M701F4 燃氣-蒸汽聯合循環機組汽機旁路運行優化

孫震宇

江蘇華電揚州發電有限公司

0 前言

江蘇華電揚州發電有限公司#1 和#2 機組為東方電氣和日本三菱共同制造的燃氣—蒸汽聯合循環發電機組，型號為M701F4。機組采用兩套控制系統進行協調控制，分別為三菱公司的汽輪機控制系統（TCS）和國電南自的分散控制系統（DCS）。汽輪機的旁路系統被設計在TCS中進行自動控制，具體包括高、中壓主汽門和調門，高、中、低壓旁路門以及高、中壓旁路減溫水。余熱鍋爐和汽輪機各疏水系統納入DCS進行手動控制。

1 旁路控制模式

在機組正常啟停和運行過程中，旁路系統由TCS自動控制。旁路控制系統有三個模式，分別為最小壓力控制模式、后備壓力控制模式和實際壓力跟蹤模式。

1.1 最小壓力控制模式

機組正常啟動，在鍋爐點火成功后，對于高壓旁路，當滿足以下任一條件時，高壓旁路控制進入最小壓力控制模式：

1)高壓旁路閥開度＞5%；

2)高壓主蒸汽壓力＞4.8 MPa；

3)高壓主蒸汽壓力＞0.5 MPa且高壓主蒸汽壓力-點火時高壓主蒸汽壓力＞0.3 MPa。

對于中壓旁路，當滿足以下任一條件時，中壓旁路控制進入最小壓力控制模式：

1)中壓旁路閥開度＞5%；

2)再熱主蒸汽壓力＞1.25 MPa；

3)再熱主蒸汽壓力＞0.3 MPa且再熱主蒸汽壓力-點火時再熱主蒸汽壓力＞0.1 MPa。

對于低壓旁路，當滿足以下任一條件時，低壓旁路控制進入最小壓力控制模式：

1)低壓旁路閥開度＞5%；

2)低壓主蒸汽壓力＞0.25 MPa；

3)低壓主蒸汽壓力＞0.1 MPa且低壓主蒸汽壓力-點火時低壓主蒸汽壓力＞0.03 MPa。

此時TCS 會實時輸出最小壓力的設定值，此設定值是燃機負荷的函數，見表1 和表2。調節旁路閥的開度控制主汽閥前的主汽壓力不超過設定值。

表1 高、中壓旁路最小壓力控制模式設定值

表2 低壓旁路最小壓力控制模式設定值

最小壓力控制模式在機組點火后至汽輪機完全進汽之間發揮作用，使機側蒸汽管路中的蒸汽壓力按一定的速率上升，滿足管道熱應力的限制，減少系統工質的熱損失，以快速達到汽輪機進汽條件和快速加載。

1.2 后備壓力控制模式

機組正常啟動過程中，機組負荷大于223 MW和高壓調門程控打開進汽這兩個條件滿足其中之一時，高、中壓旁路的控制模式由最小壓力控制模式切換至后備壓力控制模式。若上述條件均未滿足，當高、中壓旁路閥全關，高、中壓旁路控制模式也會由最小壓力控制模式切換為后備壓力控制模式。

對于低壓旁路閥，當低壓旁路閥全關時，機組負荷大于223 MW和高壓調門程控打開進汽這兩個條件滿足其一時，低壓旁路控制模式由最小壓力控制模式進入后備壓力控制模式。

此時，TCS 會實時輸出后備壓力的設定值，此設定值是當前主汽壓力的函數，見表3。設定值略高于實際壓力，但不超過機組允許的安全值。當主汽壓力超過此設定值時，旁路閥便會打開，保證主汽壓力符合規定值。

表3 后備壓力控制模式設定值 單位：MPa

后備壓力控制模式在機組完全進汽后發揮作用，維持蒸汽管路內的蒸汽壓力不超限，當機組壓力快速上升超過規定值時能夠及時開啟旁路泄壓，避免余熱鍋爐側超壓導致安全門開啟造成工質熱損失，確保機組的安全運行。

1.3 實際壓力跟蹤模式

機組停機令發出后，當機組自動減負荷至223MW，低壓調門開始程控關閉，此時低壓旁路由后備壓力控制模式切換至實際壓力跟蹤模式。

當低壓調門關至42%冷卻位置時，高、中壓旁路控制模式由后備壓力控制模式切換至實際壓力跟蹤模式。

若機組跳閘或超速保護（OPC）動作時，三個旁路會同時立即切換至實際壓力跟蹤模式。

此時TCS實時輸出實際壓力的設定值，此設定值是切換至實際壓力跟蹤模式時的主汽壓力，并保持至下次點火時切換到最小壓力控制模式之前。高、中壓調門開始關閉時，TCS 通過調節旁路閥開度使調門前壓力不高于設定值，維持系統壓力恒定，從而保證余熱鍋爐高中低壓汽包水位不出現大幅變動。隨著機組負荷下降，鍋爐蒸發量減小，主汽壓力下降，TCS通過關小旁路閥以維持閥前壓力接近設定值，起到保壓作用。

2 存在問題

2.1 高旁閥機械卡澀

某次啟動機組，在汽輪機完全進汽，加載升負荷后，TCS報警高旁后管道超溫。此時高壓旁路已進入后備壓力控制模式，高壓主蒸汽壓力正常，TCS顯示高壓旁路閥仍有3%的開度，減溫水隔離門、調整門在自動狀態但并未打開。經就地檢查發現，高壓旁路閥確有3%的開度而未全關，因此TCS 開度反饋信號無誤。

在上述旁路控制模式下，高壓旁路進入后備壓力控制模式后，在高壓主汽壓力正常的情況下，其后備壓力設定值高于實際壓力，高旁閥應為全關，閥位開度設定值為-5%。經檢查TCS邏輯后發現，當閥位開度設定值小于2%時，即認為高旁閥全關，此處并沒有把閥位開度實際反饋值作為判斷條件。而高旁減溫水隔離門、調門自動打開的條件包含高旁閥未全關，因此高旁減溫水在此狀態下不會自動投入，由此造成了高旁后管道超溫及冷再管道超溫。

經停機后解體高壓旁路閥，發現閥內有雜質殘留，導致高旁閥無法完全關閉，清理后閥門關閉正常。為解決此問題，采取的措施包括：（1）提高蒸汽品質，加強集控與化學專業的協調，適時采取加藥措施；（2）機組停運期間，根據停運時間長短及時采取熱爐放水、充氮等余熱鍋爐保養方法，以避免余熱鍋爐管道內部的化學腐蝕，降低腐蝕后的雜質生成；（3）機組運行期間，檢修暫時無法處理高旁閥的機械故障，應立即將高旁減溫水解除自動，并手動調整減溫水流量，確保冷再管道不超溫；（3）修改旁路閥全關的判斷邏輯，將設定值改為閥門開度的反饋值。

2.2 汽機金屬溫度匹配階段高旁閥開至100%開度

在機組啟動過程中，發電機并列后，燃機帶暖機負荷。在主蒸汽溫度、壓力與汽輪機金屬溫度匹配后，汽輪機方可進汽。然而在此過程中，高壓旁路閥始終會開至100%開度，如圖1，造成蒸汽壓力上升緩慢，延長金屬溫度匹配的時間，進而延長開機時間，導致經濟性下降。

圖1 啟動過程中高壓旁路閥開度曲線

在金屬溫度匹配階段，燃機根據汽機溫度狀態的不同，分別帶50 MW（冷態）、78 MW（溫態）、120 MW（熱態）負荷暖機，高壓旁路已進入最小壓力控制模式。此時，高壓旁路閥的設定值并不完全為表1 中所示的設定值，而是從實際壓力控制模式向最小壓力控制模式切換時對應的設定值以一定的速率接近表1 中的設定值。為防止擾動，此設定值每隔30 s變化一次，每次變化后的設定值為實際值+0.02 MPa。

國內同類型機組所配套的余熱鍋爐采用的是杭州鍋爐廠生產的余熱鍋爐，與#1、#2 機采用的余熱鍋爐并不完全相同。兩種余熱鍋爐因技術的差異，導致熱力性質不盡相同，因此在高旁切換為最小壓力控制模式時，此時的設定值偏低。而暖機負荷下余熱鍋爐所產生的蒸汽升溫升壓速度偏快，在30 s內其實際壓力會快速超過設定值，為保持機側高壓主蒸汽壓力低于設定值，高旁閥會迅速開大至100%。

以一次熱態啟機為例，在汽機金屬溫度匹配階段，燃機帶120 MW負荷暖機。14時39分30秒，高壓過熱器出口壓力為5.123 9 MPa；14 時48 分46秒，高壓過熱器出口壓力為6.542 MPa。經計算得出，每30s 高壓主蒸汽壓力變化了0.07 MPa，而高壓旁路的升壓率僅為0.02 MPa，導致設定值滯后于實際值，高旁閥全開。

因此，為了提高開機過程的經濟性，我們采取了如下措施：停機后通過手動復緊爐側各疏水門、提前關閉余熱爐煙囪擋板以提高余熱鍋爐的保溫保壓能力，使旁路初始設定值提高；在金屬溫度匹配階段將高壓旁路閥切至手動控制，緩慢減小高旁閥開度，提高升壓速率；在征求設備供應方的意見后匹配本機組余熱鍋爐的升壓速率，提高0.02 MPa的變化值。

3 結束語

三菱公司在TCS 邏輯中設計了一整套全面的旁路控制方案，但在實際生產過程中，仍需根據各個聯合循環機組的特性調整相應的方案和控制策略。在不同的工況下觀察各相應參數的變化，有助于提高運行人員的操作判斷。