余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度波動大的原因分析

薛志敏，曾 睿

(中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528437)

0 引言

所謂燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，就是將燃氣輪機循環(huán)和汽輪機循環(huán)組合成一個整體的熱力循環(huán)，并利用梯級能量提高整個熱力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)效率。壓氣機是S109FA燃氣輪機的關鍵組件，其作用是從周圍環(huán)境連續(xù)不斷地吸入空氣，并將空氣壓縮增壓后連續(xù)不斷地供給燃氣輪機燃燒室。由于國內(nèi)同類型機組壓氣機發(fā)生了幾起壓氣機葉片斷裂事故，造成了極大的經(jīng)濟損失和負面影響，為此某電廠在大修期間增加了壓氣機改造項目。

S109FA機組壓氣機改造后，該電廠機組在穩(wěn)定負荷260 MW加載至額定負荷390 MW的過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度波動偏大，出現(xiàn)溫度下降接近40℃的異常現(xiàn)象。該機組高壓過熱蒸汽溫度在改造前后的變化情況如表1所示。

表1 壓氣機改造前后高壓過熱蒸汽溫度變化

該聯(lián)合循環(huán)機組由穩(wěn)定負荷增至額定負荷時，其加載速率為20 MW/m in，耗時小于10 m in。若長期出現(xiàn)高壓過熱蒸汽溫度波動接近40 ℃的異常現(xiàn)象，將對汽輪機高壓缸金屬產(chǎn)生交變應力，影響設備壽命。按機務運行規(guī)程規(guī)定：余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度在10 m in內(nèi)下降超過50 ℃時，需要對機組進行緊急停機處理。在增大負荷的過程中，雖按設定值調(diào)整余熱鍋爐再熱蒸汽溫度，但汽輪機高壓主蒸汽、再熱蒸汽溫差大于15 ℃，從而觸發(fā)Mark Ⅵ控制系統(tǒng)發(fā)出汽輪機高壓主蒸汽、再熱蒸汽溫差大報警。

1 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制原理

該電廠S109FA機組余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計為一級減溫噴水調(diào)節(jié)，減溫器布置在一級高壓過熱器與二級高壓過熱器之間，采用串級控制方法，以高壓過熱蒸汽溫度作為被調(diào)量，以高壓過熱器減溫器后的溫度作為導前蒸汽溫度。

余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯如圖1所示。VALU=530是人為手動輸入高壓過熱蒸汽溫度控制值的最小值；余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度與SET=510及BIAS=10求和，說明高壓過熱蒸汽溫度控制最小值為520 ℃；VALU=565經(jīng)LOSELECT輸出，說明高壓過熱蒸汽溫度控制最大值為565 ℃。

圖1 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯

從機組啟動到帶額定負荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度達到額定溫度值。在負荷增大的過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設定值是壓氣機進口導葉(IGV)角度函數(shù)。當壓氣機進口導葉角度小于65°時，DCS控制系統(tǒng)鎖住高壓過熱蒸汽溫度控制人為輸入窗口，此時余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值只能接受自動控制輸入值；當壓氣機進口導葉角度大于70°時(IGV RESET)，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設定值已達到額定溫度設定值，此時DCS控制系統(tǒng)將激活高壓過熱蒸汽溫度控制人為輸入窗口，由運行操作員給定余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設定值。OUT PUT為高壓過熱蒸汽溫度控制值輸出，可控制高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥，以確保高壓過熱蒸汽溫度達到高壓過熱蒸汽溫度控制值。

當余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度隨著壓氣機進口導葉角度增大而變大時，若壓氣機進口導葉角度瞬間變化過大，將擾動高壓過熱蒸汽溫度的控制設定值。為防止發(fā)生此種情況，當壓氣機進口導葉角度瞬間變化過大時，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設定值將按一定變化速率變大。根據(jù)S109FA機組燃氣輪機排氣溫度的大小，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設定值應該大于510 ℃，且小于566 ℃。

余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設定值y與壓氣機進口導葉角度x的函數(shù)曲線如圖2所示。余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度折點的坐標數(shù)值，如表2所示。

圖2 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設定值與IGV角度關系

改造前，該電廠S109FA機組壓氣機IGV最小運行角為49°。結合圖2和表1，得知機組余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設定值的最小值為520 ℃，最大值為560 ℃。

表2 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度的折點坐標數(shù)值

2 高壓過熱蒸汽溫度波動偏大原因分析

壓氣機改造后，機組負荷在260 MW加載至額定負荷過程中，燃氣輪機排氣溫度受IGV溫控基準控制。在此過程中，壓氣機進口導葉(IGV)角度逐漸開大至全開84°，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制設定值也不斷增加至最大設定值560 ℃。理論上，隨著余熱鍋爐熱量的不斷增大和余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥的不斷關小，正常情況下應該不會出現(xiàn)余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度下降接近40 ℃的異常現(xiàn)象。

機組在穩(wěn)定負荷時，燃氣輪機排氣溫度為648.9 ℃。機組從穩(wěn)定負荷加載至額定負荷時，燃氣輪機排氣溫度受IGV溫控基準控制，結合S109FA機組在不同工況下的IGV溫控基準TTRXGV曲線得知：在相同壓氣機進氣溫度下，壓氣機等熵壓縮效率越高，燃氣輪機排氣溫度維持648.9 ℃的IGV角度區(qū)域越窄(部分負荷下)；改造后，壓氣機等熵壓縮效率略有增加，燃氣輪機排氣溫度維持648.9 ℃的IGV角度區(qū)域變窄(部分負荷下)。一般來說，在燃料(天然氣)成分基本不變的情況下，余熱鍋爐進口煙氣熱量由燃氣輪機排氣溫度來決定，即燃氣輪機排氣溫度的高低決定余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的高低。

改造后，在壓氣機進氣工況相同下，機組負荷從穩(wěn)定負荷加載至額定負荷過程中，燃氣輪機排氣溫度低于648.9 ℃，說明某個IGV角度下的余熱鍋爐煙氣熱量減小(較改造前），在高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥開度與高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯不變的情況下，造成機組在加載過程中出現(xiàn)余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度下降的現(xiàn)象。

結合改造前后折合流量與IGV角度的擬合關系曲線可以看出：在相同IGV角度下，壓氣機進氣流量較壓氣機改造前是增加的。改造前，機組負荷穩(wěn)定在260 MW時，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水流量一般約為27 t/h；改造后，機組負荷仍穩(wěn)定在260 MW時，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水流量約為30 t/h。

從壓氣機進氣空氣流量和余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水流量變化可知：在機組運行工況大致相同且負荷為260 MW的情況下，壓氣機改造后余熱鍋爐熱量是增加的；壓氣機改造前后，機組負荷加減載速率不變，均為20 MW/m in，壓氣機進口導葉(IGV)角度加減速率一致。改造后，機組從穩(wěn)定負荷260 MW加載至額定負荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度出現(xiàn)下降接近40 ℃的異常現(xiàn)象，與理論設計(即隨著S109FA機組負荷增加，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度應遞增)相反。

綜上所述，壓氣機改造后，燃氣輪機排氣溫度維持648.9 ℃的IGV角度區(qū)域變窄(部分負荷下)，且機組在穩(wěn)定負荷下鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水量增加，增強了減溫作用。機組從穩(wěn)定負荷260 MW加載至額定負荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值只與壓氣機進口導葉IGV角度有關，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥調(diào)整速率跟不上過熱蒸汽溫度控制值的要求，因此造成余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度上升滯后嚴重，出現(xiàn)了較大的減溫現(xiàn)象。

3 處理措施

基于上述對S109FA機組壓氣機改造后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度波動偏大的原因分析，現(xiàn)提出以下改進措施。

(1) 由于余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥的動作速率固定不變，需根據(jù)改造后的壓氣機流量、效率等性能參數(shù)重新設計選擇調(diào)節(jié)閥，以滿足余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度調(diào)整速率。這就需要停機檢修更換該調(diào)節(jié)閥，將增加機組的運行成本及時間成本。較現(xiàn)實的解決方法是：從分析余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯出發(fā)，結合改造前后的折合流量與IGV角度關系，修改余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯參數(shù)，以適應壓氣機改造后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的調(diào)整要求。

(2) 從修改余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯參數(shù)考慮，只要能確保改造后機組在穩(wěn)定負荷260 MW時，在相同運行工況下高壓過熱蒸汽的減溫水流量為27 t/h(與改造前一致)，即可解決余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度下降波動偏大問題。因此，需要修改改造后的余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)，提高改造后的余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值(在相同IGV角度下)。

根據(jù)余熱鍋爐高壓過熱器的換熱原理，結合減溫水的能量平衡，確定修改余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值。從機務運行規(guī)程得知：S109FA機組正常運行時，余熱鍋爐高熱過熱蒸汽溫度應保證在(565.5±8.3)℃范圍內(nèi)。因此，修改后的余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度最高設定值不允許超過573.8 ℃，且不允許低于557.2 ℃。修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設定值y與壓氣機進口導葉(IGV)角度x的函數(shù)曲線如圖3所示；修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度的折點坐標數(shù)值如表3所示。

圖3 修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設定值與IGV角度關系

表3 修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度的折點坐標數(shù)值

對比表2與表3可知，改造后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)在修改前后，其IGV開度從45°到64°區(qū)間的2段折線斜率分別為：修改前，第 1 段為 2.7 ℃/(°)，第 2 段為 1.67 ℃/(°)，高壓過熱蒸汽溫度最大設定值為560 ℃；修改后，第1 段為 3.5 ℃/(°)，第 2 段為 1.33 ℃/(°)，高壓過熱蒸汽溫度最大設定值為562 ℃。

余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)修改后，高壓過熱蒸汽溫度的變化情況如表4所示。

機組從穩(wěn)定負荷260 MW加載到額定負荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度谷值為548.2 ℃，在允許的波動范圍內(nèi)變化，保證了機組的安全經(jīng)濟運行。

表4 高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)修改前后高壓過熱蒸汽溫度變化

4 結束語

針對該電廠壓氣機改造后，S109FA機組從穩(wěn)定負荷加載到額定負荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度出現(xiàn)下降接近40 ℃的異常現(xiàn)象，根據(jù)余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制原理，結合IGV溫度控制基準曲線與壓氣機改造后壓氣機的性能參數(shù)變化，分析了高壓過熱蒸汽溫度下降波動偏大的原因，進而提出了修改高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯參數(shù)的解決方法，使高壓過熱蒸汽溫度變化在允許范圍內(nèi)，保證了機組的安全經(jīng)濟運行。

1 中國華電集團公司．大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術叢書．控制系統(tǒng)分冊[M]．北京：中國電力出版社，2009：162-163．

2 薛志敏．S109FA機組IGV溫控基準優(yōu)化的探討[J]．燃氣輪機發(fā)電技術，2013，15(3)：2-6.

3 薛志敏．S109FA燃氣輪機壓氣機改造后壓氣機性能分析[J]．燃氣輪機發(fā)電技術，2014，16(1)：14-18.

4 馬紅偉，鞏向偉，柴 林．鍋爐過熱蒸汽三級減溫器噴管斷裂原因分析及改進[J]．電力安全技術，2011，13(1)：43-44.