三菱M701F4型單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動暖機(jī)負(fù)荷期間高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化

重慶兩江燃機(jī)電廠 胡鴻相 劉印 葛曉明 蔣金希 余智姣

0 引言

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組具有效率高、啟停快、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負(fù)荷機(jī)組，而且還能帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷，適合用于調(diào)峰。

某電廠2套460MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為三菱M701F4型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，日常作為調(diào)峰機(jī)組，啟動方式基本為熱態(tài)啟動，早起晚停。但隨著運(yùn)行方式的改變以及受天然氣短缺等因素影響，冷態(tài)啟動的次數(shù)逐漸增多。該型機(jī)組在冷態(tài)啟動中存在暖機(jī)時間長、啟動速度慢、經(jīng)濟(jì)性差的特點(diǎn)，需要對旁路系統(tǒng)進(jìn)行邏輯優(yōu)化，以提高機(jī)組啟動的經(jīng)濟(jì)性。

1 設(shè)備概況

某電廠1、2號機(jī)組為三菱M701F4型單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。燃機(jī)采用日本三菱公司M701F4型重型燃機(jī)，汽輪機(jī)為高壓、三缸、三壓、再熱、排汽、單軸抽汽凝汽式供熱機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用全氫冷旋轉(zhuǎn)無刷勵磁。余熱鍋爐為東方日立鍋爐有限公司生產(chǎn)的臥式、無補(bǔ)燃、三壓、再熱、自然循環(huán)、露天布置余熱鍋爐。機(jī)組控制系統(tǒng)采用分島控制方式。其中，機(jī)島控制范圍包括燃機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)，稱為燃機(jī)-汽機(jī)控制系統(tǒng)（TCS+TPS+TSI），以下簡稱TCS，采用三菱的DIASYS Netmation系統(tǒng)；爐島包括余熱鍋爐和輔助系統(tǒng)，簡稱DCS，采用美國艾默生過程控制公司生產(chǎn)的OVATION控制系統(tǒng)，二者通過OPC服務(wù)器進(jìn)行雙向通訊。汽輪機(jī)旁路控制系統(tǒng)設(shè)計在OVATION控制系統(tǒng)中，TCS參與旁路控制的信號通過硬接線與DCS實(shí)現(xiàn)通訊。

2 M701F4型燃?xì)鈾C(jī)組旁路控制模式

對于燃機(jī)電廠而言，由于其用電需求及承擔(dān)的調(diào)峰任務(wù)，機(jī)組頻繁的啟停要求旁路控制系統(tǒng)具備更高的可靠性和安全性。因此，為滿足實(shí)際運(yùn)行的要求，燃機(jī)電廠會按照要求配備成套完整的旁路系統(tǒng)。燃?xì)鈾C(jī)組旁路系統(tǒng)中的高壓、中壓和低壓旁路閥采用最小壓力控制模式、備用壓力控制模式及實(shí)際壓力跟蹤模式方法進(jìn)行控制。根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)組的不同的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況進(jìn)行控制模式間的相互切換，確保設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 最小壓力控制模式

當(dāng)燃機(jī)發(fā)出點(diǎn)火起動指令后，為確保主汽閥前的蒸汽壓力小于最小壓力閾值，各旁路閥均處于最小壓力控制模式下，可以控制閥門開度大小來控制壓力變化。最小壓力控制模式可滿足燃?xì)鈾C(jī)組啟動初期的升溫升壓要求，且可以盡可能的減少系統(tǒng)的熱量損失，縮短了機(jī)組的啟動時間，可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的快速運(yùn)轉(zhuǎn)。旁路閥最小壓力的設(shè)定依據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)載情況進(jìn)行選擇。

2.2 備用壓力控制模式

最小壓力控制模式與備用壓力控制模式的切換是以主蒸汽閥門的開合或燃?xì)廨啓C(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)功率為判據(jù)。當(dāng)旁路閥處于全關(guān)閉狀態(tài)，且運(yùn)行功率達(dá)到230MW以上或機(jī)組的主蒸汽閥開啟，此時旁路系統(tǒng)的控制模式從最小壓力控制模式向備用壓力控制模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。備用壓力控制模式保證了旁路閥全關(guān)狀態(tài)下系統(tǒng)壓力的快速上升，當(dāng)壓力大于閥門設(shè)定值后，又能夠有效泄壓，確保整個機(jī)組的運(yùn)行安全，即系統(tǒng)高效且保證安全。

2.3 實(shí)際壓力跟蹤模式

旁路系統(tǒng)中的實(shí)際壓力跟蹤模式是在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載下降后為確保載荷恒定而采用的控制模式。以燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載下降至230MW為臨界值，為保持機(jī)組恒定的載荷，關(guān)閉各級旁路系統(tǒng)的主蒸汽閥門，實(shí)現(xiàn)旁路閥的壓力控制模式由備用壓力模式向?qū)嶋H壓力跟蹤模式的轉(zhuǎn)變。此系統(tǒng)控制模式可實(shí)現(xiàn)載荷恒定，系統(tǒng)保壓，汽包不超限制等目的。正常情況下，旁路閥壓力設(shè)定值為機(jī)組停機(jī)時的實(shí)際壓力，直至機(jī)組重新啟動旁路控制模式再發(fā)生變化。

3 高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化

在冷態(tài)啟機(jī)過程中，通過高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化，合理有效地使高旁閥前壓力穩(wěn)步提高，能夠提升余熱鍋爐及主蒸汽管道暖管速度，縮短暖機(jī)時間，匹配汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)，提高M(jìn)701F4型燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力。

3.1 高旁調(diào)節(jié)控制合理性分析

該電廠M701F4型燃?xì)鈾C(jī)組的TCS系統(tǒng)汽機(jī)進(jìn)汽條件（部分）如圖1。

圖1 TCS汽機(jī)接口進(jìn)汽條件邏輯

高壓缸進(jìn)汽條件：

①高壓主汽閥前蒸汽過熱度≥56℃。

②高壓主汽閥前蒸汽壓力≥6.4MPa。

③高壓主汽閥前蒸汽溫度與高壓缸入口金屬溫度之差在+110℃～-56℃間。

中壓缸進(jìn)汽條件：

①中壓主汽閥前蒸汽過熱度≥56℃。

②中壓主汽閥前蒸汽壓力≥1.55MPa。

③中壓主汽閥前蒸汽溫度與中壓缸葉片環(huán)金屬溫度之差在+110℃～-56℃間。

在冷態(tài)啟動過程中，汽輪機(jī)和余熱鍋爐的溫度均比較低，為保證余熱鍋爐加熱的最小溫度，燃?xì)廨啓C(jī)以50MW的負(fù)荷進(jìn)行暖機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度大致控制在402℃。余熱鍋爐經(jīng)過較長時間暖爐后，汽包壓力提高，而高旁處于最小壓力模式下，高旁閥前壓力設(shè)定值一直較低，導(dǎo)致高旁閥長時間大開度開啟，大量較高溫度和壓力的蒸汽通過冷再管道經(jīng)加熱后返回中壓汽包，中壓缸進(jìn)汽蒸汽品質(zhì)能較快滿足要求，而高壓缸進(jìn)汽蒸汽品質(zhì)遲遲不能達(dá)到需求值，使得汽輪機(jī)進(jìn)汽條件一直不能滿足，暖機(jī)時間延長。

因此，在保證高壓缸進(jìn)汽蒸汽（閥前）過熱度的情況下，通過優(yōu)化DCS系統(tǒng)中高旁閥邏輯，調(diào)整高旁閥的開度，提高高壓缸進(jìn)汽蒸汽（閥前）的壓力，使得高、中、低主蒸汽參數(shù)與汽輪機(jī)參數(shù)提前匹配，就是縮短冷態(tài)暖機(jī)時間的關(guān)鍵。

3.2 高旁調(diào)節(jié)控制修改思路及方案

通過上述分析和對以往多次機(jī)組冷態(tài)啟動各數(shù)據(jù)的觀察，結(jié)合TCS系統(tǒng)進(jìn)汽邏輯，提出加快冷態(tài)啟動的DCS高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化思路。

為保證冷態(tài)啟動時余熱鍋爐及高、中、低壓主蒸汽管路的暖爐暖機(jī)效果，同時不改變熱態(tài)啟機(jī)和溫態(tài)啟機(jī)的邏輯，保留高旁最小壓力模式下的函數(shù)，新增切換模塊T和以下邏輯條件：

①汽機(jī)冷態(tài)模式。

②高壓進(jìn)汽壓力（二選后）≤6.4MPa。

③高壓主汽溫度閥前（二選后）過熱度≥56℃。

圖2 新增壓力溫度函數(shù)—f3(x)

由圖3可以看出，當(dāng)上述3個條件同時滿足時，高旁壓力設(shè)定值升速率切至函數(shù)f2(x)穩(wěn)步增加至6.4MPa；否則，仍按原邏輯執(zhí)行，當(dāng)條件高旁壓力與設(shè)定值偏差大于0.02觸發(fā)時，高旁壓力設(shè)定值升速率為0，高旁保持當(dāng)前開度，如果條件不觸發(fā)，高旁壓力設(shè)定值以函數(shù)f2(x)速率增加。在整個最小壓力模式的過程中，高旁壓力設(shè)定值不超過6.5MPa。

圖3 修改后的高旁調(diào)節(jié)控制策略（紫色曲線內(nèi)部為新增邏輯）1-f1(x),2-f2(x),3-f3(x),4-f4(x)限速模塊

3.3 高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后效果

該電廠#2機(jī)組高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化前后參數(shù)對比情況如表1所示，啟動曲線如圖4、圖5所示。高壓缸進(jìn)口金屬溫度54.7℃，50MW暖機(jī)時間約為104分鐘，經(jīng)過高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后，#2機(jī)組冷態(tài)啟動，高壓缸進(jìn)口金屬溫度75.8℃，50MW暖機(jī)時間約為31分鐘，縮短暖機(jī)73分鐘，整個啟機(jī)過程由原來的203分鐘縮短至134分鐘。整個冷態(tài)啟機(jī)過程共縮短70分鐘。

表1 該電廠#2機(jī)組冷態(tài)啟動時間對比

圖4 該電廠#2機(jī)高旁優(yōu)化前冷態(tài)啟動曲線

3.4 存在的問題

高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后，機(jī)組冷態(tài)啟動過程中縮短了啟動時間，同時也帶來了一些問題，需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 該電廠#2機(jī)高旁優(yōu)化后冷態(tài)啟動曲線

如圖6所示，在汽機(jī)達(dá)到進(jìn)汽條件前幾分鐘，由于高旁壓力設(shè)定值升速率變大，高旁閥由60%快速關(guān)至40%，導(dǎo)致中壓進(jìn)汽壓力降低至1.384MPa，低于中旁壓力設(shè)定值1.466MPa，中旁閥迅速由10%關(guān)至0%，中壓進(jìn)汽壓力又瞬間升至2.2MPa，中旁閥接著由0%快速開至60%左右，同時高、中壓主汽閥開始打開，進(jìn)一步加大了蒸汽流量，在整個過程中，汽包壓力均保持恒定，高壓汽包的水位從108mm降至-216mm，中壓汽包的水位從268mm降至-171mm，具有較大的波動。

除此之外，從圖7也可以看出，由于暖機(jī)時間較短，中旁和低旁首次開啟時，進(jìn)入凝汽器的不凝結(jié)氣體較多，導(dǎo)致凝汽器真空變化較大。且本次冷態(tài)啟動過程中真空保持在7～11KPa之間，較以往差，需提前做好主蒸汽管道排空措施，以保證凝汽器良好的真空狀態(tài)。

對于上訴問題，需進(jìn)一步分析原因，制定相應(yīng)措施，進(jìn)行解決。

圖6 優(yōu)化后，燃?xì)廨啓C(jī)高、中、低壓閥門開度以及高、中、低壓蒸汽溫度

4 機(jī)組高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后冷態(tài)啟機(jī)效益分析

4.1 能耗及費(fèi)用分析

圖7 優(yōu)化后，燃?xì)廨啓C(jī)汽包水位及凝汽器真空

冷態(tài)啟動過程高旁優(yōu)化后，綜合收益體現(xiàn)在直接收益和間接收益兩方面。直接收益：縮短了低負(fù)荷（50MW）暖機(jī)時間產(chǎn)生的收益。間接收益：機(jī)組提前接帶高負(fù)荷（≥230MW）時間增加的收益。綜合收益=直接收益+間接收益。計算公式如下：

綜合收益:

式中A—單位時間天然氣耗，B—高廠變功率，C—暖機(jī)縮短時間，N—機(jī)組負(fù)荷，H—上網(wǎng)電價，S—天然氣價格，D—發(fā)電量，E—上網(wǎng)電量，F(xiàn)—天然氣用量，G—生產(chǎn)廠用電量，M—綜合收益，Z—直接收益，J—間接收益，i—機(jī)組負(fù)荷對應(yīng)數(shù)值。

i=230，N230=230MW，此時綜合收益為M230

i=460，N460=460MW，此時綜合收益為M460

由于機(jī)組的間接收益和負(fù)荷成正相關(guān)關(guān)系，即負(fù)荷越高收益越大，故間接收益和綜合收益在負(fù)荷為230MW產(chǎn)生最小收益，在負(fù)荷為460MW時，產(chǎn)生最大收益。

相關(guān)人員統(tǒng)計機(jī)組負(fù)荷為50MW、230MW、460MW的各項數(shù)據(jù)如下，從表2和表3可以看出，根據(jù)重慶地區(qū)市場最新定價，當(dāng)上網(wǎng)電價H=0.493(元/kwh)， 天 然 氣 價 格S為1.54(元/Nm3)時， #2機(jī)組某次冷態(tài)啟動縮短低負(fù)荷（50MW）暖機(jī)時間為73min，將數(shù)據(jù)帶入公式計算，能產(chǎn)生約3.41萬元的直接收益。根據(jù)所帶負(fù)荷的不同，最低可產(chǎn)生3.80萬元、最高10.74萬元的間接收益。所以冷態(tài)啟動旁路優(yōu)化后，在當(dāng)此冷態(tài)啟動過程中，產(chǎn)生最低7.21萬元、最高14.15萬元的綜合收益。

據(jù)統(tǒng)計，2017年兩臺機(jī)組冷態(tài)啟動20次，高壓缸進(jìn)口金屬溫度不同，暖機(jī)時間長短會有差異，按照平均縮短暖機(jī)時間60分鐘計算，一年可產(chǎn)生綜合收益118.52～232.60萬元，大大地提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 環(huán)保效益

機(jī)組在正常運(yùn)行時，排放的煙氣中污染物的濃度較低，能極好地滿足環(huán)保要求，但是在啟動過程中，部分燃?xì)馕廴疚锱欧胚h(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)，這是由于M701F4型燃?xì)鈾C(jī)組采用的是預(yù)混干式低NOx燃燒器，在低負(fù)荷時，值班燃料閥開度較大，擴(kuò)散燃燒所占比例較大，不完全燃燒導(dǎo)致的CO、NOx、CH4等氣體的排放量較高，而隨著機(jī)組負(fù)荷的升高，燃燒趨于穩(wěn)定，主燃料閥不斷開大，主燃料量不斷增加，預(yù)混燃比例逐步提高，污染物的排放隨之降低。

在冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動過程中，冷態(tài)啟動的暖機(jī)負(fù)荷最低，且停留在低負(fù)荷的時間最長，由圖7可以看出冷態(tài)啟動暖機(jī)過程中CO一直保持在1000 mg/Nm3以上，脫銷前NOX含量在100 mg/Nm3以上，脫銷后NOX含量在30 mg/Nm3～50 mg/Nm3波動，已經(jīng)非常接近環(huán)保對燃機(jī)電廠的考核值50 mg/Nm3，有一定的超排風(fēng)險。

高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后，縮短了機(jī)組停留在低負(fù)荷的時間，使得煙氣排放的污染物在高值停留的時間大大縮短，一方面減少了超排的風(fēng)險，另一方面，起到了良好的減排效果，具有極大的環(huán)保效益。

圖8 優(yōu)化后，NOX以及SO2，CO等各測量值曲線

5 結(jié)論

通過對M701F4型燃機(jī)冷態(tài)啟動暖機(jī)負(fù)荷期間高旁調(diào)節(jié)控制進(jìn)行優(yōu)化，使燃機(jī)TCS系統(tǒng)的汽機(jī)進(jìn)汽條件和DCS最小壓力模式下的高旁壓力設(shè)定邏輯進(jìn)一步匹配，汽輪機(jī)進(jìn)汽條件更快滿足，縮短了冷態(tài)啟動時間，進(jìn)一步加強(qiáng)了機(jī)組的調(diào)峰能力，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)效益雙收益。同時，機(jī)組高旁調(diào)節(jié)控制的優(yōu)化思路，對國內(nèi)相似燃機(jī)電廠也具有借鑒性和推廣價值。

表2 縮短暖機(jī)時間 73分鐘能耗情況

表3 縮短暖機(jī)時間73分鐘收益情況