燃气轮机电厂部分负荷性能优化与效果评估

卫 明，曾建军，崔 丰，计京津，孙 博

(1.上海电气燃气轮机有限公司，上海 200240；2.北京上庄燃气热电有限公司，北京 100094)

国内的燃气轮机联合循环机组主要作为调峰机组使用，大部分时间都运行在部分负荷工况，并且与燃煤机组相比，天然气的价格相对较高，燃气轮机电厂对降低气耗、提高效率的需求更为迫切。对于国内燃气轮机电厂来说，由于以上两方面因素，在部分负荷运行范围内提升机组效率就成为普遍迫切的需求。

提升燃气轮机电厂部分负荷工况的效率有许多种手段，本文主要以尽量提升燃气轮机部分负荷下透平前温、提升部分负荷下联合循环机组效率为指导思想[1]。针对AE系列燃气轮机及其联合循环机组，本文将从实现部分负荷性能优化及实际电厂工程应用为角度进行论述。为了形成能够实际应用在燃气轮机电厂的部分负荷性能优化智能产品，本文将此工程问题分解为如下几项具体技术问题：

1)以何种软硬件的形式，实现提升透平前温的燃气轮机闭环控制？

2)部分负荷性能的提升，对燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等主设备有何影响，安全运行如何保障？

3)实施过程中需要在电厂做哪些调试试验工作？

4)如何评估性能优化的效果？

本文接下来将针对上述问题逐一解答，旨在提供一套燃气轮机电厂部分负荷性能优化的技术方案。

1 部分负荷性能优化的实现方案

从热力学布雷顿-朗肯联合循环的角度来看，提升联合循环效率最直接的方法就是提升透平前温。对于西门子流派的发电用重型燃气轮机，在部分负荷工况运行时，常规的运行控制策略是使燃气轮机排烟温度与满负荷时保持一致。但由于部分负荷时燃气轮机的压比降低等原因，此时透平前温远低于可以达到的最高温度，这使得这一策略实际上并没有在燃气轮机部分负荷运行时充分利用透平叶片的承温能力。此时透平前温仍存在一定提升裕度。因此部分负荷工况下，可以提升透平前温，进而提升机组效率[1]。

对于AE系列燃气轮机，提高部分负荷下修正后透平排烟温度(Turbine Exhaust Temperature Corrected，TETC)设定参数，就可以提升部分负荷下的透平前温，达到效率提升的目的。

在燃气轮机侧，TETC的计算会受到机组运行边界工况(环境的温度、压力、湿度，进排气压损，燃料成分等)、负荷率、老化状态等因素的影响，透平气动特性及透平叶片温度也会受到影响。联合循环汽水侧，燃气轮机排烟温度受到锅炉入口处换热面材料和汽轮机叶片材料的限制，燃气轮机排烟温度、汽轮机主蒸汽和热再热蒸汽温度不能无限制地提高。在进行TETC控制策略优化设计的过程中需将上述燃气轮机侧和汽水侧影响因素考虑在内，并将影响TETC控制的环境温度、燃气轮机转速等关键参数放入TETC提升量计算的控制逻辑中，经过热力、二次空气系统、透平传热、透平气动、压气机气动、控制等多方面的分析迭代和评估后，给出TETC提升量的安全边界，形成能够有效提升联合循环效率并兼顾热部件寿命的技术方案。

由于TETC提升量需要考虑的因素较多，且其与环境温度和负荷强相关，因此为了减少对原有控制系统稳定运行的干扰，从保持控制逻辑相对独立的角度，设计如下TETC控制策略实现方案：将TETC提升量控制策略封装进单独的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)中，将此PLC安装到原有燃气轮机控制系统，PLC输入量为燃气轮机功率和压气机进口温度，输出为TETC提升量，输出量叠加到原控制系统TETC设定值，以此来对透平排烟温度进行控制。

该方案的实现需要在控制系统机柜内装设新的PLC控制器、通信模块、IO板卡等硬件设备。PLC的控制逻辑中引入了环境温度、燃气轮机负荷率等对透平排烟温度有影响的因素，能够在机组部分负荷时根据燃气轮机负荷率和环境工况自动计算TETC提升量，并将排烟温度的提升信号传递至原燃气轮机控制系统的TETC控制器，实现部分负荷排烟温度的灵活控制。PLC只会对原控制系统中的TETC设定信号产生影响，相关的修正计算均在PLC内部完成。

加装PLC主要有以下优点：

1)所有涉及部分负荷性能优化的控制逻辑均集成在PLC中，与原控制系统交互参数少，便于维护和调试；

2)PLC控制器独立于原控制系统，运行人员可通过集控画面操作，实现新增PLC优化模块的无扰投退，确保机组运行可靠可控。

2 方案安全性评估与试验

2.1 燃气轮机耐受评估

提高燃气轮机透平排烟温度，会造成燃气轮机和汽水侧运行状态与原机组不同，需要对燃气轮机、余热锅炉、汽轮机分别进行评估，并使三大主设备联动匹配，保障机组运行安全稳定，进而共同提升部分负荷下的性能，使联合循环机组达到更高的部分负荷性能水平。

对于燃气轮机，由于透平排烟温度的提升，透平前温会提升，压气机及透平气动性能随之发生改变，导致叶片的进出口压力发生改变，进而导致叶片冷却空气量可能会出现不足的情况。同时主流燃气热载荷增加，可能导致透平叶片金属温度或涂层温度过高，从而破坏叶片结构完整性，增加涂层剥落和出现裂纹等风险。因此对于部分负荷工况，需要开展如下燃气轮机评估校核工作，确定安全可行的TETC提升量边界：

1)根据热力性能计算，确定可行的TETC提升负荷和运行边界条件，并确定经济可行的TETC提升裕度；

2)确定燃气轮机内部系统参数，根据确定的负荷边界，计算出较为准确的燃气轮机部件级系统参数；

3)进行燃气轮机叶片耐受评估，根据部件级参数，分析各级动静叶片的运行状况，保证透平叶片在透平排烟温度优化后的耐受性和完整性；

4)进行排气扩散器与透平轴承座耐受评估，对排气扩散器和透平轴承座进行详细的评估，确保TETC提升后机组能够安全运行且满足密封要求。

2.2 汽水侧耐受评估

燃气轮机排烟温度的提升会增强余热锅炉换热，供给汽轮机更高品质的蒸汽。但余热锅炉入口处换热面材料和汽轮机叶片材料存在最高温度限制，因此燃气轮机排烟温度、主蒸汽和热再热蒸汽的温度不能无限制地提高。

对于AE系列燃气轮机的余热锅炉，燃气轮机排烟温度提升后，其不会超过夏季高温工况满负荷运行时的燃气轮机排烟温度，也就是余热锅炉仍能够正常运行。并且在机组部分负荷运行时，余热锅炉也存在提升排烟温度上限的空间。

汽轮机热部件校核的分析流程与燃气轮机相似，汽轮机叶片在部分负荷下也有温度上限的提升空间。针对汽轮机蒸汽温度限值的提升，汽轮机技术人员也进行了系统全面的分析，可以在保证汽轮机叶片的耐受性和完整性的前提下，提升汽轮机部分负荷下主汽温度和热再热蒸汽温度的上限值，提高蒸汽的做功品质，这对联合循环效率的提升有显著影响[2]。

2.3 控制逻辑仿真测试

由于TETC提升的控制策略牵涉的参数很多，且其需要直接作用于参与燃气轮机闭环控制的TETC控制器，那么就需要对优化后的控制策略和控制逻辑进行详尽评估，确保其安全稳定性。

上海电气自主开发的燃气轮机控制仿真平台的操作组态环境与真实电厂的控制系统完全一致，能够真实模拟现场控制系统的情况，可对控制逻辑的准确性进行功能验证和分析。将TETC提升优化的控制逻辑带入到燃气轮机控制仿真平台，能够模拟真实机组运行时控制系统的情况，排除潜在的控制逻辑故障和问题，同时进一步优化控制逻辑，保证最终控制逻辑的可靠性。

3 燃烧调整试验

由于透平排烟温度的提升会导致燃烧室燃空比的改变，由此可能会影响燃烧稳定性和NOx排放，而这些燃烧相关的问题无法通过模型计算或专家经验给出确切的结论，只能针对每台燃气轮机进行燃烧调整试验，从而评估排烟温度优化后燃气轮机在不同工况下的燃烧稳定性，同时调整NOx排放，满足环保要求。

在燃气轮机控制系统加装具有TETC提升功能的PLC后，需要根据不同的环境温度进行多次热态燃烧调试，主要包括冬季热态调试、春/秋季热态调试、夏季热态调试等，目的是覆盖部分负荷性能优化工作的不同环境温度。在每次调试中，从进口可调导叶(Inlet Guiding Vane，IGV)打开时对应的负荷一直测试到约90%负荷工况，确保在各种环境温度、不同负荷率下机组燃烧都稳定，且NOx排放达标。

每次热态调试时间需要大约7天，电厂需根据燃烧调整计划，事先与所对应的电网负荷调度申请调试期间所需负荷。在不同负荷段(40%、50%、60%、70%、80%、90%)进行排烟温度裕度测试，具体温度范围以设计温度和其他系统保护限值为准，每个负荷段测试依次在白天(最高环境温度)和晚上(最低环境温度)进行，各负荷段测试完成后进行40%～90%负荷段的变负荷测试。试验时将燃气轮机负荷调整至目标功率，对比新增PLC模块计算得到的TETC设定值温度与预期值，同时观察余热锅炉、汽轮机等的工作情况，必要时进行额外调整。

对于NOx排放已经接近限值或需要更优排放指标的电厂，在实施部分负荷性能优化项目前，还需根据电厂当前排放情况和后续需要，对机组进行额外的燃烧调整，甚至进行燃烧器升级优化，使得NOx排放量降低，这样才能使部分负荷性能优化的效果不至于受到NOx排放的限制。

4 全厂在线性能评价系统

4.1 性能评价系统的优势

对于燃气轮机电厂而言，燃气轮机和联合循环的性能在设计之初已经达到了非常高的水平，进一步提升联合循环性能的潜力并不大。对于几百万元的中小规模优化改造项目，如果采用本文的部分负荷性能优化方案，燃气轮机电厂效率提升绝对量仅为0.2%～0.3%，如何评估这类项目的性能提升效果，就成为验收的难题。

一般而言，电厂方面首先想到的是对比性能试验评估优化效果。然而，ASME PTC22性能试验标准建议对比性能试验的不确定度需要小于性能收益的10%[3]，对于本文而言，修正后的效率不确定度要达到0.03%～0.05%。对于燃气轮机联合循环的性能对比试验，在不考虑使用超高精度仪表等手段的条件下，虽然系统误差接近于零，但修正后的出力和效率不确定度仍然有0.1%～0.2%，不满足试验要求，造成对比性能试验无法分辨中小型优化升级项目的性能提升效果。从技术角度，使用性能试验评估中小体量优化改造项目对电厂的性能提升，是不可行的。

从经济性角度，一次性能试验需要投入整个性能试验团队，工作时间前后至少一个月，并且直接耗资十几万至几十万元，成本占整个升级改造项目费用的20%以上。并且性能试验仅仅是一次性的性能评价，对电厂后续工作无法留下任何有价值的成果。从经济性角度，使用性能试验评估也得不偿失。

因此，针对中小型燃气轮机电厂的性能优化和升级改造，本文认为使用高精度的全厂性能评估系统来捕捉这类优化的效果，才是可行、有效的。全厂性能评估系统需要具有足够高的热力模型精度，能够对燃气轮机电厂进行全厂范围的热力仿真，且在变边界、变负荷的条件下，仍然能够准确地对全厂的性能变化进行仿真。

为了评估部分负荷性能的优化效果，本文建立了一套全厂在线性能评价系统，这套系统融合了电厂设备精细化机理模型与统计学模型，可根据不同的升级优化方案和机组情况进行配置，定制化建立联合循环热力性能模型，包括燃气轮机、汽轮机、余热锅炉、发电机等主设备部件级模型，以及性能相关的各大管道和辅机模型等。该系统能够在线监测上述主设备大部件的性能，并在线评估分析燃气轮机及联合循环整机的性能，根据全厂燃气轮机、汽水侧等几百个性能相关测点，对燃气轮机和汽轮机的性能进行在线修正，使热力模型能够准确匹配当前机组的运行性能。并且该系统能够根据电厂的不同需求，定制设计系统界面，可视化显示评估结果。

本套系统是针对全厂范围的部件级、高精度性能评价系统，能够实时分析性能数据并对在线数据进行修正，具有明晰直观等优势。

4.2 性能评价系统的应用方案

性能评价系统的核心是联合循环性能计算模型，本文所述性能计算模型经过了西门子、AE系列燃气轮机机群数据验证，能够在模型内加载燃气轮机设计特性，并经过燃气轮机、汽轮机、余热锅炉等技术方面的校核，具有很高的联合循环变工况性能计算评估精度，多年来在新机投标时得到使用。

为了让模型进一步匹配电厂运行性能，将燃气轮机电厂性能优化评价分为两个步骤。第一步为标定模型，以电厂现场性能相关测点运行数据为基准，使模型计算结果匹配当前机组性能。第二步为性能计算，改变某些变量以计算不同条件下的机组性能，例如在部分负荷性能优化中，以优化前后排烟温度为变量，输入热力模型得到性能的提升量。热力模型本身具有较高的精度，并以运行数据进行标定，这保证了其在进行变负荷、变工况的性能优化评价时具有较高的准确性和可靠性，能够有效评价电厂实际机组的运行性能和改造升级性能收益。

需要注意的是，对于不同电厂的热力机理模型，需要根据电厂的实际配置、测点可信度等因素调整热力模型。如某E级燃气轮机电厂，由于尚未安装色谱仪，仅使用固定的燃料成分进行燃料物性计算，且燃料流量计的数据显著异常，这造成了燃料流量的测点数据在性能计算时被舍弃，使得燃料成分波动对燃气轮机性能的影响以燃料流量的方式体现，燃气轮机热力模型的修正数据源也减少了。

本文所述的燃气轮机全厂性能评价系统一般以浏览器/服务器(Browser/Server，BS)架构部署在电厂侧，其从电厂安全仪表系统(Safety Interlocking System，SIS)的数据库实时提取所需性能相关测点运行数据，存入自带的开源数据库，热力模型按给定时间间隔自动获取数据进行性能评价计算，并将评价结果存入自身数据库，最终呈现在系统界面中。

5 部分负荷性能优化实施案例

本文提出的部分负荷性能优化及全厂在线性能评价系统已经在某电厂的AE94.2型燃气轮机联合循环机组中实施。

部分负荷性能优化的控制策略通过控制系统机柜内装设新的PLC控制器实现，图1为在此电厂已安装的PLC硬件。对于其他电厂，机柜的具体安装位置需要综合考虑控制机柜中当前空间和接线是否便利。

图1 某E级电厂安装的PLC硬件

某燃气轮机电厂汽水侧经评估优化后，透平排烟温度仍然处于余热锅炉的承温范围内。技术评估认为汽轮机方面可适当提高主蒸汽温度限值，从原有机组的520 ℃提升至530 ℃。

根据冬季、春季的不同条件，对此燃气轮机电厂透平排温进行了提升，覆盖了5～20 ℃的环境温度下50%～90%负荷工况，在调整过程中优化了燃气轮机排放和燃烧稳定性，最高TETC提升量可达到20 ℃，NOx排放仍然低于50 mg/m3。

此电厂机组实施了部分负荷性能优化后，将全厂在线性能评价系统部署在电厂数据中心，进行优化收益的评价。采用实时现场运行数据对热力模型进行校准，在模型边界条件相同的基础上，以优化前后排烟温度提升量为唯一输入变量，计算优化前后的机组性能差异，以此评估部分负荷性能优化的效果。

对于此电厂的性能评价和升级改造性能分析需求，定制化设计性能评价的展示界面，并形成如图2所示的软硬件结合的全厂性能评价系统产品包，部署在电厂就地侧，电厂工程师可登录电厂内网访问浏览。

图2 燃气轮机全厂在线性能评价系统主界面

在实施部分负荷性能优化方案后，随着环境温度和机组负荷变化，TETC提升量会同步智能调控，提升范围在0～20 ℃。在-10～15 ℃的环境工况条件、70%负荷率下，该优化方案能够使此联

图3 某E级电厂不同工况下效率提升量对比

在对电厂进行部分负荷性能优化升级前，需要对电厂的部分负荷性能、燃烧稳定性、NOx排放、汽水侧余热锅炉、汽轮机主汽温度限制等一系列状态进行评估，以得出部分负荷性能优化的预期效果。

6 结 论

本文利用部分负荷下透平叶片承温能力未能充分发挥的特性，通过优化排烟温度控制策略，实现燃气轮机及联合循环的部分负荷工况效率提升，使燃气轮机在部分负荷下能够根据不同的负荷和环境温度，智能提升TETC设定值。

本文通过燃气轮机的热力、传热、二次空气、燃烧等方面的分析评估，得出TETC的安全运行区间，并根据余热锅炉、汽轮机等方面的因素得出TETC提升的限制值，形成优化的TETC控制策略。在PLC中实现提升TETC的控制策略，在控制仿真平台中测试无误后，将该策略加装在电厂控制系统中，形成对燃气轮机TETC控制值的直接叠加，经过多次燃烧热态调试，确定最终的TETC提升量。

通过部署在电厂侧的燃气轮机全厂在线性能评价系统，进行部分负荷性能优化的性能提升效果评估。某AE94.2燃气轮机电厂实施了本文的优化方案，最高TETC提升量可达到20 ℃，NOx排放低于50 mg/m3，联合循环机组效率提升的绝对值在0.15%～0.26%。