燃气-蒸汽联合循环发电机组设备工况变化对机组启动的影响分析

2021-12-13李易凡王应虎

燃气轮机技术 2021年4期

李易凡，王应虎

(宝山钢铁股份有限公司，上海 201900)

1 机组概况

燃气-蒸汽联合循环发电机组，英文简称CCPP(Combined Cycle Power Plant)，如图1所示。在机组启动前期使用轻油作为主燃料，启动后期以及正常运行时使用高炉煤气BFG作为主燃料。该发电机组主要将高炉煤气经过高低压煤气压缩机加压之后进入燃烧室与经过压气机压缩之后的空气混合燃烧做功产生高温高压的气体，推动燃气轮机透平旋转。其燃烧过程产生的废烟气温度极高，可达到450～550 ℃，为了提高发电效率，将这部分热废烟气通过余热锅炉能量转换产生高中低压的热蒸汽，驱动蒸汽轮机做功。以上提到的燃气轮机、煤气压缩机和压气机在同一轴上运转，转速3 611 r/min。蒸汽轮机、发电机和励磁机在同一轴上运转，转速3 000 r/min。两根轴之间通过变速齿轮箱连接。

2 机组启动

机组启动之前主要通过外厂的再热蒸汽作为机组启动蒸汽，用来暖管暖机及前期带动蒸汽轮机的负荷出力。启动前期通过启动蒸汽带动蒸汽轮机，同时带动机组整条轴系的转动设备转动,以一定的升速率升速冲转，升速至燃气轮机转速1 080 r/min，压气机入口可调导叶VIGV从初始位置全开，燃气轮机进入15 min吹扫，结束之后燃气轮机转速下降至800 r/min后重新升速达到1 100 r/min，在此时轻油流量调节门达到点火初始开度，投入轻油进行点火燃烧，火检器检测有火后机组进入升速控制。此后燃气轮机以一定升速率上升到3 611 r/min,机组并网。之后煤气旁路门以一定速率缓慢关闭(冷态100 min，温态60 min，热态40 min)，煤气旁路门关闭之前机组主要由轻油燃烧带动燃气轮机做功以及启动蒸汽带动蒸汽轮机做功，余热锅炉系统和煤气系统都未投入做功。

等到煤气旁路门关闭，煤气压缩机出口压力大于压气机出口压力0.2 MPa(保证煤气正常压入燃烧室燃烧)。机组负荷大于12 MW之后，燃料切换正式开始。燃烧室前煤气快关阀打开，高低压防喘阀逐渐关小，低压煤气压缩机入口导叶开启，煤气逐渐通过煤气调节阀流入燃烧室燃烧，煤气流量逐渐上升，轻油流量逐渐减小，高低压煤气压缩机防喘振调节阀逐渐关小，进入燃烧室的煤气压力增大。轻油流量逐渐减小到2 kg/s后等待3 min，燃料切换结束，蒸汽切换正式开始。蒸汽轮机高压调门慢慢关小，余热锅炉至蒸汽轮机的截止阀打开，启动蒸汽截止阀关闭，高压蒸汽切换结束，蒸汽轮机开始接受余热锅炉蒸汽做功。之后蒸汽轮机高压调门以一定速率缓慢开启，开至33 %，中压调门开始关小，等到蒸汽轮机内部中压缸压力与余热锅炉中压蒸汽压力一致时，开启中压主汽门，余热锅炉中压蒸汽开始做功。除氧器(低压汽包)压力小于40 kPa，低压主汽门开启，低压调门开启，余热锅炉低压蒸汽开始做功。至此蒸汽切换完成，机组启动结束，可以慢慢提升负荷运行。

CCPP各阶段转速设定曲线、负荷设定曲线如图2、图3所示。

图2 CCPP各阶段转速设定曲线

图3 CCCP负荷设定值控制曲线

3 问题分析

该发电机组自运行到现在已有20多年，最近6年经历了高低压煤气压缩机更换、余热锅炉受热面改造等多次大型设备更换改造，机组正常运行工况与之前相比发生了很大变化，导致最近几年机组启动程序已经不能适应现有的机组工况，机组启动频繁失败脱扣。分析后有以下几个方面原因。

3.1 煤气压缩机防喘振控制

高低压煤气压缩机防喘振系统更换，防喘振控制参数改变，导致高低压防喘振阀门关闭速率过快，不符合实际机组启动工况要求。

如图1所示，高低压煤气压缩机同处于一根轴系，相互之间也通过煤气管道相连接。煤气经高压防喘阀回流至高低压煤气压缩机中间，影响高压煤气压缩机进口压力流量和低压煤气压缩机出口压力；煤气经低压防喘阀回流至低压煤气压缩机进口，影响低压煤气压缩机进口压力流量。所以他们各自的压力流量对彼此之间的影响关系非常密切，一旦防喘阀关闭速率过快或启动工况突变，煤气压缩机压力流量参数容易发生突变，触发防喘振控制系统的参数变化速率保护。根据防喘振控制原理，如图4所示，喘振线左上方为喘振危险区，喘振线右下方为安全区。为防止煤气压缩机参数向喘振线靠近触发煤气压缩机喘振从而损坏煤气压缩机，在喘振线右下方不远处设置一条设定值响应线。在工作点向响应线上方移动时能打开防喘阀增加通过煤气压缩机的煤气流量，使工作点重新回归响应线右下的安全区域。工作点实际值与响应线设定值之间偏差(一般选用流量作为工作点和响应线的主变量，压力和温度作为随动参数修正两者，也可选用出口压力作为主变量)通过PID运算控制防喘阀。

图4 防喘振控制设定曲线

实际工作点与响应线之间偏差如式(1)所示：

(1)

式中:K1、K2、K3、C1、C2、C3为常数；ΔP为煤气压缩机进口差压，kPa；Pin为煤气压缩机进口压力，kPa；Pout为煤气压缩机出口压力，kPa；Δ为实际工作点与响应线之间偏差的线性化表现，%。

防喘振控制器输出上对工作点与响应线之间偏差变化速率也做了相应保护，若速率过快防喘阀将会快开，该保护直接作用于阀门指令，不受正常PID控制，避免因阻力快速增加得情况下的喘振。

如表1所示，低压煤气压缩机出口压力及流量急剧下降，进口压力急剧上升，流量变化比压力变化更加剧烈，导致工作点瞬时快速向响应线上方不安全区域移动，触发防喘阀变化速率快开保护，低压防喘阀全开，已被煤气压缩机慢慢加压得出口的高压煤气回流至压缩机进口，导致外界供给得低压煤气无法进入燃气轮机从而触发机组保护动作脱扣。

表1 脱扣时高低压煤气压缩机压力流量阀门开度变化表

3.2 余热锅炉热效率

余热锅炉改造后，余热锅炉热效率较改造前有了大幅度提升，这导致在蒸汽切换开始时，余热锅炉所产生得高压蒸汽的能量比改造之前大。如图5、图6、图7所示，机组负荷按照图3负荷设定斜率上升，当进行到蒸汽切换开始时，余热锅炉能量转换到蒸汽轮机处做功，随着高压调门缓慢开大，蒸汽轮机做功增加，总负荷增加，蒸汽轮机做功速率超过总负荷设定速率，为了平衡总负荷，减小煤气压缩机入口导叶开度，从而减小煤气量使燃气轮机做功减小。

图5 启动失败过程中汽轮机高压调门、煤气压缩机入口导叶以及负荷关系曲线

图6 CCPP机组启动过程脱扣曲线1

图7 CCPP机组启动过程脱扣曲线2

综合以上两点，为了平衡总负荷使之维持负荷设定升速率，燃气轮机侧的负荷相应减少，导致进入高低压煤气压缩机的流量减少，煤气压缩机工作点不稳定，且向不安全区域快速移动，触发了防喘振控制系统的参数变化速率保护，最终导致了机组脱扣。

4 解决方案

为了避免蒸汽切换后煤气压缩机工作点变化速率过快，导致自动打开速率过快，将高低压防喘阀的关闭下限分别设为65%和50%，在蒸汽切换时维持此开度不变，减少煤气量波动，之后监视防喘阀开度和机组负荷指令和实际负荷等关键工况参数，手动操作防喘阀指令，逐步手动关小高低压防喘阀开度，直到启动结束。

如图2所示，考虑到燃料切换后需等待3 min再进行蒸汽切换，在此等待过程中，煤气流量依然不断增加，燃气轮机负荷出力不断增加，等到蒸汽切换后为了平衡多余的蒸汽轮机负荷出力，低压煤气压缩机入口导叶和BFG调门开度大幅减少，煤气流量将大幅减少(如图6、图7所示)，引起煤气压缩机工作点快速移动触发煤气压缩机防喘速率保护。所以在启动歩序STEP29轻油量下降，减到最小流量2 kg/s时不再等待3 min，立即开始高压蒸汽切换，通过提前增加蒸汽轮机负荷出力，保持燃气轮机侧负荷出力不增加，即低压煤气压缩机入口导叶IGV不再大幅上升，尽量避免蒸汽切换后低负荷阶段低压煤气压缩机入口导叶IGV的大幅波动导致煤气量减少的波动。

考虑到高压蒸汽对蒸汽轮机负荷出力影响巨大，后期高压调门速率过快，为了平衡过多的蒸汽轮机负荷出力，低压煤气压缩机入口导叶IGV关小，煤气流量将大幅减少引起煤气压缩机工作点快速移动触发煤气压缩机防喘速率保护，如图5曲线最后所示。所以在中压蒸汽切换开始后，限制高压调门开度在33%不增加，根据机组负荷、煤气压缩机防喘裕度情况，逐渐放开高压调门开度限制，避免高压蒸汽出力增加过快导致煤气流量下降过快，低压煤气压缩机进口导叶IGV关小从而影响煤气压缩机工作点快速变化。