某M701DA型燃氣-蒸汽聯合循環機組IGV開度優化調整

王才文

(江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇 常州 213011)

某M701DA型燃氣-蒸汽聯合循環機組IGV開度優化調整

王才文

(江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇 常州 213011)

針對某M701DA型燃氣-蒸汽聯合循環機組在部分負荷段燃氣輪機透平排氣溫度偏離溫控基準值過大，引起排氣溫度嚴重偏離余熱鍋爐最佳設計溫度工作點，進而影響整個機組聯合循環的熱效率，通過對壓氣機進口導葉(IGV)控制邏輯的分析，提出了IGV優化調整措施，提高了燃氣輪機的排氣溫度，最終達到降低燃氣輪機發電氣耗的目的。

壓氣機；IGV；優化調整；發電氣耗

0 引言

通常都希望燃氣-蒸汽聯合循環機組在設計工況下運行，以使機組獲得較高的熱效率，但實際上由于電網負載隨著外界需求的變化而變化，或燃氣輪機受制于天然氣量的原因等，機組不可能長期保持在基本負荷下運行。為了提高機組部分負荷工況下的聯合循環熱效率，隨著負荷的降低應逐漸關小壓氣機進口導葉(IGV)，減少進入壓氣機的空氣流量，盡量保持透平的燃氣初溫恒定不變或減少下降幅度，同時使燃氣輪機排氣溫度(EXH)接近余熱鍋爐最佳設計溫度工作點。

1 M701DA型燃氣輪機IGV控制系統

1.1IGV控制系統的工作概述

M701DA型燃氣輪機IGV的最小開度為37°，最大開度為0°。軸流壓氣機在低轉速工況下穩定運行工作范圍很窄，安全裕量較小，易發生喘振，造成壓氣機出口壓力產生很大的波動。因此燃氣輪機啟動命令發出后，IGV即打開至中間開度22°，保證有足夠的空氣流量；當燃氣輪機轉速≥2 730r/min時，壓氣機進氣量增大，IGV再關小至最小開度37°，同時關閉高、低壓防喘閥，防止壓氣機喘振。燃氣輪機并網帶負荷后，IGV保持關閉，以維持較高的燃氣輪機EXH。機組在ISO(環境溫度15 ℃、大氣壓力101.35kPa、大氣相對濕度60%)工況條件下運行時，當燃氣輪機負荷上升至≥77.5MW時，IGV逐漸開啟；燃氣輪機負荷至124.5MW時，IGV開度至最大0°。之后，即使燃氣輪機負荷增加，IGV開度保持不變。同樣當燃氣輪機負荷降至124.5MW以下時，IGV逐漸關小，負荷繼續降低至77.5MW時，IGV關小至37°，直至燃氣輪機轉速至0。M701DA燃氣輪機IGV典型控制時序如圖1所示[1]。

圖1 典型的IGV 控制時序

1.2 燃氣輪機負荷調節時的IGV控制

M701DA型燃氣輪機的燃燒器為逆流、環管形、帶旁路閥的預混干式低NOx燃燒室，燃燒室中裝有預混燃料噴嘴和穩燃燃料噴嘴，前者可改善燃料和空氣的混合均勻度，保持較低火焰溫度，有利于減少NOx的生成；后者可在低燃料量時保持火焰穩定。旁路閥調節燃燒室空氣量和燃燒室壓力波動，控制燃燒區內的燃料/空氣比。IGV開度發生變化時，不但會直接影響到壓氣機排氣壓力、燃氣輪機的EXH，還會影響燃燒室的壓力波動和煙氣NOx的排放。IGV的開度控制由2部分組成，第一部分由燃氣輪機負荷和壓氣機進氣溫度組成，作為IGV控制的前饋控制，其燃氣輪機負荷與IGV開度函數關系曲線如圖2所示。壓氣機進氣溫度作為IGV開度的修正因數來降低因環境溫度變化而引起的透平EXH的波動，IGV實際開度就需在燃機負荷與IGV開度函數關系的基準值上乘以修正因數，各溫度點的具體修正因數如圖3所示。

IGV第二部分控制由燃氣輪機EXH來作為IGV控制的閉環反饋控制，輸出為EXH的平均值與排氣溫度溫控基準值(EXRFE)之差經比例-積分控制器(PI)控制后輸出，EXRFE與壓氣機排氣壓力相對應，確保在一定的壓氣機排氣壓力下，維持透平EXH不超過EXRFE，來確保透平的進口溫度不超溫，壓氣機排氣壓力與燃氣輪機EXRFE曲線如圖4所示。

表1 各環境溫度下燃氣輪機負荷點的EXH裕度

圖2 燃氣輪機負荷與IGV開度函數曲線

圖3 壓氣機進氣溫度修正曲線

圖4 壓氣機排氣壓力與EXRFE曲線

燃氣輪機在啟動階段時，IGV的前饋控制起主要作用，因為一般燃氣輪機EXH都會在溫控基準線下方運行，EXH反饋控制的輸出為0，這樣可提高IGV響應速度和準確度。當燃氣輪機負荷逐漸升至124.5 MW時，IGV全開；燃氣輪機負荷若繼續升高，則燃氣輪機EXH升高；當燃氣輪機EXH與排氣基準溫度差<3 ℃時，IGV反饋控制輸出為1，燃氣輪機由轉速控制或負荷控制模式進入溫控模式控制，此時根據燃氣輪機的EXH來控制燃氣輪機的負荷，同時燃氣輪機負荷升速率也相應下降，從而確保燃氣輪機的EXH不超相對應的EXRFE。

2 M701DA型燃氣輪機IGV開度調整優化

2.1 IGV開度調整優化的背景

某M701DA機組的燃燒調整一般只在小修后才進行，而當地冬夏溫差大，為避免因EXH裕度(燃氣輪機透平EXH與排煙EXRFE的差值)過小，在燃氣輪機啟動時即進入溫控模式，因此IGV在燃氣輪機部分負荷運行時相對開度比其他同類型電廠的IGV開度大，引起透平EXH偏離EXRFE較遠。各環境溫度下燃氣輪機負荷點的EXH裕度數據見表1。從表1中反映出燃氣輪機的EXH裕度在23～77 ℃之間，遠遠大于同類型電廠的EXH裕度(15～20 ℃)。進入冬季后，天然氣量供應相對不足，供熱機組又要維持連續運行，燃氣輪機只能長期維持在較低負荷運行，一般只能維持在70%負荷運行，IGV開度百分比約為30%左右，EXH在505 ℃左右，減去余熱鍋爐的熱端溫差(余熱鍋爐進口溫度與高壓過熱器出口溫度之差)25～30 ℃，高壓主蒸汽溫度只能維持在480 ℃左右，與高壓主蒸汽額定汽溫517 ℃相差37 ℃，嚴重偏離余熱鍋爐最佳設計工況點，從而影響汽輪機的出力，降低整個機組的聯合循環熱效率。

2.2 IGV開度優化調整的理論依據

燃氣聯合循環機組的熱效率由燃氣輪機熱效率與聯合循環部分的熱效率決定，而燃氣輪機的熱效率主要與壓比、溫比有直接關系。

壓比是壓氣機排氣壓力與進口的氣體壓力之比，它代表工質被壓縮的程度，用Kp表示，則

式中：p1為壓氣機進氣道后、進口可轉導葉前的滯止壓力；p2為壓氣機出口處的滯止壓力。

溫比是透平進口處的溫度與壓氣機進口處的溫度之比，用KT表示，則

式中：T1為壓氣機進口處的滯止溫度；T2為透平進口處的滯止溫度，即燃氣初溫。

某M701DA機組為雙軸機組，在一定的燃氣輪機負荷點，若關小IGV開度，則壓氣機進氣量減少，壓比降低，溫比上升，可能壓比降低比溫比上升對燃氣輪機影響的熱效率要大，因此燃氣輪機的負荷會有所下降；若保持燃氣輪機的負荷不變，需要增加燃料量來維持燃氣輪機的負荷，透平的排氣量變化不大，但EXH會隨著溫比及燃料量的增加大幅上升，相對應的燃氣輪機EXRFE也會隨著壓氣機排氣壓力下降而提高，余熱鍋爐的高壓主蒸汽溫度、壓力上升，汽輪機發電機的負荷上升，因此一般汽輪機負荷增加量會大于燃氣輪機降低的負荷，使整個聯合循環的熱效率提高。

2.3 IGV開度優化調整的風險

(1)燃燒溫度上升可能將導致NOx排放的上升，IGV開度調整后需重新對燃燒器的NOx排放進行燃燒調整。

(2)壓氣機喘振安全裕度變小，壓氣機可能會產生喘振。

(3)燃燒裕度變小，出現燃燒壓力波動的幾率上升，影響燃氣輪機的安全運行。

(4)透平末級葉片溫度升高，影響運行環境。

(5)IGV開度調整過小可能會使燃氣輪機下降負荷大于汽輪機上升的負荷，整個聯合循環的熱效率下降。

2.4 IGV開度調整優化

根據某M701DA型機組投產以來相關運行數據，結合當地的全年天氣溫度數據，在確保燃氣輪機燃燒壓力波動穩定、NOx排放質量濃度≤50 μg/m3、不提前進入溫控模式的情況下，EXH裕度控制在20～30 ℃之間，選取了具有代表性的燃氣輪機負荷點90.0，100.0，110.0，120.0 MW進行燃燒調整，優化調整后的IGV開度與燃氣輪機負荷曲線如圖5所示。

圖5 IGV開度優化調整后與燃氣輪機負荷的函數曲線

3 IGV開度優化調整前、后性能比較

對IGV調整前、后的相關性能數據進行對照、比較，因調整前、后的環境溫度及濕度、壓氣機的葉片污臟程度及精粗濾壓差基本一致，因此每一負荷點在調整前、后的運行工況基本一致，參數性能具有可比性。表2為IGV開度優化調整前、后主要參數與性能數據。從數據中可以看出IGV開度關小后，EXH平均上升了14 ℃，特別是在低負荷90.0 MW時，雖然燃氣流量比優化前增加了222 m3/h,但汽機負荷提高了2.4 MW，瞬時發電氣耗下降了0.002 5 m3/(kW·h)；燃氣輪機負荷在100.0，110.0，120.0 MW點瞬時發電氣耗分別下降了0.001 8，0.000 9，0.000 8 m3/(kW·h)。NOx質量濃度總量雖然比調整前有所降低，但仍未達到燃氣輪機設計排放要求(燃氣輪機負荷110.0 MW以上NOx排放質量濃度<50 mg/m3)。另外，燃燒調整時環境溫度只有15 ℃，為保證燃氣輪機在夏天運行時不提前進入溫控模式，影響燃氣輪機的基本出力，因此在110.0，120.0 MW負荷段未進一步提高EXH是影響二者負荷點發電氣耗下降不大的因素。

為充分驗證IGV開度優化調整后的性能效果，在分散控制系統(DCS)的歷史曲線中，針對性選取了IGV開度優化前、后燃氣輪機在不同負荷時段、同工況下的發電氣耗值，比較結果見表3。表3數據說明，發電氣耗下降值基本與瞬時發電氣耗下降值相近, 充分肯定這次IGV調整優化效果較好。

表2 IGV開度優化調整前、后主要參數及性能數據

表3 IGV調整前、后部分時段發電氣耗的比較

4 結束語

通過對某M701DA燃氣輪機IGV開度優化調整，在保證機組出力的前提下，提高燃氣輪機部分負荷段的EXH，既能降低機組的發電氣耗，又能適當降低燃氣輪機NOx的排放，具有一定的安全性和合理性。IGV開度優化調整后，燃氣輪機負荷越低則EXH相比調整前提高越大，機組發電氣耗下降值越大。在冬季時，若每天發電量按3 500 MW·h、發電氣耗平均下降0.001 6 m3/(kW·h)計算，則每天可節約天然氣5 600 m3，相當于多發電25 MW·h，按電價0.7 元/(kW·h)計算，每天多產生效益1.75萬元，經濟效益相當可觀。

[1]中國華電集團公司.大型燃氣-蒸汽聯合循環發電技術 綜合分冊[M].北京：中國電力出版社，2009.

(本文責編：劉炳鋒)

2017-04-27；

2017-07-04

TK

B

1674-1951(2017)08-0044-04

王才文(1968—)，男，江蘇常州人，助理工程師，戚墅堰發電有限公司從事運行技術工作(E-mail:chd3207@139.com)。