單軸燃氣蒸汽聯合循環機組快速啟動中的煙溫與汽溫匹配策略優化

大唐萬寧天然氣發電有限責任公司 江 彬 李 杰 吳占元 王 典 西安益通熱工技術服務有限責任公司 趙偉剛

西安熱工研究院有限公司 陳志剛 王 林

1 機組簡介

某電廠擴建工程6號機組采用上海電氣制造的安薩爾多AE94.3A型9F級改進型燃氣-蒸汽聯合循環、一拖一單軸、帶SSS離合器的純凝發電機組。該項目具有啟停靈活、低碳環保、清潔高效等優點[1-3]，單套機組標準工況下出力為475MW。機組DCS和TCS控制系統均采用ABB（S+）系統。某燃機電廠采用上海電氣安薩爾多AE94.3A型9F級改進型燃氣蒸汽聯合循環、一拖一單軸帶SSS離合器純凝發電機組。余熱鍋爐采用杭州鍋爐股份有限公司制造的三壓、再熱、臥式、無補燃、自除氧、自然循環汽包鍋爐，過熱和再熱蒸汽系統分別采用兩級噴水減溫控制末級蒸汽溫度。

2 快速啟動面臨的問題

燃機運行最低煙溫受環境溫度影響較大，夏季冷態啟動時會因燃機煙溫過高造成余熱鍋爐急劇升溫，若降低煙溫會導致燃機燃燒不穩甚至逆功率解列[4-6]；若抬高煙溫，極易造成余熱鍋爐過熱面瞬間超溫受損。根據汽輪機冷態啟動曲線需要主蒸汽溫度在390℃，因此需要鍋爐過熱器出口蒸汽溫度從480～500℃降低至390～420℃后才能進行機組聯循啟動[7-9]。

2.1 煙氣溫度上升過快余熱鍋爐減溫噴水余量不足

夏季工況，燃機并網帶初負荷后面臨排煙溫度無法降低，導致余熱鍋爐無法有效減溫。因啟動初期余熱鍋爐蒸發量受限于旁路容量特別是中旁容量。蒸汽流量不足導致過熱減溫水極易達到噴水后蒸汽溫度臨近飽和態而閉鎖增的限值，導致余熱鍋爐減溫噴水無法有效降低過熱蒸汽溫度[10]。

2.2 余熱鍋爐出口蒸汽溫度與汽輪機需求蒸汽溫度不匹配

汽輪機在冷態或溫態啟動時，因需求蒸汽溫度較低且金屬應力需求的暖機時間較長，導致旁路系統無法維持匹配的主汽壓力和主汽溫度，實操中主汽溫度遠超汽輪機推薦沖轉參數，汽輪機進汽量受限金屬應力，導致無法有效暖機進而延長了聯合循環機組聯循啟動時間。

2.3 中壓旁路余量不足導致中壓缸升負荷裕度不足

機組啟動過程中，若燃機煙溫無法有效降低，就需要旁路系統配合增大余熱鍋爐蒸發量來延緩主汽溫度上升過快，這導致沖轉壓力與需求蒸汽溫度的嚴重錯配，為了合適的汽輪機沖轉壓力則需要降低主汽壓力，在汽輪機沖轉后在中速暖機時，因高旁為降低沖轉壓力而開大旁路流量，造成再熱壓力升高并直至中旁全開而無調節余量。存在高壓缸排汽溫度受限于再熱壓力過高無法及時排出，進而鼓風損失加大排汽溫度快速升高；高壓缸進汽量遠大于中壓缸進汽量，在汽輪機維持轉速前提下導致中壓調閥關小進而中壓缸暖缸效果進一步惡化。

3 機組控制策略優化

3.1 燃機最低負荷動態下限控制

冷態啟動時，燃機并網后先按照15MW/min速率快速升到30MW，等待余熱鍋爐升壓和旁路暖管；隨后在余熱鍋爐和汽輪機升速率限制下緩慢增加負荷，直至達到運行預設的燃機期望負荷，這時溫控回路自動閉鎖最低燃機排煙溫度設定值。汽輪機低速暖機過程中隨著推薦主汽溫度折算排煙期望溫度的升高大于最低限制后，燃機繼續增大負荷，低速暖機完成后，在汽輪機嚙合瞬間會因實發功率大于設定負荷進而退出溫控模式轉為負荷控制模式，這時溫控回路自動鎖定當前煙溫，在負荷逐步增加排煙溫度大于鎖定溫度時，重新進入溫控回路。隨著汽輪機流量增加，旁路逐步關閉，進而進入聯合循環模式，溫控回路煙氣設定值自動切為650℃，OTC退出。隨著系統變負荷裕度的逐步增加，負荷逐步升高直至達到滿負荷。

3.2 燃機排煙溫度隨動控制

溫態啟動和熱態啟動過程類似冷態啟動過程，溫控回路增加的汽輪機推薦溫度折算煙氣溫度，可在汽輪機嚙合前更好匹配汽輪機需求而不至于使燃機出力增加過多，在汽輪機嚙合后鎖定煙溫可以更好匹配汽輪機裕度需求以及旁路的更快關閉，更加節能和更快達到機組聯循。該過程重點是在余熱鍋爐啟動過程，溫控回路了兼顧高壓汽包上下管壁溫升速率；在聯循運行且IGV未開的煙溫快升階段，需要關注過熱蒸汽溫度升高速率以及過熱一減減溫水調閥狀態。

在燃機啟動過程中，燃機負荷50～80MW階段，IGV雖在全關位但是開啟角度會增大，雖然排煙溫度不變，燃機負荷會增加。燃機煙氣量會增加較快，需要關注余熱鍋爐升溫速率和升壓速率。

協調送至燃機排煙溫度設定主要有三部分構成，分別是汽輪機當前裕度需求排煙溫度、余熱鍋爐壁溫及汽包裕度計算的需求煙氣溫度、燃機IGV設定排煙溫度，三者小選后與設定的最低燃機排煙溫度做大選，經過汽機溫升、余熱鍋爐溫升和余熱鍋爐壓升的速率限制后，才送至燃機進而控制其燃料閥變化，達到燃機實時響應余熱鍋爐和汽輪機裕度變化的目的。

3.3 主汽溫度控制策略

在機組啟動過程中，過熱減溫水以控制汽輪機推薦需求主汽溫度為：主并兼顧噴水后過熱度不低于限制為安全低限，若過熱減溫水噴水后過熱度低于13℃快關隔離閥后，同步快關減溫調閥，但是保持其在自動位置并畫面報警提醒運行注意。實現最大限度的自動避免增加運行操作強度。

機組熱態或極熱態啟動時，較高的燃機負荷和較大的過熱蒸汽流量雖然延長了汽輪機聯合循環的時間，但是對于抑制過熱蒸汽管段超溫有較大好處，也有利于汽輪機裕度的快速增加和聯循后的快速增負荷。

實操中因旁路系統遠離汽輪機主汽門，導致旁路至汽輪機主汽門管路蒸汽流通不暢、溫升過慢，因此在高壓旁路未關前控制系統自動開啟汽輪機主汽門前疏水，同時根據主汽門前蒸汽溫度變化來動態修正末級過熱減溫噴水設定溫度，實現汽輪機主汽門前溫度的精確控制，達到汽輪機更加快速暖機溫度需求目的。

3.4 機組聯合循環啟動關鍵

一是燃機初負荷需與汽輪機初始轉子溫度匹配，為了燃機穩定燃燒原則上燃機負荷不小于15MW；二是為了縮短聯合循環啟機時間，需在減溫水有余量前提下，提高燃機初負荷、同時兼顧中壓旁路容量及聯循后機組快速帶負荷能力；三是聯循啟動過程中，溫控回路需要動態匹配汽輪機初始狀態，冷態對應低負荷、熱態對應高負荷，實現燃機負荷及溫度控制的平穩及經濟性；四是汽輪機嚙合后，旁路快速關閉后需兼顧避免過熱蒸汽超溫，均衡蒸汽流量與煙氣能量之間的平衡；五是機組聯循后，燃機增大出力受限于余熱鍋爐汽包上下壁溫升、蒸汽壓升以及汽輪機熱裕度的限制，縮短汽輪機熱裕度限制是縮短啟動時間的關鍵；六是機組聯循升負荷過程中，過熱蒸汽溫度的控制至關重要，減小煙溫升速率、提高蒸汽流量、維持減溫噴水量三者需要綜合權衡。

3.5 機組聯合循環溫度匹配主要改造

一是機組聯循協調初負荷由12MW增加為42MW，對應協調負荷指令至燃機負荷由8MW增加為28MW。燃機并網后，燃機以15MW/min速率升負荷；二是協調畫面增加燃機進入溫控的人機接口，只有燃機負荷大于9MW并維持不少于1min后，燃機才能進入溫控模式；三是協調溫控回路增加初負荷最低煙溫限制，在燃機進入溫控后，自動鎖定當前負荷下燃機排煙溫度，確保在整個啟動過程中，燃機負荷不低于鎖定的煙溫值，避免燃機逆功率和負荷頻繁波動；四是協調溫控回路增加汽輪機推薦溫度+50℃偏置，作為燃機小選溫度，動態匹配汽輪機在溫態或熱態時需求燃機溫度，在汽輪機嚙合后該回路自動退出；五是改造汽輪機嚙合后閉鎖燃機煙溫回路，通過鎖定燃機排氣段和擴散段煙溫高值作為溫控設定值，避免燃機負荷波動，快速推進旁路關閉進而進入聯合循環模式；六是改造過熱減溫控回路，抬高初始設定溫度、壓低高溫段設定溫度，強化噴水后過熱度控制并根據過熱度動態適配煙溫溫升前饋，配合聯循裕度速率限制達到過熱蒸汽不超溫的目的。

4 結論與評價

改造后控制策略在機組不同啟動狀態數據統計可知，機組冷態啟動時間由原來的315min縮短到255min，節省時間60min；溫態啟動時間由原來的160min縮短到110min，節省時間53min。實際啟動曲線如圖1和2所示。

圖1 改造前后機組冷態啟動曲線

圖2 改造前后機組溫態啟動曲線

針對機組啟動過程中煙氣溫度、余熱鍋爐和汽輪機蒸汽參數不匹配的問題。通過對余熱鍋爐汽溫控制、燃機最低負荷動態下限控制、燃機排煙溫度隨汽輪機需求蒸汽溫度控制等手動進行控制策略的動態調整，冷態啟動時間縮短了60min、溫態啟動時間縮短了53min。整體上實現了啟動過程全程自動，過熱器出口溫度平滑不超溫，汽包水位平穩無波動、汽輪機暖機時間可控的目的。