、温度控制实现全过程程控自动无扰动切换。

5.2 联合循环暖机时汽机启动压力指令优化处理

汽机启动压力指令逻辑优化在原控制的基础上增加了（虚线框内）汽机启动压力设定计算功能块和汽机冷、温、热态启动判断功能块，如图3所示。通过汽机冷、温、热态启动判断功能块对压力设定计算功能块设置而具备以下功能：

（1）汽机启动压力定值实现三段式设定，切换为三种对应的冷态、温态、热态的压力定值，对应三种状态的参数为5、6.5、8MPa左右（高压）。

（2）汽机冷态启动的各个阶段压力定值为变压力定值控制。

图3 汽机启动压力指令优化处理示意图

（3）汽机冷态、温态、热态暖机各压力参数控制实现全过程自动程控无扰动切换。

6 汽机暖机优化效果

（1）汽机启动负荷、温度定值三段式控制的实现使冷态暖机时间至少减少一半以上，原冷态暖机时间至少7h且暖机负荷减少一半，原冷态暖机负荷至少130MW，大大降低了机组气耗。

（2）汽机冷态启动的各个阶段燃机负荷、温度定值变化功能的实现进一步保证汽机暖机升速过程中汽缸、高中压转子热应力有足够的裕量，使汽机轴系振动、位移等参数在合理范围内。

（3）温态暖机时间不变，但暖机负荷减少50 MW，同样降低了机组气耗。

（4）汽机启动压力定值三段式控制的实现使汽机冷态暖机阶段的高压调门开度增大到8%以上（原模式为2%），加快了高压缸升温速度并使调门节流大幅度降低。

（5）汽机冷态启动的各个阶段压力定值变化功能的实现使汽机冷态、温态、热态各个阶段的汽机旁路调门、汽机调门处于最佳控制点，彻底提高了控制系统的调节品质。

（6）具体优化的经济效益说明（运行提供）：经济效益的比较可以采取多种方法，这里所采取的方法是，当以并网到联合循环负荷达到300MW为比较区间，新暖机方法所消耗的天然气和时间都比西门子原始设计的方法少，但是，因为耗时长，所以西门子原始方式下的冷态暖机累计电量是高于新暖机方法的。因此，以采取新暖机方法时，发电量达到原始暖机方式结束后机组出力上升到300MW时间段内的累计发电量为准，计算这段时间内，采用新方法暖机的天然气消耗能够减小的量计算公式为

总体经济效益=天然气单价×［原始暖机耗气-新暖机耗气-（原始暖机电量-新暖机电量）／30×300MW时单位小时耗气］

新、旧冷态暖机方式下的相关参数见表2。