燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組冷、溫態(tài)暖機(jī)優(yōu)化

瞿虹劍，俞 衛(wèi)，邵 良，王 鑫

（華能上海燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200942）

華能上海石洞口燃機(jī)電廠安裝的3套燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，由西門子公司和上海電氣集團(tuán)聯(lián)合供貨，采用單軸“一拖一”布置形式（帶3S離合器）。西門子燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)為V94.3A型，輸出功率270MW。余熱鍋爐由上海電氣集團(tuán)引進(jìn)ALSTOM公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造，為三壓再熱、臥式布置、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)式。汽輪機(jī)由上海電氣集團(tuán)引進(jìn)西門子技術(shù)制造，額定功率135.8MW。機(jī)組DCS控制系統(tǒng)采用西門子公司的TELEPERM XP，燃機(jī)和汽輪機(jī)的控制和保護(hù)采用西門子SIMADYN-D和S-95保護(hù)裝置。

目前西門子所有燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組都采用汽機(jī)高壓缸啟動(dòng)的中速暖機(jī)模式，其特點(diǎn)是汽機(jī)啟動(dòng)過程中，燃機(jī)負(fù)荷、燃機(jī)排氣溫度、汽機(jī)主要蒸汽參數(shù)幾乎不變，都為高參數(shù)啟動(dòng)，這種單一的汽機(jī)啟動(dòng)模式結(jié)果造成汽機(jī)閥門截流嚴(yán)重和暖機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)等弊端，導(dǎo)致設(shè)備損耗大、冷態(tài)機(jī)組調(diào)峰性能差、暖機(jī)運(yùn)行節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性不足等問題，一直以來都是困擾國內(nèi)西門子9F型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的難題。

華能上海燃機(jī)電廠分析原燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的控制模式，根據(jù)燃機(jī)、汽機(jī)特性，詳細(xì)制定優(yōu)化原則、試驗(yàn)方案及試驗(yàn)步驟，利用啟機(jī)機(jī)會(huì)實(shí)施汽機(jī)中速暖機(jī)試驗(yàn)，摸索出了一套可行有效的汽機(jī)暖機(jī)新模式，實(shí)現(xiàn)了汽機(jī)暖機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)三種狀態(tài)下的不同暖機(jī)方式的復(fù)合模式，并實(shí)現(xiàn)了全過程的變參數(shù)控制及全過程的程控自動(dòng)，徹底消除了西門子關(guān)于汽機(jī)啟動(dòng)技術(shù)的弊端。

汽機(jī)啟動(dòng)暖機(jī)優(yōu)化主要參照石洞口燃機(jī)電廠燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)《運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》、《控制邏輯圖》；石洞口燃機(jī)電廠余熱鍋爐《運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》、《控制邏輯圖》；石洞口燃機(jī)電廠DCS系統(tǒng)《控制邏輯圖》等標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等進(jìn)行。

1 優(yōu)化目標(biāo)

（1）通過一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、觀察和分析機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，確定合適的汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的暖機(jī)參數(shù)。并確定燃機(jī)、汽機(jī)、余熱鍋爐保護(hù)控制的可靠性。

（2）對(duì)原西門子聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)與汽機(jī)控制回路進(jìn)行功能分析、找出其控制特點(diǎn)和不足之處，進(jìn)行控制邏輯修改和參數(shù)調(diào)整，并通過啟動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)2.3套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)最佳啟動(dòng)控制。

2 優(yōu)化原則

從安全性、經(jīng)濟(jì)性、調(diào)節(jié)品質(zhì)考慮，對(duì)優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)設(shè)置以下原則：

（1）對(duì)燃機(jī)與汽機(jī)的保護(hù)回路及邏輯定值不做任何修改

（2）對(duì)燃機(jī)帶部分負(fù)荷和基本負(fù)荷控制邏輯不做任何修改

（3）對(duì)影響燃機(jī)燃燒穩(wěn)定性的控制邏輯不做任何修改

（4）對(duì)汽機(jī)暖管和沖轉(zhuǎn)條件的X、Z準(zhǔn)則邏輯和參數(shù)不做任何修改

（5）對(duì)汽機(jī)各個(gè)狀態(tài)下的啟動(dòng)蒸汽溫度參數(shù)不做修改

（6）對(duì)影響汽機(jī)升速和暖機(jī)穩(wěn)定性的邏輯和參數(shù)不作修改

（7）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)疏水控制實(shí)施變參數(shù)控制

（8）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)負(fù)荷實(shí)施三段式復(fù)合控制

（9）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)各蒸汽參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換

（10）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)的主要蒸汽參數(shù)實(shí)施變參數(shù)控制

（11）汽機(jī)暖機(jī)各個(gè)階段的各調(diào)節(jié)器參數(shù)實(shí)現(xiàn)變參數(shù)控制

（12）整個(gè)汽機(jī)中速暖機(jī)至并網(wǎng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)程控控制

（13）運(yùn)行操作畫面不做任何修改，不增加任何手動(dòng)操作點(diǎn)

3 優(yōu)化步驟

依照優(yōu)化原則，保證優(yōu)化過程的安全性和正確性，科學(xué)實(shí)施以下步驟，實(shí)現(xiàn)汽機(jī)暖機(jī)各個(gè)階段的優(yōu)化控制。

（1）對(duì)原聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)負(fù)荷、OTC、IGV、冷卻風(fēng)、喘振等各個(gè)控制回路進(jìn)行功能分析、邏輯分析，確認(rèn)其匹配于汽機(jī)暖機(jī)各個(gè)階段的控制原理，以及其原控制方式的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（2）對(duì)原聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽機(jī)暖機(jī)負(fù)荷、蒸汽壓力、蒸汽溫度、高壓缸排汽壓力、高壓葉片壓力、高壓缸排氣溫度、高壓缸壓力比控制回路進(jìn)行功能分析、邏輯分析，確認(rèn)其聯(lián)合循環(huán)的汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)各個(gè)階段（暖機(jī)前、中速暖機(jī)、中速暖機(jī)至全速、燃機(jī)與汽機(jī)偶合、聯(lián)合循環(huán)建立）的控制原理。

（3）汽機(jī)啟動(dòng)暖機(jī)各個(gè)階段的應(yīng)力裕量（MARGIN）分析和掌握。精確理解汽機(jī)熱應(yīng)力控制邏輯，對(duì)汽機(jī)啟動(dòng)暖機(jī)各個(gè)階段的應(yīng)力裕量控制范圍定性分析，以確定汽機(jī)暖機(jī)和沖轉(zhuǎn)時(shí)燃機(jī)和汽機(jī)主要參數(shù)的控制范圍。

（4）分析和掌握原暖機(jī)控制方式的設(shè)計(jì)依據(jù)，找出控制點(diǎn)。通過一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，觀察和分析機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步確定汽機(jī)暖機(jī)特性。分析其原控制方式的設(shè)計(jì)依據(jù)，找出其控制方式的不足之處，在充分理解汽機(jī)運(yùn)行規(guī)程的基礎(chǔ)上，找出原控制方式切換的關(guān)鍵控制點(diǎn)及控制參數(shù)，為最終實(shí)現(xiàn)控制方式的無擾動(dòng)切換創(chuàng)造條件。

（5）在不改變聯(lián)合循環(huán)控制邏輯的基礎(chǔ)上，手動(dòng)調(diào)整燃機(jī)對(duì)應(yīng)于汽機(jī)暖機(jī)的主要控制參數(shù)（負(fù)荷、排氣溫度）后，實(shí)施冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)試驗(yàn)，分析暖機(jī)過程參數(shù)變化，確定燃機(jī)匹配參數(shù)。

（6）在不改變聯(lián)合循環(huán)控制邏輯的基礎(chǔ)上，手動(dòng)調(diào)整汽機(jī)暖機(jī)的主要控制參數(shù)（蒸汽壓力、溫度、過熱度）后，實(shí)施冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)試驗(yàn)，分析暖機(jī)過程參數(shù)變化，確定汽機(jī)暖機(jī)時(shí)汽機(jī)旁路、汽機(jī)調(diào)門、汽機(jī)疏水的控制參數(shù)。

（7）修改聯(lián)合循環(huán)控制邏輯，去除原汽機(jī)暖機(jī)的單一模式，實(shí)施汽機(jī)暖機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)3種狀態(tài)下的不同暖機(jī)方式的復(fù)合模式，并徹底修改聯(lián)合循環(huán)的燃機(jī)、汽機(jī)啟動(dòng)程控邏輯，做到理論上各種方式的全過程自動(dòng)無擾動(dòng)切換。

（8）進(jìn)行修改邏輯后的汽機(jī)暖機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中驗(yàn)證三種控制方式的全過程自動(dòng)無擾動(dòng)切換，完善各個(gè)切換點(diǎn)的控制參數(shù)，反復(fù)試驗(yàn)直至確認(rèn)無誤。

（9）在試驗(yàn)中進(jìn)一步調(diào)整各個(gè)控制階段的調(diào)節(jié)器參數(shù)，提高控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)汽機(jī)啟動(dòng)的快速穩(wěn)定控制。

（10）分析汽機(jī)啟動(dòng)過程中的各個(gè)額定參數(shù)的變化趨勢(shì)曲線，確認(rèn)其是否在汽機(jī)的熱應(yīng)力、熱保護(hù)定值范圍之內(nèi)，以便進(jìn)一步優(yōu)化控制參數(shù)。

4 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷、溫、熱態(tài)暖機(jī)控制原理

4.1 聯(lián)合循環(huán)暖機(jī)時(shí)燃機(jī)負(fù)荷、溫度指令處理

（1）汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令處理

汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令指汽機(jī)暖機(jī)前、中速暖機(jī)、汽機(jī)全速、汽機(jī)偶合后4階段的燃機(jī)負(fù)荷、排氣溫度的設(shè)定值，如圖1所示，西門子原設(shè)計(jì)其汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度具有以下特點(diǎn)：

圖1 汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令處理示意圖

1）負(fù)荷、溫度定值為常數(shù)，一般負(fù)荷定值為130MW，溫度定值為540℃，受環(huán)境溫度的修正夏天分別為140MW、550℃左右。

2）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值保持不變。

3）汽機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)的燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值與冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)相同。

4）其高參數(shù)啟動(dòng)設(shè)定值主要目的是降低汽機(jī)暖機(jī)過程中的煙氣中的NOx的含量，但也導(dǎo)致汽機(jī)閥門截流嚴(yán)重和暖機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)等弊端。

（2）汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度變化速率的自動(dòng)計(jì)算

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷變化速率主要取決于余熱鍋爐和汽輪機(jī)。由圖1中可知，機(jī)組負(fù)荷指令變化的有效速率是以下4個(gè)數(shù)值的小選值：

1）運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定的機(jī)組負(fù)荷變化速率。

2）根據(jù)汽輪機(jī)的應(yīng)力（溫度裕量）和煙氣溫度計(jì)算得出的允許變化速率（0～20MW／min）。

3）根據(jù)高壓汽包壁溫差和二級(jí)減溫進(jìn)口汽溫變化率計(jì)算得出的允許變化速率（0～20MW／min）。

4）根據(jù)高壓汽包壓力的變化率計(jì)算得出的允許變化率（0～20MW／min）。

為了進(jìn)一步說明汽輪機(jī)和余熱鍋爐對(duì)負(fù)荷變化速率的影響，相關(guān)參數(shù)變化幅值（速率）對(duì)允許負(fù)荷變化速率的影響見表1。當(dāng)允許速率為20 MW／min時(shí)，即表示在該幅值（速率）下的參數(shù)變化不影響變負(fù)荷速率；當(dāng)允許速率為13MW／min時(shí)，即表示幅值（速率）放大后負(fù)荷允許變化速率從不受限降低為13MW／min。

經(jīng)過速率處理后的負(fù)荷指令送給燃機(jī)后，燃機(jī)內(nèi)部也有速率限制，目前按照設(shè)計(jì)值該速率最快為13MW／min。

4.2 聯(lián)合循環(huán)暖機(jī)時(shí)汽機(jī)啟動(dòng)壓力指令處理

汽機(jī)啟動(dòng)壓力主要指汽機(jī)暖機(jī)前、中速暖機(jī)、汽機(jī)全速、汽機(jī)偶合后4階段的主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力的設(shè)定值，其定值用于汽機(jī)啟動(dòng)過程中各個(gè)階段的高、中壓旁路調(diào)門和汽機(jī)高、中壓調(diào)門的壓力控制，具有以下特點(diǎn)：

（1）汽機(jī)啟動(dòng)壓力定值為常數(shù)，一般主蒸汽壓力定值為8MPa，再熱蒸汽壓力定值為2MPa。

（2）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段蒸汽壓力定值保持不變。

（3）汽機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)的蒸汽壓力定值與冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)相同。

（4）汽機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后直至汽機(jī)調(diào)門開足前，蒸汽壓力仍然保持不變；當(dāng)汽機(jī)調(diào)門開足后，汽機(jī)處于隨動(dòng)的滑壓控制，壓力定值由高、中壓蒸汽流量的函數(shù)設(shè)定。

5 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷、溫、熱態(tài)暖機(jī)優(yōu)化控制原理

5.1 聯(lián)合循環(huán)暖機(jī)時(shí)燃機(jī)負(fù)荷、溫度指令優(yōu)化處理

汽機(jī)啟動(dòng)的負(fù)荷、溫度指令邏輯優(yōu)化在原控制的基礎(chǔ)上增加了（虛線框內(nèi)）汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度設(shè)定計(jì)算功能塊和汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)啟動(dòng)判斷功能塊，如圖2所示。

圖2 汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令優(yōu)化處理示意圖

（1）負(fù)荷、溫度定值實(shí)現(xiàn)三段式設(shè)定，切換三種對(duì)應(yīng)的冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的負(fù)荷、溫度定值；對(duì)應(yīng)三種狀態(tài)的參數(shù)為65MW／420℃、100MW／500℃、130MW／540℃左右，當(dāng)然受環(huán)境溫度的修正。

（2）汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值為變負(fù)荷、溫度控制。

（3）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)負(fù)荷、溫度控制實(shí)現(xiàn)全過程程控自動(dòng)無擾動(dòng)切換。

5.2 聯(lián)合循環(huán)暖機(jī)時(shí)汽機(jī)啟動(dòng)壓力指令優(yōu)化處理

汽機(jī)啟動(dòng)壓力指令邏輯優(yōu)化在原控制的基礎(chǔ)上增加了（虛線框內(nèi)）汽機(jī)啟動(dòng)壓力設(shè)定計(jì)算功能塊和汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)啟動(dòng)判斷功能塊，如圖3所示。通過汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)啟動(dòng)判斷功能塊對(duì)壓力設(shè)定計(jì)算功能塊設(shè)置而具備以下功能：

（1）汽機(jī)啟動(dòng)壓力定值實(shí)現(xiàn)三段式設(shè)定，切換為三種對(duì)應(yīng)的冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的壓力定值，對(duì)應(yīng)三種狀態(tài)的參數(shù)為5、6.5、8MPa左右（高壓）。

（2）汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段壓力定值為變壓力定值控制。

圖3 汽機(jī)啟動(dòng)壓力指令優(yōu)化處理示意圖

（3）汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)各壓力參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)程控?zé)o擾動(dòng)切換。

6 汽機(jī)暖機(jī)優(yōu)化效果

（1）汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度定值三段式控制的實(shí)現(xiàn)使冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間至少減少一半以上，原冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間至少7h且暖機(jī)負(fù)荷減少一半，原冷態(tài)暖機(jī)負(fù)荷至少130MW，大大降低了機(jī)組氣耗。

（2）汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值變化功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步保證汽機(jī)暖機(jī)升速過程中汽缸、高中壓轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力有足夠的裕量，使汽機(jī)軸系振動(dòng)、位移等參數(shù)在合理范圍內(nèi)。

（3）溫態(tài)暖機(jī)時(shí)間不變，但暖機(jī)負(fù)荷減少50 MW，同樣降低了機(jī)組氣耗。

（4）汽機(jī)啟動(dòng)壓力定值三段式控制的實(shí)現(xiàn)使汽機(jī)冷態(tài)暖機(jī)階段的高壓調(diào)門開度增大到8%以上（原模式為2%），加快了高壓缸升溫速度并使調(diào)門節(jié)流大幅度降低。

（5）汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段壓力定值變化功能的實(shí)現(xiàn)使汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)各個(gè)階段的汽機(jī)旁路調(diào)門、汽機(jī)調(diào)門處于最佳控制點(diǎn)，徹底提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

（6）具體優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益說明（運(yùn)行提供）：經(jīng)濟(jì)效益的比較可以采取多種方法，這里所采取的方法是，當(dāng)以并網(wǎng)到聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷達(dá)到300MW為比較區(qū)間，新暖機(jī)方法所消耗的天然氣和時(shí)間都比西門子原始設(shè)計(jì)的方法少，但是，因?yàn)楹臅r(shí)長(zhǎng)，所以西門子原始方式下的冷態(tài)暖機(jī)累計(jì)電量是高于新暖機(jī)方法的。因此，以采取新暖機(jī)方法時(shí)，發(fā)電量達(dá)到原始暖機(jī)方式結(jié)束后機(jī)組出力上升到300MW時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)發(fā)電量為準(zhǔn)，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)，采用新方法暖機(jī)的天然氣消耗能夠減小的量計(jì)算公式為

總體經(jīng)濟(jì)效益=天然氣單價(jià)×［原始暖機(jī)耗氣-新暖機(jī)耗氣-（原始暖機(jī)電量-新暖機(jī)電量）／30×300MW時(shí)單位小時(shí)耗氣］

新、舊冷態(tài)暖機(jī)方式下的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 新舊冷態(tài)暖機(jī)方式下相關(guān)參數(shù)

按照前面所列計(jì)算方法，得到：

總體經(jīng)濟(jì)效益=2.39×［32.88-15.11-（98.52-37.69）／30×5.56］×104=15.45×104（元）

所以采用新的冷態(tài)啟動(dòng)方式，每次可比采用原始冷態(tài)啟動(dòng)方式節(jié)約15.45萬元。

2012年，電廠的冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)為22次，2011年為38次，平均為30次。按照每年平均冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)為30次計(jì)算，如果在80MW負(fù)荷進(jìn)行汽機(jī)冷態(tài)暖機(jī)，則可創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益約達(dá)463.5萬元。

7 結(jié)語

此次汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化的開發(fā)成功標(biāo)志著我廠在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)控制技術(shù)的自主開發(fā)上走向成熟，也標(biāo)志著節(jié)能減排工作進(jìn)入新階段，此技術(shù)目前處于國內(nèi)外燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)領(lǐng)先地位，此項(xiàng)目已獲華能2013年科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)和第四屆全國電力行業(yè)設(shè)備管理創(chuàng)新成果二等獎(jiǎng)。