基于西門子F級燃氣機組深度調峰技術研究

李旭光，劉 楊

(華能河南中原燃氣發電有限公司，河南 駐馬店 463000)

燃氣-蒸汽聯合循環機組具有啟停調峰速度快、性能優的特點，但發電成本高，尤其在機組啟停或單循環運行時。近年來，隨著光伏與風電等新能源快速發展，燃煤機組深度調峰[1]，天然氣因供應緊張而導致氣價上漲，以及國家經濟降增速促使電價降低等因素，燃氣機組的生存壓力愈加艱難。

燃氣機組與燃煤機組相比，在快速調峰方面具有較大優勢；但聯合循環狀態下，其接近40%基本負荷的調峰深度，卻不及燃煤機組正常50%基本負荷、甚至特殊時段超過70%基本負荷的調峰深度。燃氣機組啟停機過程及單循環調峰運行時，氣耗高，嚴重影響電廠的經濟效益[2]。因此，對聯合循環運行模式下的深度調峰進行研究，以保證燃氣機組的經濟性和調峰優勢。

1 深度調峰原理

西門子F級燃氣-蒸汽聯合循環機組基本負荷設計值390 MW，其中燃氣輪機負荷260 MW、汽輪機負荷130 MW。機組啟動時，燃氣輪機負荷130 MW與汽輪機進汽條件滿足，開始進入燃氣-蒸汽聯合循環；機組停運時，燃氣輪機先降負荷至130 MW，汽輪機開始走停機程序，汽輪機脫開后，燃氣輪機再繼續降負荷至發電機解列；正常運行時，機組最低聯合循環負荷250 MW。

燃氣機組進入聯合循環運行，汽輪機控制器壓力控制激活，旁路閥不動作時汽輪機進汽調門協調控制壓力。機組快速變負荷，若定參數運行，汽輪機進汽主要為溫度變化導致的熱應力變化，此時進汽溫度變化決定汽輪機運行；若滑參數運行，高負荷段汽輪機高壓主汽調門全開，主蒸汽壓力越高，對應的飽和溫度變化趨勢變緩，此時進汽壓力變化決定汽輪機運行。燃氣輪機負荷不高于130 MW，同時汽輪機[3]進汽條件滿足，則可實現燃氣機組深度調峰。

2 機組運行分析

2.1 機組氣耗分析

相同負荷下，氣耗率越低，機組性能越好，經濟效益越優，氣耗率是燃氣機組性能和經濟效益的集中體現。機組不同負荷運行，單循環和聯合循環運行模式下天然氣流量情況如表1所示。

由表1可知，相同負荷情況下，燃氣輪機單循環運行氣耗較高，比聯合循環氣耗約高0.7×104Nm3/h。燃氣機組退出聯合循環進入單循環模式調峰運行，若要再次進入聯合循環調峰，汽輪機需惰走1 h才能沖轉，電廠總體經濟效益損失更大。

表1 機組不同負荷運行天然氣流量情況

2.2 汽輪機進汽參數分析

燃氣-蒸汽聯合循環機組深度調峰的本質為機組負荷無限低條件下，汽輪機進汽參數[4]依然滿足要求，燃氣輪機和汽輪機均可安全帶負荷運行。借助仿真機開展機組深度調峰研究，記錄不同負荷穩定運行狀態下相關進汽參數，如表2所示。

表2 不同負荷下汽輪機相關進汽參數

依據表2分析，機組負荷高于190 MW時，汽輪機高壓主蒸汽溫度變化較慢，低于190 MW時，高壓主蒸汽溫度下降越來越快。機組升負荷至250 MW時，高壓主汽調門逐漸開大至全開，汽輪機由定參數轉為滑參數運行。依據西門子設計，機組最低聯合循環負荷250 MW。機組深度調峰時，在最低設計聯合循環負荷下定參數運行，汽輪機高壓主汽調門調整主蒸汽壓力不變，主蒸汽溫度隨負荷升降而改變。

2.3 深度調峰危害分析

西門子燃氣—蒸汽聯合循環機組燃燒系統由擴散燃燒、預混燃燒和值班燃燒3路進氣組成，點火時采用擴散燃燒，點火后燃氣輪機升速至23 Hz，預混燃燒投入運行，燃氣輪機轉速50 Hz時開啟值班燃燒(小流量擴散燃燒模式)、關閉擴散燃燒；燃氣輪機正常運行時，預混燃燒和值班燃燒2路工作。機組深度調峰及啟停機過程中，因燃氣輪機低負荷階段空氣過量系數大，為維持燃燒穩定，燃氣輪機值班燃燒天然氣流量較大，燃氣輪機啟機升負荷至100 MW后值班流量逐漸開始降低，停機降負荷至110 MW后值班流量逐漸開始升高，導致機組的NOx排放可能會發生超標[5]的現象。

燃氣機組深度調峰，汽輪機定參數運行，高壓主蒸汽壓力不變，主蒸汽溫度降低，蒸汽中可能含水，對葉片造成汽蝕；末級葉片蒸汽濕度增加，縮短葉片使用壽命；高溫部件可能產生很大的熱應力；若高壓主蒸汽溫度劇降，可能會發生水沖擊現象。

3 深度調峰控制策略

燃氣機組深度調峰定參數運行，依據國家標準和規范，汽輪機高壓主蒸汽溫度變化不高于5 ℃/min。依據表2分析，機組負荷140 MW降至130 MW，高壓主蒸汽溫度從485 ℃降至468 ℃，降負荷過程至少需要3.4 min，應手動設定目標負荷保證運行安全，每分鐘設定1次目標負荷，最大降負荷率2.95 MW/min。若不人為控制升降負荷率，機組將自動以13 MW/min負荷變化率到達設定負荷，汽輪機會因高壓主蒸汽溫度劇降而造成保護動作跳閘。

聯合循環機組負荷設定，例如機組負荷140 MW，一般設定燃氣輪機負荷100 MW，汽輪機負荷40 MW，汽輪機進汽調門開度均較小，且旁路系統投入運行，應加強運行操作和DCS畫面監視。機組深度調峰[6]應退出機組協調控制，燃氣輪機和汽輪機負荷單獨設定，汽輪機升降負荷率合理設定，結合相關要求手動優化調整，維持機組聯合循環正常運行。

機組深度調峰允許的最低聯合循環運行負荷，需依據試驗確定。聯合循環低負荷運行，機組的排放環保指標可能不滿足要求，應提前開展低負荷燃燒調整。在未優化燃氣輪機與汽輪機控制器，實現自動控制深度調峰之前的手動操作，不同運行人員操作結果存在偏差，且穩定性無法保證，手動操作時應合理控制降溫、降壓速率和過熱度等參數變化。

4 結束語

燃氣-蒸汽聯合循環機組深度調峰，燃氣輪機在不開展任何技術改造的前提下，應注意機組負荷變化時必須足夠慢，不能因高壓主蒸汽溫度急劇變化引起汽輪機保護動作跳機，根據實際運行情況控制升降負荷速率。分析研究，若進一步降低聯合循環最低負荷，最終實現機組自動深度調峰，應開展進氣可調導葉技術改造，通過改變進入壓氣機的空氣流量，確保燃氣輪機低負荷運行，同時保證汽輪機高壓主蒸汽具有較高溫度。