三菱M701F4型單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)的分析與探討

華能重慶兩江燃機(jī)電廠 劉印 蔣金希 胡鴻相

1 機(jī)組概述

某電廠新建工程1、2號機(jī)組采用國內(nèi)某主機(jī)制造廠引進(jìn)的日本三菱重工M701F4機(jī)型。汽輪機(jī)采用高壓、三缸、三壓、再熱、排汽、單軸抽汽凝汽式供熱機(jī)組。發(fā)電機(jī)為全氫冷旋轉(zhuǎn)無刷勵(lì)磁。余熱鍋爐采用東方日立鍋爐有限公司生產(chǎn)的臥式、無補(bǔ)燃、三壓、再熱、自然循環(huán)、露天布置余熱鍋爐。燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)采用同軸布置。每套機(jī)組在汽輪機(jī)純凝性能保證工況下發(fā)電功率467.340MW；機(jī)組供熱性能保證工況按汽輪機(jī)額定抽汽量225t/h、供汽參數(shù)1.0 MPa (a)/ 300℃設(shè)計(jì)，發(fā)電功率397.790MW，額定供熱能力185MW，最大抽汽量328 t/h，最大供熱能力270MW。

2 深度調(diào)峰的背景

目前全國電網(wǎng)負(fù)荷增量減緩，而火電機(jī)組裝機(jī)容量一直保持較大的增長量，特別是重慶地區(qū)更為突出。以重慶電網(wǎng)為例，每天的電網(wǎng)的峰谷差很大，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)大量的機(jī)組由于機(jī)組自身的種種原因只能最低帶負(fù)荷至50%額定負(fù)荷，這造成了網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組不得不停機(jī)保障電網(wǎng)順利度過低谷，再加上重慶電網(wǎng)在網(wǎng)的燃機(jī)電廠又被定義為調(diào)峰機(jī)組，因此更是每天雙機(jī)啟停調(diào)峰，以重慶電網(wǎng)在網(wǎng)的燃機(jī)電廠為例2016年重慶某燃機(jī)電廠雙機(jī)啟停達(dá)到347次，每次啟停都對機(jī)組性能指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)備健康都造成較大的負(fù)面作用，因此通過分析論證如果深度調(diào)峰能使機(jī)組在30%額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，減少機(jī)組啟停次數(shù)，保障了電網(wǎng)安全運(yùn)行且延長了機(jī)組壽命，更可以創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對目前形勢下日益經(jīng)營困難的電廠會有較大積極意義。

3 單軸聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)組深度調(diào)峰需要關(guān)注的問題

3.1 燃機(jī)燃燒參數(shù)的調(diào)整

三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)雖然在投產(chǎn)或者每次大修后都會對燃機(jī)進(jìn)行燃燒調(diào)整，正常最低負(fù)荷為50%額定負(fù)荷下運(yùn)行，但是由于深度調(diào)峰需要在30%燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)額定負(fù)荷下運(yùn)行（燃機(jī)負(fù)荷約80MW，汽機(jī)負(fù)荷約50MW），因此必須在30%燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)額定負(fù)荷工況下對燃機(jī)進(jìn)行全面的燃燒調(diào)整以保證機(jī)組從50%～30%額定負(fù)荷變化時(shí)的安全運(yùn)行燃燒穩(wěn)定，且還要盡可能考慮煙氣NOX，SO2等排放問題。因此，在做燃機(jī)燃燒調(diào)整時(shí)，對機(jī)組從50%～30%額定負(fù)荷變化進(jìn)行了燃燒調(diào)整，對各燃?xì)忾y參數(shù)進(jìn)行了重新優(yōu)化整定，經(jīng)過燃燒調(diào)整試驗(yàn)，修改了BPT溫度的報(bào)警和其主保護(hù)動(dòng)作值的函數(shù)曲線以及CLCSO的增益系數(shù)，重新整定各燃?xì)忾y的參數(shù)（如圖1，表1）。

3.2 汽輪機(jī)進(jìn)氣蒸汽品質(zhì)的控制與監(jiān)視

三菱M701F4單軸機(jī)組在機(jī)組原來最低50%額定負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)高、中、低壓調(diào)閥控制策略分別是高壓調(diào)閥控制高壓蒸汽壓力大于5.3MPa；中壓調(diào)閥控制中壓蒸汽壓力大于1.37 MPa;低壓調(diào)閥控制低壓蒸汽壓力大于0.25 MPa,正常運(yùn)行時(shí)由于燃機(jī)排煙熱量能保證鍋爐蒸汽品質(zhì)，所以高、中、低壓調(diào)閥都是保持全開狀態(tài)，深度調(diào)峰時(shí)燃機(jī)負(fù)荷會大幅度降低到80MW，燃機(jī)排煙熱量隨之降低得較多，從而影響高、中、低蒸汽品質(zhì)，因此，為了保證汽輪機(jī)運(yùn)行安全，防止蒸汽帶水對葉片造成極大地危害，必須對高、中、低蒸汽過熱度（蒸汽實(shí)際溫度減去當(dāng)前蒸汽壓力對應(yīng)的飽和溫度）不低于50℃以及燃?xì)廨啓C(jī)各個(gè)軸瓦的振動(dòng)變化趨勢進(jìn)行密切的監(jiān)視，如有異常立即采取緊急措施。經(jīng)過充分討論，制定要相關(guān)措施后，通過對機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)可以從圖3，圖4中看出：機(jī)組#1～#8軸承X、Y向振動(dòng)良好，高、中、低壓蒸汽壓力和溫度也在正常范圍內(nèi)，高、中、低壓調(diào)閥中只有高壓調(diào)閥控制高壓主蒸汽壓力在5.3 MPa從高負(fù)荷減負(fù)荷過程中關(guān)小至34%，其余中、低壓調(diào)閥都保持全開，高、中、低壓主蒸汽過熱度基本在50℃以上，過熱度余量較大，能為汽機(jī)安全運(yùn)行提供足夠的保證，因此對蒸汽品質(zhì)控制相關(guān)修改沒有必要進(jìn)行。

3.3 燃?xì)廨啓C(jī)TCA和FGH控制的問題

三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)的透平轉(zhuǎn)自冷卻空氣系統(tǒng)通過管殼式空氣冷卻器的換熱功能，利用余熱鍋爐高壓給水泵的水來冷卻燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)末級抽氣，然后將冷卻后再送回燃?xì)廨啓C(jī)對透平轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，該冷卻空氣就是“TCA”（Turbine Cooling Air），吸收了熱量的水直接進(jìn)入高壓汽包或凝汽器。由于熱量在整個(gè)循環(huán)過程中基本沒有損耗，因此大大提高了整個(gè)聯(lián)合循環(huán)的效率，但是如果余熱鍋爐高壓給水泵的來水量過小，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出口的空氣溫度將無法降低到設(shè)定值時(shí)，會有可能造成燃?xì)廨啓C(jī)透平轉(zhuǎn)子受高溫氧化和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，因此燃?xì)廨啓C(jī)的TCA流量低是作為機(jī)組主保護(hù)設(shè)定，在深度調(diào)峰由高負(fù)荷降低TCA流量由50%額定負(fù)荷時(shí)的的接近70T/H降低至47T/H,離主保護(hù)動(dòng)作值還有大量的余量(如圖5)，故三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)的透平轉(zhuǎn)子冷卻空氣系統(tǒng)（TCA）滿足深度調(diào)峰工況，無需優(yōu)化。

三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)（FGH）是中壓給水泵出口至FGH燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)加熱后再至低壓省煤器或凝汽器，如果燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)出現(xiàn)加熱中斷導(dǎo)致燃?xì)鉁囟认陆档犬惓Ｇ闆r，會導(dǎo)致機(jī)組觸發(fā)RB，甚至FGH入口流量低于燃機(jī)負(fù)荷所需流量還會觸發(fā)自動(dòng)停機(jī)，因此在做深度調(diào)峰試驗(yàn)時(shí)將負(fù)荷降至額定負(fù)荷30%的過程中，密切監(jiān)視了FGH燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)的中壓泵回水在至低壓省煤器和凝汽器之間切換情況和FGH流量和天然氣溫度的變化，直至最后試驗(yàn)完成后，天然氣溫度在200℃左右波動(dòng)，距離機(jī)組觸發(fā)RB值還有較大余量，F(xiàn)GH流量在20～30T/H之間波動(dòng)，距離自動(dòng)停機(jī)動(dòng)作的觸發(fā)值也還有一定余量（如圖3），因此三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)（FGH）滿足深度調(diào)峰工況，無需優(yōu)化。

表1 燃燒調(diào)整后的參數(shù)修改表和各燃?xì)忾y門參數(shù)設(shè)定值

圖1 燃燒調(diào)整后的參數(shù)修改表

3.4 煙氣排放

由于深度調(diào)峰，燃機(jī)負(fù)荷將減至到80MW左右，那么將會有一定量的不完全燃燒的CH4以及CO等氣體排出，經(jīng)過試驗(yàn)可以看出來（如圖6）NOX在深度調(diào)峰階段是在20 mg/Nm3～30 mg/Nm3波動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于環(huán)保要求的小于50 mg/Nm3的，符合環(huán)保對燃機(jī)電廠的要求；粉塵一直在0.4～0.5 mg/Nm3波動(dòng)，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于環(huán)保要求的5 mg/Nm3；CO由于不完全燃燒，在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷降到深度調(diào)峰目標(biāo)值后，基本上升至900 mg/Nm3左右，目前環(huán)保還沒有對CO進(jìn)行硬性要求，對深度調(diào)峰沒有負(fù)面影響。

然而煙囪出口SO2卻異常上升至84 mg/Nm3，環(huán)保對燃機(jī)電廠指標(biāo)為35 mg/Nm3，已經(jīng)大大超過環(huán)保規(guī)定的考核值。天然氣里面硫元素基本檢測不出來，卻在最后燃燒的煙氣中檢測出SO2測量值，經(jīng)過種種分析，找出原因是目前該SO2測量方式是非分散紅外吸收法，該方法就是用紅外光通過煙氣，煙氣中氣體成分對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關(guān)系服從郎伯-比爾吸收定律，通過光強(qiáng)的變化測出氣體的濃度。由于深度調(diào)峰時(shí)燃機(jī)負(fù)荷很低會存在一定量的CH4等不完全燃燒的氣體，而CH4和SO2吸收紅外波長基本雷同，因此造成深度調(diào)峰SO2測量值異常現(xiàn)象基本可以確定是由于CH4等不完全燃燒氣體成分引起測量裝置誤認(rèn)為是SO2濃度。由于目前SO2測量裝置基本都是非分散紅外法，均會在有其他干擾氣體存在的條件下引起誤差，經(jīng)過相關(guān)資料查詢，CH4和SO2對紫外光波長吸收不一樣，能避免CH4等不完全燃燒氣體引起的誤差，預(yù)計(jì)今年將會完成SO2測量裝置的改造，徹底解決深度調(diào)峰SO2測量值超標(biāo)問題，達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 深度調(diào)峰中燃?xì)廨啓C(jī)#1～#8軸承振動(dòng)測量值

圖4 深度調(diào)峰中燃?xì)廨啓C(jī)高、中、低壓閥門開度以及高、中、低壓蒸汽溫度和壓力測量值

3.5 一次調(diào)頻及負(fù)荷調(diào)節(jié)問題

3.5.1 一次調(diào)頻問題

三菱M701F4型燃機(jī)一次調(diào)頻投入條件需滿足4個(gè)條件(如圖7)：

（1）自動(dòng)負(fù)荷控制投入。

（2）燃機(jī)停機(jī)指令未發(fā)。

（3）燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)完成。

（4）發(fā)電機(jī)功率不能小于50%額定負(fù)荷（230MW）。

由于深度調(diào)峰機(jī)組負(fù)荷會低于50%，由于燃機(jī)本身性能特性，一次調(diào)頻將會退出運(yùn)行，那么電網(wǎng)是否允許燃機(jī)在一次調(diào)頻退出的情況下長周期深度調(diào)峰運(yùn)行，是需要協(xié)調(diào)解決的問題。

3.5.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)問題

三菱單軸M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際負(fù)荷等于燃機(jī)負(fù)荷加上汽機(jī)負(fù)荷，在深度調(diào)峰過程中，如果按照機(jī)組負(fù)荷按照電網(wǎng)要求不低于7000MW/MIN設(shè)定速率，同軸燃?xì)廨啓C(jī)的汽機(jī)負(fù)荷主要是余熱鍋爐的出力決定，而余熱鍋爐的出力由燃機(jī)排煙熱量決定，如果燃機(jī)負(fù)荷變化還是按照電網(wǎng)要求的設(shè)定速率，那么燃機(jī)負(fù)荷會很快下降，導(dǎo)致燃機(jī)排煙熱量下降很快，余熱鍋爐的蒸汽熱量也會快速下降，會造成汽機(jī)熱應(yīng)力變化過快，對汽機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，因此，深度調(diào)峰時(shí)機(jī)組負(fù)荷下降的速率設(shè)定為2000MW/MIN，那么必將滿足不了電網(wǎng)規(guī)定的7000MW/MIN速率的要求，這個(gè)也是需要和電網(wǎng)協(xié)調(diào)解決的問題。

表2 一臺機(jī)組每次啟停機(jī)主要能耗成本

圖5 深度調(diào)峰中TCA和FGH各測量值曲線

圖6 深度調(diào)峰中NOX以及SO2，CO等各測量值曲線

圖7 三菱M701F4型燃機(jī)一次調(diào)頻投入條件

4 燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際實(shí)行深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)分析

其中發(fā)電量是每次啟動(dòng)所能發(fā)出的電量是收入，可以得出一臺機(jī)組每次次啟停機(jī)成本計(jì)算公式為：成本=發(fā)電量-廠用電量-綜合廠用電量-耗氣量-EOH消耗量，由此得出冷態(tài)，溫態(tài)，熱態(tài)的啟動(dòng)費(fèi)用分別為12.54萬元，8.91萬元，7.66萬元。

2016年兩臺機(jī)組啟動(dòng)347次，如果實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，經(jīng)過對電力負(fù)荷市場預(yù)測，至少能減少50%的啟動(dòng)次數(shù)，由于是啟動(dòng)頻繁，機(jī)組一般處于熱態(tài)，那么2016年將節(jié)約成本約為（347次/2）×7.66萬元=1329.01萬元。

5 結(jié)論

通過這次機(jī)組的深度調(diào)峰試驗(yàn)，證明了三菱M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)最低負(fù)荷能從50%額定負(fù)荷降低至30%額定負(fù)荷安全運(yùn)行。

但是，同時(shí)還存在著在深度調(diào)峰至30%額定負(fù)荷時(shí)SO2測量裝置測量不準(zhǔn)而需要改造，電網(wǎng)要求的一次調(diào)頻是否投入以及AGC速率不滿足需要協(xié)調(diào)處理的問題。如果能解決好以上三個(gè)問題，那么將會在目前日趨嚴(yán)峻的電網(wǎng)負(fù)荷形勢下，讓三菱單軸M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)具有更好的靈活運(yùn)行方式，減少運(yùn)行成本，增加機(jī)組壽命，具有積極的推廣意義。

[1] 三菱重工-控制系統(tǒng)邏輯