燃氣—蒸汽聯合循環機組冷、溫態暖機優化

瞿虹劍，俞 衛，邵 良，王 鑫

（華能上海燃機發電有限責任公司，上海 200942）

華能上海石洞口燃機電廠安裝的3套燃氣-蒸汽聯合循環機組，由西門子公司和上海電氣集團聯合供貨，采用單軸“一拖一”布置形式（帶3S離合器）。西門子燃氣輪機型號為V94.3A型，輸出功率270MW。余熱鍋爐由上海電氣集團引進ALSTOM公司技術設計制造，為三壓再熱、臥式布置、無補燃、自然循環式。汽輪機由上海電氣集團引進西門子技術制造，額定功率135.8MW。機組DCS控制系統采用西門子公司的TELEPERM XP，燃機和汽輪機的控制和保護采用西門子SIMADYN-D和S-95保護裝置。

目前西門子所有燃氣-蒸汽聯合循環機組都采用汽機高壓缸啟動的中速暖機模式，其特點是汽機啟動過程中，燃機負荷、燃機排氣溫度、汽機主要蒸汽參數幾乎不變，都為高參數啟動，這種單一的汽機啟動模式結果造成汽機閥門截流嚴重和暖機時間過長等弊端，導致設備損耗大、冷態機組調峰性能差、暖機運行節能環保和經濟性不足等問題，一直以來都是困擾國內西門子9F型燃氣輪機聯合循環發電廠的難題。

華能上海燃機電廠分析原燃氣-蒸汽聯合循環機組的控制模式，根據燃機、汽機特性，詳細制定優化原則、試驗方案及試驗步驟，利用啟機機會實施汽機中速暖機試驗，摸索出了一套可行有效的汽機暖機新模式，實現了汽機暖機冷態、溫態、熱態三種狀態下的不同暖機方式的復合模式，并實現了全過程的變參數控制及全過程的程控自動，徹底消除了西門子關于汽機啟動技術的弊端。

汽機啟動暖機優化主要參照石洞口燃機電廠燃氣輪機、汽輪機《運行維護手冊》、《控制邏輯圖》；石洞口燃機電廠余熱鍋爐《運行維護手冊》、《控制邏輯圖》；石洞口燃機電廠DCS系統《控制邏輯圖》等標準、手冊等進行。

1 優化目標

（1）通過一系列的現場試驗、觀察和分析機組運行參數，確定合適的汽機冷態、溫態、熱態的暖機參數。并確定燃機、汽機、余熱鍋爐保護控制的可靠性。

（2）對原西門子聯合循環機組燃機與汽機控制回路進行功能分析、找出其控制特點和不足之處，進行控制邏輯修改和參數調整，并通過啟動試驗驗證，最終實現2.3套聯合循環機組的汽機冷態、溫態、熱態最佳啟動控制。

2 優化原則

從安全性、經濟性、調節品質考慮，對優化控制的實現設置以下原則：

（1）對燃機與汽機的保護回路及邏輯定值不做任何修改

（2）對燃機帶部分負荷和基本負荷控制邏輯不做任何修改

（3）對影響燃機燃燒穩定性的控制邏輯不做任何修改

（4）對汽機暖管和沖轉條件的X、Z準則邏輯和參數不做任何修改

（5）對汽機各個狀態下的啟動蒸汽溫度參數不做修改

（6）對影響汽機升速和暖機穩定性的邏輯和參數不作修改

（7）汽機冷態、溫態、熱態暖機疏水控制實施變參數控制

（8）汽機冷態、溫態、熱態暖機負荷實施三段式復合控制

（9）汽機冷態、溫態、熱態暖機各蒸汽參數控制實現無擾動切換

（10）汽機冷態、溫態、熱態暖機的主要蒸汽參數實施變參數控制

（11）汽機暖機各個階段的各調節器參數實現變參數控制

（12）整個汽機中速暖機至并網優化實現全自動程控控制

（13）運行操作畫面不做任何修改，不增加任何手動操作點

3 優化步驟

依照優化原則，保證優化過程的安全性和正確性，科學實施以下步驟，實現汽機暖機各個階段的優化控制。

（1）對原聯合循環機組燃機負荷、OTC、IGV、冷卻風、喘振等各個控制回路進行功能分析、邏輯分析，確認其匹配于汽機暖機各個階段的控制原理，以及其原控制方式的設計依據。

（2）對原聯合循環機組汽機暖機負荷、蒸汽壓力、蒸汽溫度、高壓缸排汽壓力、高壓葉片壓力、高壓缸排氣溫度、高壓缸壓力比控制回路進行功能分析、邏輯分析，確認其聯合循環的汽機冷態、溫態、熱態暖機各個階段（暖機前、中速暖機、中速暖機至全速、燃機與汽機偶合、聯合循環建立）的控制原理。

（3）汽機啟動暖機各個階段的應力裕量（MARGIN）分析和掌握。精確理解汽機熱應力控制邏輯，對汽機啟動暖機各個階段的應力裕量控制范圍定性分析，以確定汽機暖機和沖轉時燃機和汽機主要參數的控制范圍。

（4）分析和掌握原暖機控制方式的設計依據，找出控制點。通過一系列的現場試驗，觀察和分析機組運行參數，進一步確定汽機暖機特性。分析其原控制方式的設計依據，找出其控制方式的不足之處，在充分理解汽機運行規程的基礎上，找出原控制方式切換的關鍵控制點及控制參數，為最終實現控制方式的無擾動切換創造條件。

（5）在不改變聯合循環控制邏輯的基礎上，手動調整燃機對應于汽機暖機的主要控制參數（負荷、排氣溫度）后，實施冷態、溫態、熱態暖機試驗，分析暖機過程參數變化，確定燃機匹配參數。

（6）在不改變聯合循環控制邏輯的基礎上，手動調整汽機暖機的主要控制參數（蒸汽壓力、溫度、過熱度）后，實施冷態、溫態、熱態暖機試驗，分析暖機過程參數變化，確定汽機暖機時汽機旁路、汽機調門、汽機疏水的控制參數。

（7）修改聯合循環控制邏輯，去除原汽機暖機的單一模式，實施汽機暖機冷態、溫態、熱態3種狀態下的不同暖機方式的復合模式，并徹底修改聯合循環的燃機、汽機啟動程控邏輯，做到理論上各種方式的全過程自動無擾動切換。

（8）進行修改邏輯后的汽機暖機冷態、溫態、熱態試驗，在試驗中驗證三種控制方式的全過程自動無擾動切換，完善各個切換點的控制參數，反復試驗直至確認無誤。

（9）在試驗中進一步調整各個控制階段的調節器參數，提高控制系統調節品質，實現汽機啟動的快速穩定控制。

（10）分析汽機啟動過程中的各個額定參數的變化趨勢曲線，確認其是否在汽機的熱應力、熱保護定值范圍之內，以便進一步優化控制參數。

4 聯合循環機組冷、溫、熱態暖機控制原理

4.1 聯合循環暖機時燃機負荷、溫度指令處理

（1）汽機啟動負荷、溫度指令處理

汽機啟動負荷、溫度指令指汽機暖機前、中速暖機、汽機全速、汽機偶合后4階段的燃機負荷、排氣溫度的設定值，如圖1所示，西門子原設計其汽機啟動負荷、溫度具有以下特點：

圖1 汽機啟動負荷、溫度指令處理示意圖

1）負荷、溫度定值為常數，一般負荷定值為130MW，溫度定值為540℃，受環境溫度的修正夏天分別為140MW、550℃左右。

2）汽機冷態、溫態啟動的各個階段燃機負荷、溫度定值保持不變。

3）汽機熱態啟動的燃機負荷、溫度定值與冷態、溫態啟動相同。

4）其高參數啟動設定值主要目的是降低汽機暖機過程中的煙氣中的NOx的含量，但也導致汽機閥門截流嚴重和暖機時間過長等弊端。

（2）汽機啟動負荷、溫度變化速率的自動計算

聯合循環機組的汽機啟動負荷變化速率主要取決于余熱鍋爐和汽輪機。由圖1中可知，機組負荷指令變化的有效速率是以下4個數值的小選值：

1）運行人員手動設定的機組負荷變化速率。

2）根據汽輪機的應力（溫度裕量）和煙氣溫度計算得出的允許變化速率（0～20MW／min）。

3）根據高壓汽包壁溫差和二級減溫進口汽溫變化率計算得出的允許變化速率（0～20MW／min）。

4）根據高壓汽包壓力的變化率計算得出的允許變化率（0～20MW／min）。

為了進一步說明汽輪機和余熱鍋爐對負荷變化速率的影響，相關參數變化幅值（速率）對允許負荷變化速率的影響見表1。當允許速率為20 MW／min時，即表示在該幅值（速率）下的參數變化不影響變負荷速率；當允許速率為13MW／min時，即表示幅值（速率）放大后負荷允許變化速率從不受限降低為13MW／min。

經過速率處理后的負荷指令送給燃機后，燃機內部也有速率限制，目前按照設計值該速率最快為13MW／min。

4.2 聯合循環暖機時汽機啟動壓力指令處理

汽機啟動壓力主要指汽機暖機前、中速暖機、汽機全速、汽機偶合后4階段的主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力的設定值，其定值用于汽機啟動過程中各個階段的高、中壓旁路調門和汽機高、中壓調門的壓力控制，具有以下特點：

（1）汽機啟動壓力定值為常數，一般主蒸汽壓力定值為8MPa，再熱蒸汽壓力定值為2MPa。

（2）汽機冷態、溫態啟動的各個階段蒸汽壓力定值保持不變。

（3）汽機熱態啟動的蒸汽壓力定值與冷態、溫態啟動相同。

（4）汽機啟動結束后直至汽機調門開足前，蒸汽壓力仍然保持不變；當汽機調門開足后，汽機處于隨動的滑壓控制，壓力定值由高、中壓蒸汽流量的函數設定。

5 聯合循環機組冷、溫、熱態暖機優化控制原理

5.1 聯合循環暖機時燃機負荷、溫度指令優化處理

汽機啟動的負荷、溫度指令邏輯優化在原控制的基礎上增加了（虛線框內）汽機啟動負荷、溫度設定計算功能塊和汽機冷、溫、熱態啟動判斷功能塊，如圖2所示。

圖2 汽機啟動負荷、溫度指令優化處理示意圖

（1）負荷、溫度定值實現三段式設定，切換三種對應的冷態、溫態、熱態的負荷、溫度定值；對應三種狀態的參數為65MW／420℃、100MW／500℃、130MW／540℃左右，當然受環境溫度的修正。

（2）汽機冷態啟動的各個階段燃機負荷、溫度定值為變負荷、溫度控制。

（3）汽機冷態、溫態、熱態暖機負荷、溫度控制實現全過程程控自動無擾動切換。

5.2 聯合循環暖機時汽機啟動壓力指令優化處理

汽機啟動壓力指令邏輯優化在原控制的基礎上增加了（虛線框內）汽機啟動壓力設定計算功能塊和汽機冷、溫、熱態啟動判斷功能塊，如圖3所示。通過汽機冷、溫、熱態啟動判斷功能塊對壓力設定計算功能塊設置而具備以下功能：

（1）汽機啟動壓力定值實現三段式設定，切換為三種對應的冷態、溫態、熱態的壓力定值，對應三種狀態的參數為5、6.5、8MPa左右（高壓）。

（2）汽機冷態啟動的各個階段壓力定值為變壓力定值控制。

圖3 汽機啟動壓力指令優化處理示意圖

（3）汽機冷態、溫態、熱態暖機各壓力參數控制實現全過程自動程控無擾動切換。

6 汽機暖機優化效果

（1）汽機啟動負荷、溫度定值三段式控制的實現使冷態暖機時間至少減少一半以上，原冷態暖機時間至少7h且暖機負荷減少一半，原冷態暖機負荷至少130MW，大大降低了機組氣耗。

（2）汽機冷態啟動的各個階段燃機負荷、溫度定值變化功能的實現進一步保證汽機暖機升速過程中汽缸、高中壓轉子熱應力有足夠的裕量，使汽機軸系振動、位移等參數在合理范圍內。

（3）溫態暖機時間不變，但暖機負荷減少50 MW，同樣降低了機組氣耗。

（4）汽機啟動壓力定值三段式控制的實現使汽機冷態暖機階段的高壓調門開度增大到8%以上（原模式為2%），加快了高壓缸升溫速度并使調門節流大幅度降低。

（5）汽機冷態啟動的各個階段壓力定值變化功能的實現使汽機冷態、溫態、熱態各個階段的汽機旁路調門、汽機調門處于最佳控制點，徹底提高了控制系統的調節品質。

（6）具體優化的經濟效益說明（運行提供）：經濟效益的比較可以采取多種方法，這里所采取的方法是，當以并網到聯合循環負荷達到300MW為比較區間，新暖機方法所消耗的天然氣和時間都比西門子原始設計的方法少，但是，因為耗時長，所以西門子原始方式下的冷態暖機累計電量是高于新暖機方法的。因此，以采取新暖機方法時，發電量達到原始暖機方式結束后機組出力上升到300MW時間段內的累計發電量為準，計算這段時間內，采用新方法暖機的天然氣消耗能夠減小的量計算公式為

總體經濟效益=天然氣單價×［原始暖機耗氣-新暖機耗氣-（原始暖機電量-新暖機電量）／30×300MW時單位小時耗氣］

新、舊冷態暖機方式下的相關參數見表2。

表2 新舊冷態暖機方式下相關參數

按照前面所列計算方法，得到：

總體經濟效益=2.39×［32.88-15.11-（98.52-37.69）／30×5.56］×104=15.45×104（元）

所以采用新的冷態啟動方式，每次可比采用原始冷態啟動方式節約15.45萬元。

2012年，電廠的冷態啟動次數為22次，2011年為38次，平均為30次。按照每年平均冷態啟動次數為30次計算，如果在80MW負荷進行汽機冷態暖機，則可創造的直接經濟效益約達463.5萬元。

7 結語

此次汽機冷態啟動優化的開發成功標志著我廠在燃氣-蒸汽聯合循環控制技術的自主開發上走向成熟，也標志著節能減排工作進入新階段，此技術目前處于國內外燃機聯合循環領先地位，此項目已獲華能2013年科技進步三等獎和第四屆全國電力行業設備管理創新成果二等獎。