雙軸E級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)

彭 輝，于 強(qiáng)

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

由東汽引進(jìn)三菱技術(shù)生產(chǎn)的首臺(tái)雙軸E級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，商業(yè)運(yùn)行前根據(jù)電網(wǎng)的要求進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，評(píng)價(jià)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的控制能力，實(shí)測(cè)雙軸燃機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[1]。為完成首臺(tái)雙軸E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的甩負(fù)荷試驗(yàn)，以東汽M701D型燃機(jī)為研究對(duì)象，與單軸燃機(jī)、亞臨界汽包爐機(jī)組作比較，分析機(jī)組甩負(fù)荷的差異，為制定燃機(jī)甩負(fù)荷控制策略提供了重要依據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)計(jì)算得出機(jī)組甩負(fù)荷的主要參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為同類(lèi)型機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)提供參考。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某廠2×220 MW燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程是依托國(guó)家“川氣東送”在江蘇省的重要配套項(xiàng)目。燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GT）為東汽供貨引進(jìn)三菱技術(shù)生產(chǎn)的M701D型燃機(jī)，燃用天然氣，額定出力為140.3 MW，排氣溫度為534.7℃；汽輪機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ST)為東汽供貨的D78B型號(hào)高壓、單缸、雙壓、無(wú)再熱、下排汽、單軸抽汽凝汽式供熱機(jī)組，發(fā)電出力為62.29MW，供熱出力為58.46 MW，高壓進(jìn)汽參數(shù)為7.135 MPa（a）/515.4℃/210 t/h，低壓進(jìn)汽參數(shù)為0.399 MPa（a）/270.3℃/47.52 t/h；余熱鍋爐采用杭州鍋爐有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為NG-M701D-R1的高壓或次高壓蒸汽參數(shù)、雙壓、自然循環(huán)、臥式布置余熱鍋爐；燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）隨三菱燃機(jī)配供，采用三菱重工的DIASYS系統(tǒng)；DCS采用ABB公司的SYMPHONY系統(tǒng)。

燃機(jī)部分由19級(jí)的壓氣機(jī)，18個(gè)預(yù)混式低NOx燃燒器和4級(jí)透平組成，燃燒室為環(huán)管型燃燒室，由18個(gè)預(yù)混式低NOx燃燒器組成，每個(gè)預(yù)混式低NOx燃燒器由8個(gè)主噴嘴和1個(gè)位于中心部位的值班噴嘴組成。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生壓縮空氣在燃燒器內(nèi)與己被處理過(guò)的天然氣混合并點(diǎn)火，被壓縮和加熱后的混合氣體膨脹通過(guò)燃?xì)馔钙阶龉Γ徊糠帜芰坑糜隍?qū)動(dòng)壓氣機(jī)，而其余部分能量用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，膨脹后的氣體則通過(guò)余熱鍋爐從主煙囪排入大氣，由余熱鍋爐產(chǎn)生的兩段過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。燃機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷由燃料控制閥控制，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷由2個(gè)高壓調(diào)門(mén)、1個(gè)低壓調(diào)門(mén)控制。為方便啟動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了100%容量的高低壓旁路均直接排至凝汽器[2]。

2 雙軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷特點(diǎn)

2.1 與9F單軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組比較

9F單軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)在同一軸線上，驅(qū)動(dòng)同一發(fā)電機(jī)，甩負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)退出控制，主汽門(mén)與調(diào)門(mén)同時(shí)關(guān)閉，僅靠燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力維持機(jī)組3000 r/min；雙軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)，主燃料閥瞬間大幅關(guān)小，巨大的能量瞬間失去，燃?xì)廨啓C(jī)維持空負(fù)荷轉(zhuǎn)速時(shí)排氣溫度迅速下降，快速冷卻余熱鍋爐，汽機(jī)側(cè)的蒸汽參數(shù)急劇下降，需立即手動(dòng)快速降低汽輪機(jī)組負(fù)荷，同時(shí)調(diào)整旁路來(lái)逐步停止汽機(jī)，必要時(shí)打閘停機(jī)以保證汽輪機(jī)安全，所以雙軸燃機(jī)只能分別進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)的甩負(fù)荷試驗(yàn)。從廠家提供的的停機(jī)曲線，如圖1所示。燃?xì)廨啓C(jī)從滿負(fù)荷到空負(fù)荷，排氣溫度從530℃降低到280℃左右，余熱鍋爐提供的蒸汽參數(shù)無(wú)法維持汽輪機(jī)空轉(zhuǎn)。

圖1 M701D型燃機(jī)停機(jī)曲線

2.2 與燃煤汽包爐比較

（1）燃煤汽包爐甩負(fù)荷時(shí)，由于汽包爐具有較大的蓄熱量，試驗(yàn)時(shí)控制好汽包水位和油槍的進(jìn)油量[3]，維持汽溫不劇烈變化即滿足試驗(yàn)要求。

（2）雙軸燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，既要滿足鍋爐安全門(mén)不動(dòng)作，高壓旁路的開(kāi)啟又要保證凝汽器的安全，需及時(shí)調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)的排氣量，降低燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷，同時(shí)滿足汽輪機(jī)主汽門(mén)前汽溫降幅不大于50℃，需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷、排氣溫度與蒸汽溫度變化關(guān)系的試驗(yàn)，確定甩負(fù)荷時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的對(duì)應(yīng)負(fù)荷。

通過(guò)試驗(yàn)，本機(jī)組增加“汽機(jī)甩負(fù)荷動(dòng)作時(shí)，燃機(jī)快速減負(fù)荷至70 MW，速率為140 MW/min”的邏輯。同時(shí)為防止低壓蒸汽超壓，提高汽輪機(jī)控制轉(zhuǎn)速的能力，采用全開(kāi)低壓旁路對(duì)低壓蒸汽回路泄壓，低壓調(diào)門(mén)關(guān)閉后不再參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2.3 與單純的汽輪機(jī)比較

與汽輪機(jī)瞬間關(guān)閉進(jìn)汽調(diào)門(mén)不同，燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)控制最小燃料量以維持燃機(jī)不熄火不跳機(jī)。為保持燃機(jī)空負(fù)荷定速運(yùn)行，主燃料閥瞬間大幅關(guān)小，這會(huì)造成燃機(jī)熄火或者燃燒壓力波動(dòng)過(guò)大等情況，導(dǎo)致燃機(jī)出現(xiàn)安全隱患，因此需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出最小控制信號(hào)輸出（CSO）限定值。在甩負(fù)荷試驗(yàn)期間，還應(yīng)安排專(zhuān)人進(jìn)行燃機(jī)熄火及壓力波動(dòng)的監(jiān)視。

甩負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)直接關(guān)閉調(diào)門(mén)阻止蒸汽進(jìn)汽，轉(zhuǎn)子最大加速度出現(xiàn)在調(diào)門(mén)開(kāi)始關(guān)閉的瞬間，調(diào)門(mén)關(guān)閉后主要是中間容積蒸汽推動(dòng)轉(zhuǎn)速爬升[4]；燃?xì)廨啓C(jī)是直接降低燃料量至最小值，待轉(zhuǎn)速下降后再開(kāi)啟燃料控制閥維持空負(fù)荷轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子最大加速度出現(xiàn)在燃料控制閥開(kāi)始關(guān)閉的瞬間。由于一直有最低燃料量維持，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的飛升值較汽輪機(jī)大的多，通常接近3300 r/min，控制不好更容易引起超速保護(hù)動(dòng)作。

3 甩負(fù)荷試驗(yàn)情況

3.1 汽機(jī)甩負(fù)荷

2011年11月24日進(jìn)行汽機(jī)100%甩負(fù)荷，按下電氣“緊急停機(jī)”按鈕，聯(lián)跳發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)、滅磁開(kāi)關(guān)，甩掉全部電負(fù)荷，功率負(fù)荷預(yù)測(cè)功能作用，迅速關(guān)閉高低壓調(diào)門(mén)，旋轉(zhuǎn)隔板，甩負(fù)荷后汽機(jī)轉(zhuǎn)速飛升至3112 r/min，3 s后轉(zhuǎn)速3060 r/min時(shí)高壓調(diào)門(mén)開(kāi)啟，超速保護(hù)裝置（OPC）動(dòng)作1次后機(jī)組轉(zhuǎn)速緩慢穩(wěn)定在3000 r/min左右，燃機(jī)快速降至70 MW。甩負(fù)荷時(shí)前后主要參數(shù)如表1所示，汽輪機(jī)甩負(fù)荷曲線如圖2所示。

根據(jù)圖 2 計(jì)算出動(dòng)態(tài)超調(diào)量：Ф=（nmax－n0）/n0×100%=（3113－3000）/3000×100%=3.7%， 且 Ф ＜5%，該值滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)前后主要參數(shù)值

圖2 汽輪機(jī)甩負(fù)荷曲線（最高飛升轉(zhuǎn)速3112 r/min）

3.2 燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷

2011年11月24日，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)100%甩負(fù)荷，甩負(fù)荷動(dòng)作后燃料控制閥門(mén)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖3所示。CSO與主要閥門(mén)的變化值，如表2所示。

圖3 甩負(fù)荷后燃料控制閥隨轉(zhuǎn)速變化的曲線

表2 甩負(fù)荷前后各主要閥門(mén)變化

燃?xì)廨啓C(jī)閥門(mén)迅速關(guān)小維持最小CSO，經(jīng)過(guò)5.850 s轉(zhuǎn)速飛升到最大值3294 r/min后緩慢下降，約50 s后主燃料流量閥逐步開(kāi)啟，維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3000 r/min。汽機(jī)側(cè)由于主蒸汽溫度下降速度過(guò)快，手動(dòng)打閘停機(jī)。

3.3 燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷數(shù)據(jù)處理

通過(guò)對(duì)平滑處理后轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行微分處理，可得到加速度曲線，如圖4所示。從圖4中讀取最大加速度點(diǎn)和最高飛升速度點(diǎn)的數(shù)據(jù)如表3所示。轉(zhuǎn)子加速度最大值 a=183.7 （r·min-1）/s。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速的變化曲線及微分變換后加速度曲線

表3 燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速的變化曲線及微分變換后加速度曲線數(shù)據(jù)表

通過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)為：Ta=16.33 s，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=24384.7 kg·m2，此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與設(shè)計(jì)值基本接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）雙軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組由于燃機(jī)的特性，甩負(fù)荷試驗(yàn)只能分別進(jìn)行。

（2）甩負(fù)荷試驗(yàn)前需現(xiàn)場(chǎng)確定燃機(jī)的最低負(fù)荷范圍，以降低蒸汽壓力的波動(dòng)，防止鍋爐安全門(mén)動(dòng)作，同時(shí)滿足汽輪機(jī)甩負(fù)荷后蒸汽溫度的要求。

（3）由于燃機(jī)中間容積相對(duì)的較大，甩負(fù)荷后飛升速度高，超速保護(hù)且宜臨時(shí)設(shè)置在3300 r/min以上。

[1]DL/T 5437—2009.火力發(fā)電建設(shè)工程啟動(dòng)試運(yùn)及驗(yàn)收規(guī)程[S].

[2]DL／T711—1999.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗(yàn)導(dǎo)則[S].

[3]田 豐.國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51（3）.

[4]薛江濤，彭 輝.660 MW超超臨界機(jī)組甩負(fù)荷快速并網(wǎng)試驗(yàn)策略研究[J].江蘇電機(jī)工程，2010，29（6）：71-73.