聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷運(yùn)行模式探討與分析

蘇燁，樊印龍，尹峰，張彩

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

發(fā)電技術(shù)

聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷運(yùn)行模式探討與分析

蘇燁，樊印龍，尹峰，張彩

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

介紹了某發(fā)電廠的西門子V94.3A多軸聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組在低負(fù)荷階段運(yùn)行的特點(diǎn)，根據(jù)過夜負(fù)荷為140 MW的低負(fù)荷要求以及此負(fù)荷下的機(jī)組特點(diǎn)，對(duì)原有的機(jī)組運(yùn)行方式和協(xié)調(diào)邏輯以及協(xié)調(diào)控制方式下機(jī)組的負(fù)荷分配方式進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，通過旁路和汽機(jī)的配合，解決了燃機(jī)穩(wěn)定性和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的問題。

燃?xì)廨啓C(jī)；低負(fù)荷運(yùn)行模式；負(fù)荷分配；運(yùn)行方式；協(xié)調(diào)控制

0 引言

某發(fā)電廠機(jī)組為400 MW級(jí)聯(lián)合循環(huán)多軸發(fā)電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)是由德國Siemens公司生產(chǎn)的SGT5-4000F，ISO工況出力為285.87 MW，發(fā)電機(jī)為SGen-1000A；余熱鍋爐采用杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的NG-54000F-R型三壓有再熱無補(bǔ)燃臥式余熱鍋爐；汽輪機(jī)為上海電氣集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的N141-563/551型超高壓、雙缸、再熱、凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組采用分軸布置，燃機(jī)和汽輪機(jī)有各自配套的發(fā)電機(jī)。DCS（分散控制系統(tǒng)）和TCS（燃機(jī)控制系統(tǒng)）均采用西門子公司的SPPA T 3000一體化系統(tǒng)。

機(jī)組有單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)2種運(yùn)行方式，在單循環(huán)模式下，燃機(jī)可以獨(dú)立帶滿負(fù)荷運(yùn)行。根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度要求，該機(jī)組不采用日開夜停方式，晚上最低負(fù)荷為140 MW，且保持定負(fù)荷運(yùn)行。與日開夜停聯(lián)合循環(huán)機(jī)組不同，該機(jī)組此低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)在需要考慮機(jī)組穩(wěn)定性的同時(shí)，還需要考慮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性要求，必須在保證機(jī)組穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 機(jī)組原運(yùn)行方式

與日開夜停聯(lián)合循環(huán)機(jī)組不同，該機(jī)組因電網(wǎng)的要求而保持夜間運(yùn)行，且保持140 MW的最低負(fù)荷。此負(fù)荷下，燃機(jī)和汽機(jī)負(fù)荷均較低，但燃機(jī)和汽機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)有所不同。根據(jù)機(jī)組原有的運(yùn)行方式，在140 MW時(shí)，其運(yùn)行控制方式有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）協(xié)調(diào)撤出，燃機(jī)負(fù)荷和汽機(jī)負(fù)荷單獨(dú)設(shè)定，燃機(jī)負(fù)荷在TCS畫面操作設(shè)定，汽機(jī)負(fù)荷在DEH（數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）畫面操作設(shè)定。

（2）在此負(fù)荷時(shí)運(yùn)行人員一般設(shè)定燃機(jī)負(fù)荷為100 MW。

（3）汽機(jī)3個(gè)調(diào)門開度較小，負(fù)荷為40 MW。

（4）由于燃機(jī)負(fù)荷較高、汽機(jī)負(fù)荷較低，汽機(jī)調(diào)門開度較小，因此汽機(jī)旁路系統(tǒng)投入，且開度較大。

（5）運(yùn)行操作和監(jiān)盤工作量大。

（6）機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和效率較低。

在此負(fù)荷段，機(jī)組負(fù)荷、汽機(jī)旁路開度、汽機(jī)調(diào)門開度如表1所示，從表1可以看出，機(jī)組在此負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，高壓旁路和中壓旁路開度較大，從機(jī)組以往的運(yùn)行情況看，每天這樣的負(fù)荷工況長達(dá)7 h，大量蒸汽通過旁路排入凝汽器，造成了極大的浪費(fèi)。

2 機(jī)組在低負(fù)荷下的運(yùn)行特點(diǎn)

當(dāng)機(jī)組在聯(lián)合循環(huán)方式下運(yùn)行時(shí)，如果過夜總負(fù)荷較低，機(jī)組將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）燃機(jī)燃燒不是很穩(wěn)定，排煙溫度變化比較大，不同負(fù)荷段的燃機(jī)排煙溫度如圖1所示。燃機(jī)在80～105 MW負(fù)荷區(qū)間時(shí)，排煙溫度變化比較大，部分排氣熱電偶會(huì)有突變反應(yīng)，特別是當(dāng)燃機(jī)負(fù)荷從89 MW變到100 MW時(shí)，某排氣熱電偶的溫度變化近60℃，西門子技術(shù)人員認(rèn)為此區(qū)域燃燒不太穩(wěn)定，因此，在該負(fù)荷段升降負(fù)荷時(shí)，需要控制燃機(jī)負(fù)荷的升降速度。

圖1 排煙溫度與燃機(jī)負(fù)荷變化曲線

（2）汽機(jī)負(fù)荷較低，汽機(jī)調(diào)門開度較小。

（3）需要開啟旁路配合運(yùn)行，大量蒸汽排入凝汽器，造成機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不高。

在考慮機(jī)組安全穩(wěn)定性的同時(shí)，又要考慮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，因此要對(duì)機(jī)組的運(yùn)行方式、燃機(jī)和汽機(jī)的負(fù)荷分配進(jìn)行重新考慮和優(yōu)化。

3 協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下的負(fù)荷分配

在原有邏輯設(shè)計(jì)中，非CCS（協(xié)調(diào)控制）模式時(shí)燃機(jī)負(fù)荷在TCS燃機(jī)畫面進(jìn)行操作，通過TCS操作面板給出負(fù)荷指令，變負(fù)荷速率固化在燃機(jī)邏輯中，為13 MW/min，變負(fù)荷速率不可更改。汽機(jī)負(fù)荷指令在DEH汽機(jī)畫面單獨(dú)操作，通過DEH操作面板給出汽機(jī)負(fù)荷指令，汽機(jī)變負(fù)荷速率可以在DEH操作畫面手動(dòng)設(shè)定和改變。但是當(dāng)CCS投入時(shí)，在DCS負(fù)荷控制畫面進(jìn)行負(fù)荷設(shè)定和AGC（自動(dòng)負(fù)荷控制）的投撤，從DCS負(fù)荷控制畫面給定的是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的總負(fù)荷指令。在原來的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，負(fù)荷指令SAMA圖如圖2所示，DCS負(fù)荷控制模塊給定總負(fù)荷指令后，此負(fù)荷指令通過速率限制，再經(jīng)過40 s的慣性，最后由通過限速形成的負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果加上限速后的負(fù)荷指令乘以0.7的系數(shù)作為燃機(jī)的負(fù)荷指令。汽機(jī)負(fù)荷指令生成分2種情況：為當(dāng)汽機(jī)滑壓未投入時(shí)，以燃機(jī)負(fù)荷乘以0.5的系數(shù)，再減去5 MW作為汽機(jī)負(fù)荷指令；如果協(xié)調(diào)方式下汽機(jī)滑壓投入，則以汽機(jī)實(shí)際負(fù)荷再每個(gè)掃描周期疊加1 MW作為汽機(jī)負(fù)荷指令，一直到負(fù)荷高限限制為止。汽機(jī)負(fù)荷指令邏輯框圖如圖3所示。

圖3 汽機(jī)負(fù)荷指令邏輯框圖

4 協(xié)調(diào)邏輯和參數(shù)優(yōu)化

在采用原CCS控制方式時(shí)，運(yùn)行人員反應(yīng)變負(fù)荷速度較慢，西門子公司的技術(shù)人員也反應(yīng)DCS送燃機(jī)負(fù)荷指令信號(hào)有跳變現(xiàn)象，且波動(dòng)較頻繁。對(duì)CCS邏輯和參數(shù)進(jìn)行檢查后，發(fā)現(xiàn)以下問題：

表1 原低負(fù)荷運(yùn)行方式下的各項(xiàng)參數(shù)

（1）DCS中，送燃機(jī)的負(fù)荷指令回路設(shè)計(jì)了PID環(huán)節(jié)，送燃機(jī)指令=總負(fù)荷指令×0.7+PID輸出，PID的輸出根據(jù)負(fù)荷指令和實(shí)際負(fù)荷的偏差計(jì)算得出，PID的參數(shù)為比例1、積分30、微分1。由于有微分環(huán)節(jié)，因此當(dāng)有負(fù)荷偏差時(shí)，PID輸出會(huì)有較大幅度的變化，造成送燃機(jī)的負(fù)荷指令波動(dòng)頻繁。在原邏輯設(shè)計(jì)PID的SAMA圖中發(fā)現(xiàn)送燃機(jī)負(fù)荷指令之前還有1個(gè)PID，通過計(jì)算再送燃機(jī)指令，燃機(jī)側(cè)收到負(fù)荷指令后再進(jìn)行PID閉環(huán)控制，因此送燃機(jī)負(fù)荷指令前的PID是多余環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)造成計(jì)算輸出的指令偏慢且波動(dòng)頻繁，當(dāng)指令大于機(jī)組實(shí)際所能帶的功率時(shí)，PID計(jì)算會(huì)產(chǎn)生積分飽和，如果此時(shí)減負(fù)荷，則需從飽和值開始往下計(jì)算，速度較慢。

由于燃機(jī)側(cè)TCS中有閉環(huán)控制，DCS只需要送出負(fù)荷指令即可，因此取消了該P(yáng)ID環(huán)節(jié)，將燃機(jī)負(fù)荷指令修改為限速后的負(fù)荷總指令減汽機(jī)實(shí)際負(fù)荷。

（2）檢查CCS回路發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷指令經(jīng)過操作面板的速率限制后，又經(jīng)過1個(gè)慣性環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)的輸出送入燃機(jī)，且慣性時(shí)間為40 s，造成送燃機(jī)的負(fù)荷指令偏慢，因此取消該慣性環(huán)節(jié)。

（3）汽機(jī)負(fù)荷指令是固定的計(jì)算模式，在低負(fù)荷段時(shí)汽機(jī)旁路開度較大，經(jīng)濟(jì)性不高。因此在低負(fù)荷段汽機(jī)滑壓未投入前可采取可修改的負(fù)荷分配方式，由運(yùn)行人員在畫面操作，修改汽機(jī)和燃機(jī)的負(fù)荷配比，配比范圍為0.4～0.8，如協(xié)調(diào)投入時(shí)負(fù)荷設(shè)定為140 MW，如果想實(shí)現(xiàn)燃機(jī)100 MW、汽機(jī)40 MW的負(fù)荷分配，則配比系數(shù)為0.4，如果要實(shí)現(xiàn)燃機(jī)90 MW、汽機(jī)50 MW，則修改配比系數(shù)為0.556。當(dāng)滑壓投入或非CCS模式時(shí)，此回路不起作用，負(fù)荷分配系數(shù)保持0.7。

圖2 CCS負(fù)荷控制SAMA圖

5 運(yùn)行方式優(yōu)化

通過對(duì)CCS中燃機(jī)和汽機(jī)負(fù)荷指令回路邏輯和參數(shù)的優(yōu)化，機(jī)組的各方面性能得到顯著提高。

（1）實(shí)現(xiàn)了機(jī)組從比較低的過夜負(fù)荷到滿負(fù)荷的全程協(xié)調(diào)，原機(jī)組帶140 MW過夜負(fù)荷時(shí)，協(xié)調(diào)控制必須撤出，現(xiàn)可以通過修改負(fù)荷配比系數(shù)來修改燃機(jī)和汽機(jī)的負(fù)荷，運(yùn)行操作較少，對(duì)燃機(jī)和汽機(jī)負(fù)荷的可控性更高。

（2）通過多次試驗(yàn)，總負(fù)荷160 MW以上時(shí)汽機(jī)滑壓可以投入，使汽機(jī)調(diào)門盡量開大、盡早全開。通過試驗(yàn)，當(dāng)滑壓投入、總負(fù)荷為200 MW時(shí)，汽機(jī)高壓調(diào)門和中壓調(diào)門已能全開，而優(yōu)化前要到250 MW時(shí)調(diào)門才能全開，因此大大提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

（3）當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從160 MW降至140 MW的區(qū)間時(shí)，滑壓方式必須撤出，如果不撤出，汽機(jī)調(diào)門負(fù)荷控制和壓力控制回路會(huì)來回切換，導(dǎo)致汽機(jī)負(fù)荷波動(dòng)，繼而造成燃機(jī)負(fù)荷波動(dòng)，而此負(fù)荷點(diǎn)的燃機(jī)負(fù)荷波動(dòng)對(duì)燃機(jī)排煙溫度影響比較大，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定性不利。在此負(fù)荷工況點(diǎn)將汽機(jī)滑壓方式撤出后，由運(yùn)行人員手動(dòng)修改負(fù)荷分配系數(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷配比的重新分配，也可以控制燃機(jī)的負(fù)荷變化速度和范圍，實(shí)現(xiàn)140 MW時(shí)汽機(jī)旁路全關(guān)，燃機(jī)和汽機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，機(jī)組的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高。優(yōu)化后的低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

6 結(jié)語

根據(jù)某發(fā)電廠過夜負(fù)荷較低的情況，分析了此負(fù)荷段時(shí)燃機(jī)和汽機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的邏輯和控制策略進(jìn)行了完善和優(yōu)化，較好地解決了

表2 優(yōu)化后的低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)

機(jī)組低負(fù)荷時(shí)安全性和經(jīng)濟(jì)性不高的問題，運(yùn)行控制的靈活性和可操作性得到了顯著的提高，可供其他過夜負(fù)荷較低的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組參考。

[1]章素華．燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)[M]．北京：中國電力出版社，2012．

（本文編輯：龔皓）

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

SU Ye，F(xiàn)AN 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

蘇燁（1979-），男，湖南冷水江人，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠熱工自動(dòng)化研究工作。