某M701DA型燃气-蒸汽联合循环机组IGV开度优化调整

王才文

(江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213011)

某M701DA型燃气-蒸汽联合循环机组IGV开度优化调整

王才文

(江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213011)

针对某M701DA型燃气-蒸汽联合循环机组在部分负荷段燃气轮机透平排气温度偏离温控基准值过大，引起排气温度严重偏离余热锅炉最佳设计温度工作点，进而影响整个机组联合循环的热效率，通过对压气机进口导叶(IGV)控制逻辑的分析，提出了IGV优化调整措施，提高了燃气轮机的排气温度，最终达到降低燃气轮机发电气耗的目的。

压气机；IGV；优化调整；发电气耗

0 引言

通常都希望燃气-蒸汽联合循环机组在设计工况下运行，以使机组获得较高的热效率，但实际上由于电网负载随着外界需求的变化而变化，或燃气轮机受制于天然气量的原因等，机组不可能长期保持在基本负荷下运行。为了提高机组部分负荷工况下的联合循环热效率，随着负荷的降低应逐渐关小压气机进口导叶(IGV)，减少进入压气机的空气流量，尽量保持透平的燃气初温恒定不变或减少下降幅度，同时使燃气轮机排气温度(EXH)接近余热锅炉最佳设计温度工作点。

1 M701DA型燃气轮机IGV控制系统

1.1IGV控制系统的工作概述

M701DA型燃气轮机IGV的最小开度为37°，最大开度为0°。轴流压气机在低转速工况下稳定运行工作范围很窄，安全裕量较小，易发生喘振，造成压气机出口压力产生很大的波动。因此燃气轮机启动命令发出后，IGV即打开至中间开度22°，保证有足够的空气流量；当燃气轮机转速≥2 730r/min时，压气机进气量增大，IGV再关小至最小开度37°，同时关闭高、低压防喘阀，防止压气机喘振。燃气轮机并网带负荷后，IGV保持关闭，以维持较高的燃气轮机EXH。机组在ISO(环境温度15 ℃、大气压力101.35kPa、大气相对湿度60%)工况条件下运行时，当燃气轮机负荷上升至≥77.5MW时，IGV逐渐开启；燃气轮机负荷至124.5MW时，IGV开度至最大0°。之后，即使燃气轮机负荷增加，IGV开度保持不变。同样当燃气轮机负荷降至124.5MW以下时，IGV逐渐关小，负荷继续降低至77.5MW时，IGV关小至37°，直至燃气轮机转速至0。M701DA燃气轮机IGV典型控制时序如图1所示[1]。

图1 典型的IGV 控制时序

1.2 燃气轮机负荷调节时的IGV控制

M701DA型燃气轮机的燃烧器为逆流、环管形、带旁路阀的预混干式低NOx燃烧室，燃烧室中装有预混燃料喷嘴和稳燃燃料喷嘴，前者可改善燃料和空气的混合均匀度，保持较低火焰温度，有利于减少NOx的生成；后者可在低燃料量时保持火焰稳定。旁路阀调节燃烧室空气量和燃烧室压力波动，控制燃烧区内的燃料/空气比。IGV开度发生变化时，不但会直接影响到压气机排气压力、燃气轮机的EXH，还会影响燃烧室的压力波动和烟气NOx的排放。IGV的开度控制由2部分组成，第一部分由燃气轮机负荷和压气机进气温度组成，作为IGV控制的前馈控制，其燃气轮机负荷与IGV开度函数关系曲线如图2所示。压气机进气温度作为IGV开度的修正因数来降低因环境温度变化而引起的透平EXH的波动，IGV实际开度就需在燃机负荷与IGV开度函数关系的基准值上乘以修正因数，各温度点的具体修正因数如图3所示。

IGV第二部分控制由燃气轮机EXH来作为IGV控制的闭环反馈控制，输出为EXH的平均值与排气温度温控基准值(EXRFE)之差经比例-积分控制器(PI)控制后输出，EXRFE与压气机排气压力相对应，确保在一定的压气机排气压力下，维持透平EXH不超过EXRFE，来确保透平的进口温度不超温，压气机排气压力与燃气轮机EXRFE曲线如图4所示。

表1 各环境温度下燃气轮机负荷点的EXH裕度

图2 燃气轮机负荷与IGV开度函数曲线

图3 压气机进气温度修正曲线

图4 压气机排气压力与EXRFE曲线

燃气轮机在启动阶段时，IGV的前馈控制起主要作用，因为一般燃气轮机EXH都会在温控基准线下方运行，EXH反馈控制的输出为0，这样可提高IGV响应速度和准确度。当燃气轮机负荷逐渐升至124.5 MW时，IGV全开；燃气轮机负荷若继续升高，则燃气轮机EXH升高；当燃气轮机EXH与排气基准温度差<3 ℃时，IGV反馈控制输出为1，燃气轮机由转速控制或负荷控制模式进入温控模式控制，此时根据燃气轮机的EXH来控制燃气轮机的负荷，同时燃气轮机负荷升速率也相应下降，从而确保燃气轮机的EXH不超相对应的EXRFE。

2 M701DA型燃气轮机IGV开度调整优化

2.1 IGV开度调整优化的背景

某M701DA机组的燃烧调整一般只在小修后才进行，而当地冬夏温差大，为避免因EXH裕度(燃气轮机透平EXH与排烟EXRFE的差值)过小，在燃气轮机启动时即进入温控模式，因此IGV在燃气轮机部分负荷运行时相对开度比其他同类型电厂的IGV开度大，引起透平EXH偏离EXRFE较远。各环境温度下燃气轮机负荷点的EXH裕度数据见表1。从表1中反映出燃气轮机的EXH裕度在23～77 ℃之间，远远大于同类型电厂的EXH裕度(15～20 ℃)。进入冬季后，天然气量供应相对不足，供热机组又要维持连续运行，燃气轮机只能长期维持在较低负荷运行，一般只能维持在70%负荷运行，IGV开度百分比约为30%左右，EXH在505 ℃左右，减去余热锅炉的热端温差(余热锅炉进口温度与高压过热器出口温度之差)25～30 ℃，高压主蒸汽温度只能维持在480 ℃左右，与高压主蒸汽额定汽温517 ℃相差37 ℃，严重偏离余热锅炉最佳设计工况点，从而影响汽轮机的出力，降低整个机组的联合循环热效率。

2.2 IGV开度优化调整的理论依据

燃气联合循环机组的热效率由燃气轮机热效率与联合循环部分的热效率决定，而燃气轮机的热效率主要与压比、温比有直接关系。

压比是压气机排气压力与进口的气体压力之比，它代表工质被压缩的程度，用Kp表示，则

式中：p1为压气机进气道后、进口可转导叶前的滞止压力；p2为压气机出口处的滞止压力。

温比是透平进口处的温度与压气机进口处的温度之比，用KT表示，则

式中：T1为压气机进口处的滞止温度；T2为透平进口处的滞止温度，即燃气初温。

某M701DA机组为双轴机组，在一定的燃气轮机负荷点，若关小IGV开度，则压气机进气量减少，压比降低，温比上升，可能压比降低比温比上升对燃气轮机影响的热效率要大，因此燃气轮机的负荷会有所下降；若保持燃气轮机的负荷不变，需要增加燃料量来维持燃气轮机的负荷，透平的排气量变化不大，但EXH会随着温比及燃料量的增加大幅上升，相对应的燃气轮机EXRFE也会随着压气机排气压力下降而提高，余热锅炉的高压主蒸汽温度、压力上升，汽轮机发电机的负荷上升，因此一般汽轮机负荷增加量会大于燃气轮机降低的负荷，使整个联合循环的热效率提高。

2.3 IGV开度优化调整的风险

(1)燃烧温度上升可能将导致NOx排放的上升，IGV开度调整后需重新对燃烧器的NOx排放进行燃烧调整。

(2)压气机喘振安全裕度变小，压气机可能会产生喘振。

(3)燃烧裕度变小，出现燃烧压力波动的几率上升，影响燃气轮机的安全运行。

(4)透平末级叶片温度升高，影响运行环境。

(5)IGV开度调整过小可能会使燃气轮机下降负荷大于汽轮机上升的负荷，整个联合循环的热效率下降。

2.4 IGV开度调整优化

根据某M701DA型机组投产以来相关运行数据，结合当地的全年天气温度数据，在确保燃气轮机燃烧压力波动稳定、NOx排放质量浓度≤50 μg/m3、不提前进入温控模式的情况下，EXH裕度控制在20～30 ℃之间，选取了具有代表性的燃气轮机负荷点90.0，100.0，110.0，120.0 MW进行燃烧调整，优化调整后的IGV开度与燃气轮机负荷曲线如图5所示。

图5 IGV开度优化调整后与燃气轮机负荷的函数曲线

3 IGV开度优化调整前、后性能比较

对IGV调整前、后的相关性能数据进行对照、比较，因调整前、后的环境温度及湿度、压气机的叶片污脏程度及精粗滤压差基本一致，因此每一负荷点在调整前、后的运行工况基本一致，参数性能具有可比性。表2为IGV开度优化调整前、后主要参数与性能数据。从数据中可以看出IGV开度关小后，EXH平均上升了14 ℃，特别是在低负荷90.0 MW时，虽然燃气流量比优化前增加了222 m3/h,但汽机负荷提高了2.4 MW，瞬时发电气耗下降了0.002 5 m3/(kW·h)；燃气轮机负荷在100.0，110.0，120.0 MW点瞬时发电气耗分别下降了0.001 8，0.000 9，0.000 8 m3/(kW·h)。NOx质量浓度总量虽然比调整前有所降低，但仍未达到燃气轮机设计排放要求(燃气轮机负荷110.0 MW以上NOx排放质量浓度<50 mg/m3)。另外，燃烧调整时环境温度只有15 ℃，为保证燃气轮机在夏天运行时不提前进入温控模式，影响燃气轮机的基本出力，因此在110.0，120.0 MW负荷段未进一步提高EXH是影响二者负荷点发电气耗下降不大的因素。

为充分验证IGV开度优化调整后的性能效果，在分散控制系统(DCS)的历史曲线中，针对性选取了IGV开度优化前、后燃气轮机在不同负荷时段、同工况下的发电气耗值，比较结果见表3。表3数据说明，发电气耗下降值基本与瞬时发电气耗下降值相近, 充分肯定这次IGV调整优化效果较好。

表2 IGV开度优化调整前、后主要参数及性能数据

表3 IGV调整前、后部分时段发电气耗的比较

4 结束语

通过对某M701DA燃气轮机IGV开度优化调整，在保证机组出力的前提下，提高燃气轮机部分负荷段的EXH，既能降低机组的发电气耗，又能适当降低燃气轮机NOx的排放，具有一定的安全性和合理性。IGV开度优化调整后，燃气轮机负荷越低则EXH相比调整前提高越大，机组发电气耗下降值越大。在冬季时，若每天发电量按3 500 MW·h、发电气耗平均下降0.001 6 m3/(kW·h)计算，则每天可节约天然气5 600 m3，相当于多发电25 MW·h，按电价0.7 元/(kW·h)计算，每天多产生效益1.75万元，经济效益相当可观。

[1]中国华电集团公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术 综合分册[M].北京：中国电力出版社，2009.

(本文责编：刘炳锋)

2017-04-27；

2017-07-04

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1674-1951(2017)08-0044-04

王才文(1968—)，男，江苏常州人，助理工程师，戚墅堰发电有限公司从事运行技术工作(E-mail:chd3207@139.com)。