6F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配功能及其運(yùn)行優(yōu)化分析

江蘇國(guó)信高郵熱電有限責(zé)任公司 宦 林

某6F級(jí)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用GE公司設(shè)計(jì)制造的6F.03型燃?xì)廨啓C(jī)，燃機(jī)采用MARK VIe控制系統(tǒng)。機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中燃機(jī)與汽機(jī)的協(xié)調(diào)匹配問(wèn)題越來(lái)越突出：聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)首先啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)啟動(dòng)令后自動(dòng)運(yùn)行至全速空載狀態(tài)，燃機(jī)在全速空載階段的排氣溫度比較高，以6FA燃?xì)廨啓C(jī)為例，排氣溫度可達(dá)450℃，余熱鍋爐受熱后升溫升壓，通過(guò)過(guò)熱器減溫水將過(guò)熱蒸汽最低降至350℃，若汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)汽溫度與缸溫偏差近330℃（汽機(jī)冷態(tài)時(shí)缸溫以20℃計(jì)）。以這種狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)容易造成汽輪機(jī)的金屬熱應(yīng)力過(guò)大，汽輪機(jī)熱沖擊增大，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)后需要長(zhǎng)時(shí)間暖機(jī)來(lái)緩解膨脹不均，不僅空消耗熱量，也嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的使用壽命[1]。

為優(yōu)化燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)方式，使機(jī)組啟動(dòng)時(shí)主汽溫與汽機(jī)缸溫相協(xié)調(diào)匹配，縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間和減緩汽機(jī)熱沖擊，開(kāi)發(fā)利用燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配功能。本文通過(guò)對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)投用燃機(jī)溫度匹配前后數(shù)據(jù)分析對(duì)比，結(jié)果表明燃機(jī)溫度匹配功能可以有效縮短機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間和提高機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性。

1 溫度匹配原理

在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，燃?xì)廨啓C(jī)作為余熱鍋爐乃至整個(gè)聯(lián)合循環(huán)的熱量源，控制燃機(jī)的排氣溫度可以實(shí)現(xiàn)間接控制余熱鍋爐的蒸汽溫度水平的目的。燃機(jī)在整個(gè)聯(lián)合循環(huán)過(guò)程中處于前端，由于燃機(jī)排氣溫度可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量或壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉角度（Inlet Guide Vane,IGV）實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)是通過(guò)空燃比的變化改變?nèi)紵蟮呐艢鉁囟取?/p>

在燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)中加入溫度匹配功能模塊和控制邏輯，在燃機(jī)某一穩(wěn)定運(yùn)行工況下，保持其余參數(shù)不變，降低燃?xì)廨啓C(jī)的燃料量（TNR）或關(guān)小進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）降低燃機(jī)排氣溫度，進(jìn)而間接的降低余熱鍋爐的出口蒸汽溫度，實(shí)現(xiàn)與汽輪機(jī)金屬溫度相匹配，防止汽輪機(jī)在冷態(tài)啟動(dòng)中受到過(guò)大的熱沖擊。L83TMSEL為燃機(jī)溫度匹配允許條件，TTXM為燃機(jī)排氣溫度，ttrxtm cmd為燃機(jī)排氣溫度設(shè)定目標(biāo)值。投溫度匹配后降低燃機(jī)排氣溫度過(guò)程，先降低燃料量（TNR），進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）保持不變，待燃料量降低至最低后IGV開(kāi)度逐步開(kāi)大增加送風(fēng)量，直至燃機(jī)排氣溫度達(dá)到目標(biāo)值。

燃機(jī)溫度匹配未投運(yùn)前聯(lián)合循環(huán)機(jī)組正常的冷態(tài)啟動(dòng)流程分為兩種：燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)指令-燃機(jī)轉(zhuǎn)速上升清吹-降速點(diǎn)火-暖機(jī)-升速至全速空載-汽機(jī)沖轉(zhuǎn)-燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)-汽機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)-燃機(jī)、汽機(jī)發(fā)電機(jī)升負(fù)荷-協(xié)調(diào)控制-投入AGC；燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)指令-燃機(jī)轉(zhuǎn)速上升清吹-降速點(diǎn)火-暖機(jī)-升速至全速空載-燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶初負(fù)荷（5MW）-汽機(jī)沖轉(zhuǎn)-汽機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)-燃機(jī)、汽機(jī)發(fā)電機(jī)升負(fù)荷-協(xié)調(diào)控制-投入AGC。

此兩種啟動(dòng)方式主要區(qū)別是：第一種啟動(dòng)方式燃機(jī)發(fā)電機(jī)在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)未并網(wǎng)，此時(shí)燃機(jī)熱負(fù)荷輕，可將汽機(jī)沖轉(zhuǎn)主蒸汽溫度控制在350℃，但汽機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中燃機(jī)空轉(zhuǎn)未發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較差；第二種啟動(dòng)方式燃機(jī)發(fā)電機(jī)在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前已并網(wǎng)帶初負(fù)荷，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)暖機(jī)過(guò)程中燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性有所提升，但此時(shí)燃機(jī)熱負(fù)荷升高，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)主蒸汽溫度只能控制在400℃，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)汽機(jī)缸溫與蒸汽溫度偏差較大[2]。

投入燃機(jī)溫度匹配聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的冷態(tài)啟動(dòng)流程：燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)指令-燃機(jī)轉(zhuǎn)速上升清吹-降速點(diǎn)火-暖機(jī)-升速至全速空載-燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷投入溫度匹配-汽機(jī)沖轉(zhuǎn)-汽機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)-燃機(jī)、汽機(jī)發(fā)電機(jī)升負(fù)荷-協(xié)調(diào)控制-投入AGC。投入溫度匹配啟動(dòng)方式下燃機(jī)發(fā)電機(jī)在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前已并網(wǎng)帶負(fù)荷，通過(guò)溫度匹配降低了燃機(jī)排氣溫度，完美實(shí)現(xiàn)了機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中汽機(jī)沖轉(zhuǎn)主汽溫控制與啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性相兼容。

由表1可以看出：燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)全速空載時(shí)排氣溫度最低，但是對(duì)于汽機(jī)冷態(tài)的情況下仍然偏高，無(wú)法將主汽溫度降低至與汽機(jī)缸溫相匹配；燃機(jī)排氣溫度受大氣環(huán)境溫度影響較大，冬季與夏季可以相差30℃，在夏季時(shí)在燃機(jī)不投溫度匹配的情況下主汽溫更無(wú)法控制與汽機(jī)缸溫相匹配；燃機(jī)在并網(wǎng)后煙氣溫度和流量會(huì)大幅上升，余熱鍋爐主汽溫也會(huì)上升較快。

表1 燃機(jī)各階段排氣溫度對(duì)比

2 溫度匹配的實(shí)現(xiàn)

2.1 溫度匹配的人機(jī)界面

GE公司6FA燃機(jī)溫度匹配的組態(tài)界面組成部分：溫度匹配的投入退出按鈕，當(dāng)操作員按下溫度匹配投入退出鍵“On”或“Off”按鈕時(shí)，對(duì)應(yīng)的按鈕顏色會(huì)改變；溫度匹配投入條件，任何一條不滿足即無(wú)法投入溫度匹配功能，其對(duì)應(yīng)的條件會(huì)變成紅色，以提醒操作員檢查操作；溫度匹配的設(shè)置值及溫升變化速率，每個(gè)變量對(duì)應(yīng)一個(gè)手動(dòng)輸入框和一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)框，以監(jiān)視用戶的設(shè)定值是否成功的被寫(xiě)入了控制系統(tǒng)軟件中。

由于燃機(jī)MARK VIe控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)分屬不同廠家、不同控制方式，操作人員不能在同一電腦上進(jìn)行操作，為方便溫度匹配投運(yùn)后的監(jiān)視操作，在DCS系統(tǒng)上新增加溫度匹配控制模塊，將燃機(jī)MARK VIe控制系統(tǒng)中燃機(jī)溫度匹配功能模塊測(cè)點(diǎn)參數(shù)轉(zhuǎn)接至DCS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在DCS系統(tǒng)直接控制燃機(jī)溫度匹配功能，根據(jù)余熱鍋爐主汽溫實(shí)時(shí)調(diào)整燃機(jī)排氣溫度。

2.2 溫匹功能投運(yùn)步驟

燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)令，點(diǎn)火成功至全速空載；燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，帶初始負(fù)荷10MW，記錄此時(shí)燃機(jī)排氣溫度、IGV角度、CA_CRT參數(shù)；檢查機(jī)組DCS溫度匹配操作畫(huà)面已具備使用條件，DCS和TCS數(shù)據(jù)連接正常；檢查燃機(jī)Temperature Matching畫(huà)面中下列條件全部變綠：TNR below TM turn on level（TNR＜104%）。TNR above TM turn on level（TNR＞100.2%）（燃料指令在投溫匹條件范圍內(nèi)）。Generator breaker（發(fā)電機(jī)已并網(wǎng)）。At Max Exhaust Temp for Temp Matching（排氣溫度在溫控線以下）。TNR outside IGV temp match range trip TM（（100.4-TNR）＜0.1）。

在DCS溫度匹配畫(huà)面溫度匹配溫升降速率設(shè)為0℃/s,溫度匹配溫度控制目標(biāo)值設(shè)定為燃機(jī)當(dāng)前排氣溫度，檢查燃機(jī)溫度匹配參數(shù)控制對(duì)話框內(nèi)溫度匹配設(shè)定值與溫度目標(biāo)值一致，溫度升降速率與溫度匹配速率設(shè)定值一致；在DCS溫度匹配畫(huà)面點(diǎn)擊“燃機(jī)溫度匹配切至DCS操作”按鈕將燃機(jī)溫度匹配控制權(quán)限切換至DCS，點(diǎn)擊“燃機(jī)溫度匹配投入”按鈕，檢查燃機(jī)溫度匹配功能投入。

在DCS溫度匹配畫(huà)面輸入溫度匹配溫升降速率,輸入溫度匹配排氣溫度目標(biāo)值，目標(biāo)值要求與燃機(jī)當(dāng)前排氣溫度偏差5～25℃范圍內(nèi)，檢查燃機(jī)排氣溫度自動(dòng)調(diào)整至目標(biāo)值，IGV角度、燃機(jī)負(fù)荷、火檢信號(hào)、燃機(jī)負(fù)荷、燃料閥、排氣溫度、燃燒脈動(dòng)自動(dòng)調(diào)整正常；當(dāng)燃機(jī)排氣溫度達(dá)到設(shè)定值后，在溫度匹配設(shè)定對(duì)話框內(nèi)繼續(xù)降低設(shè)定溫度，排氣溫度可以最低至700℉（371℃），檢查燃機(jī)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定；調(diào)整機(jī)組主汽壓力、主汽溫度，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)條件滿足，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)。

根據(jù)汽機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程缸溫、脹差變化，在汽機(jī)暖機(jī)過(guò)程中逐步提高主汽溫度，過(guò)熱器減溫水和溫度匹配功能配合使用，優(yōu)先通過(guò)在燃機(jī)溫度匹配參數(shù)控制對(duì)話框內(nèi)設(shè)定溫度來(lái)提高排氣溫度，保持主汽溫度與汽機(jī)缸溫溫度差在100℃左右，主蒸汽溫度升速率保持在1℃/min左右，同時(shí)參考機(jī)組振動(dòng)、絕對(duì)膨脹、低壓缸脹差，只要絕對(duì)膨脹穩(wěn)步升高，脹差有向正方向變化趨勢(shì)時(shí)可加快溫度設(shè)定進(jìn)行暖機(jī)完成正常并網(wǎng)帶負(fù)荷；當(dāng)燃機(jī)負(fù)荷和排氣溫度恢復(fù)至投溫匹前狀態(tài)，依次點(diǎn)擊“燃機(jī)溫度匹配退出”、“燃機(jī)溫度匹配切至TCS操作”按鈕，退出燃機(jī)溫度匹配功能，燃機(jī)投入預(yù)選負(fù)荷控制模式，根據(jù)機(jī)組啟動(dòng)曲線手動(dòng)控制機(jī)組升負(fù)荷速率，提高燃機(jī)排氣溫度。

3 運(yùn)行優(yōu)化

3.1 縮短機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間

某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)機(jī)組啟動(dòng)一直采用燃機(jī)全速空載后待蒸汽參數(shù)達(dá)到汽機(jī)沖轉(zhuǎn)要求（主汽溫350℃），汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至3000r/min后，先燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后汽機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的方式(啟動(dòng)方式①)。圖1中啟動(dòng)方式②機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)采用燃機(jī)全速空載后，燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶5MW初始負(fù)荷后待蒸汽參數(shù)達(dá)到汽機(jī)沖轉(zhuǎn)要求（主汽溫405℃），汽機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)帶負(fù)荷。

圖1中啟動(dòng)方式③機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)首次投運(yùn)燃機(jī)溫度匹配功能，燃機(jī)并網(wǎng)后帶10MW投入溫度匹配功能使燃機(jī)排氣溫度由535℃降至380℃使蒸汽參數(shù)滿足汽機(jī)沖轉(zhuǎn)要求（主汽溫328℃）。由于首次投運(yùn)溫匹功能，燃機(jī)并網(wǎng)、投溫匹準(zhǔn)備及溫匹操作調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)組整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間未明顯縮短，但由于汽機(jī)暖機(jī)過(guò)程中燃機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，較之前冷態(tài)啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性大幅升高。圖1中啟動(dòng)方式④為燃機(jī)投用溫度匹配運(yùn)行方式優(yōu)化后機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)（主汽溫320℃），由圖表數(shù)據(jù)可知該機(jī)組啟動(dòng)燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)令至汽機(jī)沖轉(zhuǎn)耗時(shí)64分鐘、汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至并網(wǎng)耗時(shí)75分鐘，較③機(jī)組啟動(dòng)（第一次投溫匹）分別縮短36、20分鐘，較①機(jī)組啟動(dòng)（未投溫匹）分別縮短25、72分鐘。

由圖1所示，機(jī)組原冷態(tài)啟動(dòng)從燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)令至燃機(jī)帶10MW負(fù)荷，汽機(jī)并網(wǎng)跟隨方式時(shí)間基本一致，均歷時(shí)約4小時(shí)。自投運(yùn)燃機(jī)溫度匹配后啟動(dòng)方式優(yōu)化，啟動(dòng)時(shí)間縮短至2.5小時(shí)。

圖1 機(jī)組四種啟動(dòng)方式耗時(shí)

3.2 提高機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性

由圖1可以看出，投入溫匹后由于燃機(jī)發(fā)電機(jī)提前并網(wǎng)，燃機(jī)多發(fā)電約200min,按啟機(jī)方式④計(jì)算機(jī)組啟動(dòng)耗用天然氣2萬(wàn)立方米，燃機(jī)發(fā)電約13MWh，上網(wǎng)電價(jià)按0.5元計(jì)算：13000×0.5=6500元。啟機(jī)方式①計(jì)算機(jī)組啟動(dòng)耗用天然氣3.2萬(wàn)立方米，天然氣少耗1.2萬(wàn)方米，天然氣按每立方米2.5元計(jì)算：12000×2.5=30000元。所以單臺(tái)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)投溫匹運(yùn)行方式優(yōu)化后約產(chǎn)生效益6500+30000=36500元；按照兩臺(tái)機(jī)組年啟動(dòng)40次計(jì)算：36500×40=1460000元；以上經(jīng)濟(jì)效益僅考慮多發(fā)電量及少用天然氣產(chǎn)生的效益，還未考慮啟動(dòng)時(shí)間減少后節(jié)水、節(jié)電、節(jié)熱的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 減少汽機(jī)沖轉(zhuǎn)熱沖擊

燃機(jī)溫度匹配投運(yùn)后汽機(jī)沖轉(zhuǎn)主汽溫進(jìn)一步降低，縮小了主汽溫度與缸溫偏差，減小汽機(jī)熱應(yīng)力，有利于汽機(jī)壽命延長(zhǎng)?？s短汽機(jī)沖轉(zhuǎn)暖機(jī)時(shí)間，將汽機(jī)空轉(zhuǎn)暖機(jī)優(yōu)化為帶低負(fù)荷暖機(jī)、增加暖機(jī)效果，進(jìn)一步提升機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性。

3.4 滿足汽機(jī)滑參數(shù)停機(jī)要求

燃?xì)廨啓C(jī)降負(fù)荷時(shí)，當(dāng)負(fù)荷低至25%以下燃機(jī)排氣溫度會(huì)快速下降，操作人員無(wú)法通過(guò)控制燃機(jī)負(fù)荷精準(zhǔn)控制燃機(jī)排氣溫度，并且如表1所示，燃機(jī)降至最低負(fù)荷時(shí)燃機(jī)排氣溫度依然較高，主汽溫最低降至400℃，無(wú)法滿足汽機(jī)進(jìn)一步滑參數(shù)停機(jī)要求?；瑓?shù)停機(jī)過(guò)程中當(dāng)燃機(jī)負(fù)荷降至25%負(fù)荷以下時(shí)投運(yùn)燃機(jī)溫度匹配功能，控制主蒸汽按照一定降溫降壓速率逐步精準(zhǔn)降低燃機(jī)排氣溫度，最終將主汽溫降低至320℃，縮短機(jī)組停運(yùn)后汽機(jī)自然冷卻及檢修時(shí)間。

綜上，在6F級(jí)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)投入燃機(jī)溫度匹配功能，不僅可以有效縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間1.5小時(shí)，并且單次單機(jī)可以節(jié)約近4萬(wàn)元啟動(dòng)費(fèi)用，機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性大幅提升，同時(shí)汽機(jī)暖機(jī)時(shí)間縮短，沖轉(zhuǎn)參數(shù)降低有利于減少汽機(jī)熱應(yīng)力，延長(zhǎng)機(jī)組壽命。6F級(jí)燃機(jī)溫度匹配功能適合在所有燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中推廣使用，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。