CCPP機(jī)組熱態(tài)啟動燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

王振宇

(上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海 201306)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(CCPP)機(jī)組以其高效、環(huán)保、靈活的特性，成為目前最重要的發(fā)電形式之一。國內(nèi)CCPP大多被定位為調(diào)峰機(jī)組，晝開夜停、啟停頻繁，啟停階段的運(yùn)行小時數(shù)在總運(yùn)行時間中占比大，且其中大部分為熱態(tài)啟動。燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱燃機(jī))啟動階段負(fù)荷低、效率低，其氣耗水平遠(yuǎn)高于正常負(fù)荷情況。因此，提高機(jī)組啟停過程的經(jīng)濟(jì)性，特別是熱態(tài)啟動過程的經(jīng)濟(jì)性，對于燃機(jī)電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行很重要。

目前，國內(nèi)單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在蒸汽輪機(jī)(以下簡稱汽機(jī))并網(wǎng)過程的匹配策略普遍是：燃機(jī)先停在固定負(fù)荷點(diǎn)，等待汽機(jī)沖轉(zhuǎn)和升負(fù)荷完成后，再根據(jù)汽機(jī)的應(yīng)力情況繼續(xù)升負(fù)荷[1-3]。國際上，西門子股份公司(以下簡稱“西門子”)開發(fā)了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組快速啟動FACYTM技術(shù)[4]，但由于傳統(tǒng)汽包鍋爐的汽包熱慣性大，啟動時熱應(yīng)力大，制約了燃機(jī)快速升負(fù)荷，因而FACYTM技術(shù)主要用于采用直流鍋爐的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；此外，F(xiàn)ACYTM技術(shù)要求放開汽輪機(jī)應(yīng)力限制來實(shí)現(xiàn)燃機(jī)和汽機(jī)同步升負(fù)荷，因此，該技術(shù)僅在機(jī)組極熱態(tài)啟動(汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子溫度高于350 ℃)時投用。可以看出，F(xiàn)ACYTM技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)燃機(jī)與汽機(jī)同步升負(fù)荷功能，但其應(yīng)用場合有限。

筆者研究了西門子F級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組現(xiàn)有的啟動控制策略，基于現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)及其運(yùn)行參數(shù)，建立了機(jī)組啟動階段的效率模型，并結(jié)合汽機(jī)應(yīng)力限制條件，對啟動過程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到了一套適用于汽包鍋爐機(jī)組的燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷優(yōu)化參數(shù)組合，并基于此開發(fā)了熱態(tài)啟動燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷技術(shù)。該技術(shù)以不放開汽輪機(jī)應(yīng)力限制為前提，只要機(jī)組熱態(tài)啟動(汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子溫度高于200 ℃)就可以投用本技術(shù)。通過反復(fù)測試并檢驗(yàn)其實(shí)際運(yùn)行效果，驗(yàn)證了傳統(tǒng)西門子F級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱態(tài)啟動燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷的可行性，并確認(rèn)其對機(jī)組運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 現(xiàn)有啟動控制策略

西門子F級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組現(xiàn)有的負(fù)荷控制邏輯框圖如圖1所示，在透平控制系統(tǒng)(TCS)側(cè)的控制回路，根據(jù)聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷指令和實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行前饋和閉環(huán)比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)，最終控制指令以燃料百分比形式輸出至燃機(jī)燃料閥控制回路，調(diào)節(jié)燃料閥開度，使得實(shí)際負(fù)荷與目標(biāo)負(fù)荷保持一致。

圖1 西門子F級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷控制框圖

在聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷指令送至負(fù)荷調(diào)節(jié)回路前，需經(jīng)過2個速率限制環(huán)節(jié)，其中“速率1”設(shè)在機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)協(xié)調(diào)控制回路，主要為了防止余熱鍋爐汽包及汽機(jī)汽缸金屬應(yīng)力過大，而對燃機(jī)升降負(fù)荷速率進(jìn)行限制。另一速率限制環(huán)節(jié)“速率2”設(shè)在TCS控制器中，主要考慮燃機(jī)在正常工況和異常工況下的變負(fù)荷要求。

在現(xiàn)有啟動控制邏輯下，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)升負(fù)荷過程中，強(qiáng)制燃機(jī)處于排煙溫度限制模式，協(xié)調(diào)控制至燃機(jī)控制器的目標(biāo)負(fù)荷跟隨實(shí)際負(fù)荷，燃機(jī)負(fù)荷則被鉗制在一固定的暖機(jī)負(fù)荷點(diǎn)。熱態(tài)啟動時，待汽機(jī)旁路全收后，協(xié)調(diào)控制放開其對燃機(jī)排煙溫度的限制，燃機(jī)由排煙溫度限制模式切為負(fù)荷控制模式，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力在燃機(jī)的帶動下逐步達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷。

所研究機(jī)組典型熱態(tài)啟動參數(shù)曲線如圖2所示。從圖2可以看出，從汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min與燃機(jī)嚙合，至旁路全收燃機(jī)開始升負(fù)荷歷時約8～9 min，在此期間，燃機(jī)負(fù)荷基本保持不變。若能實(shí)現(xiàn)燃機(jī)在汽機(jī)嚙合之后就開始同步升負(fù)荷，則能有效縮短機(jī)組的啟動時間。

圖2 同步升負(fù)荷技術(shù)實(shí)施前機(jī)組熱態(tài)啟動曲線

2 同步升負(fù)荷技術(shù)開發(fā)

2.1 同步升負(fù)荷技術(shù)分析

眾所周知，CCPP機(jī)組的典型配置為汽包鍋爐。在采用傳統(tǒng)汽包式余熱鍋爐的CCPP機(jī)組上直接應(yīng)用燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷技術(shù)，會面臨一些問題。首先，機(jī)組安全準(zhǔn)則不能放開，在實(shí)施同步升負(fù)荷時，需要考慮汽包應(yīng)力及汽機(jī)應(yīng)力對機(jī)組快速升負(fù)荷的限制；其次，由于燃機(jī)在汽機(jī)旁路全收之前就開始升負(fù)荷，需考慮燃機(jī)負(fù)荷提高所增加的蒸汽量會經(jīng)旁路直接進(jìn)入凝汽器而白白浪費(fèi)，抵消燃機(jī)負(fù)荷升高使得燃機(jī)效率提高所帶來的收益。因此，為了使CCPP機(jī)組在啟動過程中獲得整體最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，需要對機(jī)組多個系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化。

實(shí)施同步升負(fù)荷技術(shù)時，應(yīng)以不放寬應(yīng)力限制條件、不抬高燃機(jī)所允許的升負(fù)荷速率為前提，以提高聯(lián)合循環(huán)效率為目標(biāo)，綜合考慮各影響因素，建立啟動階段效率模型，并通過參數(shù)優(yōu)化，最終得到一套較優(yōu)的燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷啟動參數(shù)，并基于此開發(fā)熱態(tài)啟動燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷技術(shù)。

2.2 同步升負(fù)荷參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 優(yōu)化參數(shù)分析

對于聯(lián)合循環(huán)電站，本文改造的目標(biāo)是使得熱態(tài)啟動時汽機(jī)嚙合后至機(jī)組達(dá)到最低運(yùn)行負(fù)荷這一階段的聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到最高。下面分析影響聯(lián)合循環(huán)效率的各個因素。

(1) 燃機(jī)效率。

燃機(jī)效率隨燃機(jī)負(fù)荷的提高而提高，單軸重型燃機(jī)的負(fù)荷與效率曲線[5]可擬合為：

(1)

(2) 汽機(jī)負(fù)荷。

汽機(jī)的出力不需要燃機(jī)額外耗氣，因而汽機(jī)嚙合后盡快提高負(fù)荷可以提高聯(lián)合循環(huán)效率。但是為了保障汽機(jī)設(shè)備安全，在西門子原始設(shè)計中對汽機(jī)升負(fù)荷有2項(xiàng)限制：一個是汽機(jī)進(jìn)汽量變化率的限制，另一個是汽機(jī)應(yīng)力控制的限制。

進(jìn)汽量變化率的限制是汽機(jī)制造廠依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的一道直接限制，通過與廠商溝通，可以在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)升負(fù)荷階段將進(jìn)汽量變化率Q2由7%/min臨時抬高至20%/min。

在汽機(jī)進(jìn)汽量變化率放開的同時，汽機(jī)的應(yīng)力限制仍然保持原始設(shè)計不變，從而能夠保證設(shè)備安全。汽機(jī)的應(yīng)力水平與汽缸溫度的上升速率有關(guān)，對于西門子F級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，從其控制邏輯中得到其汽缸應(yīng)力裕度的表達(dá)式：

tS=0.177T1(tM)+0.131 3T2(tM)+

0.691 7T3(tM)

(2)

tmargin=f(tS)-(tM-tS)

(3)

式中：tS為轉(zhuǎn)子溫度；tM為汽缸溫度；T1、T2和T3分別為3個一階慣性環(huán)節(jié)；tmargin為汽機(jī)需要保證的應(yīng)力裕度準(zhǔn)則。

汽機(jī)汽缸溫度的升高與主蒸汽溫度和流量有關(guān)[6]，主蒸汽溫度越高則汽缸升溫越快，且結(jié)合式(2)和式(3)可以發(fā)現(xiàn)，汽缸升溫越快汽機(jī)應(yīng)力裕度越小。

而主蒸汽溫度和流量又與燃機(jī)負(fù)荷有關(guān)，因而汽機(jī)升負(fù)荷的這2項(xiàng)限制會影響到燃機(jī)的升負(fù)荷速率。對于西門子F級燃機(jī)，在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)階段燃機(jī)透平出口溫度TTO基本保持不變。此時需要采用ε-NTU法對余熱鍋爐逐級進(jìn)行換熱計算，就可以得到各級主蒸汽溫度[7]。

為了削弱汽機(jī)應(yīng)力控制的限制對燃機(jī)升負(fù)荷速率的影響，可以通過增大減溫水流量來降低主蒸汽溫度，從而降低汽機(jī)應(yīng)力。但是減溫水的加入會帶來額外的傳熱損失，降低整體效率，減溫水帶來的傳熱損失如下：

(4)

式中：HL為混合過程帶來的不可逆損失；τ=t2/t1；x=m1/m2；t1、t2和t0分別為減溫水溫度、主蒸汽溫度以及二者混合后的溫度；m1、m2和m分別為減溫水流量、主蒸汽流量以及二者混合后的流量;cp為比定壓熱容。

(3) 鍋爐運(yùn)行。

對于聯(lián)合循環(huán)升負(fù)荷，余熱鍋爐側(cè)同樣有應(yīng)力控制限制。由于該應(yīng)力限制涉及設(shè)備安全，不能放開，因而本次同步升負(fù)荷優(yōu)化并未對鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。而同步升負(fù)荷優(yōu)化后對鍋爐運(yùn)行安全性的驗(yàn)證將在優(yōu)化的應(yīng)用效果中給出。

2.2.2 參數(shù)的優(yōu)化

綜合第2.2.1節(jié)分析，影響啟動階段聯(lián)合循環(huán)效率的因素包括聯(lián)合循環(huán)升負(fù)荷速率Q1和主蒸汽溫度的降低量td，另外存在保證汽機(jī)安全的2個限制條件：tmargin>-2.5 K,Q2≤20%/min。

優(yōu)化改造機(jī)組所在電廠的運(yùn)行方式為：汽機(jī)嚙合后，機(jī)組先升至最低運(yùn)行負(fù)荷(260 MW)，然后按照電網(wǎng)要求投入自動負(fù)荷控制(AGC)，完成啟動過程。由于筆者主要對汽機(jī)嚙合后的啟動過程進(jìn)行了優(yōu)化，因而以汽機(jī)嚙合至聯(lián)合循環(huán)達(dá)最低運(yùn)行負(fù)荷這段時間的經(jīng)濟(jì)收益E作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化時使用的經(jīng)濟(jì)參數(shù)包括電價a為0.485 6元/(kW·h)，天然氣價b為2.5元/m3，天然氣熱值q為36 MJ/m3。

(5)

在Matlab中采用優(yōu)化函數(shù)fmincon對這一模型進(jìn)行優(yōu)化，得到各參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果見表1。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在保證應(yīng)力安全的前提下，聯(lián)合循環(huán)升負(fù)荷速率有很大提高，并且優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)收益也很明顯。

表1 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.2.3 汽機(jī)旁路控制配套優(yōu)化

由于燃機(jī)升負(fù)荷時若旁路仍處于開啟狀態(tài)，則大量蒸汽會經(jīng)由旁路白白浪費(fèi)，抵消了燃機(jī)快速升負(fù)荷使得燃機(jī)效率提高所帶來的收益，所以在進(jìn)行同步升負(fù)荷改造的同時需要對汽機(jī)旁路系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行配套優(yōu)化，以縮短旁路全收時間。

控制邏輯修改的主要思路為：在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前臨時抬高旁路壓力定值，從而減小閥門開度與動作行程，進(jìn)而縮短旁路關(guān)閉時間，減少浪費(fèi)的蒸汽量，在旁路全收后將定值恢復(fù)。

2.3 同步升負(fù)荷策略實(shí)施

為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在熱態(tài)啟動過程中，燃機(jī)與汽機(jī)同步升負(fù)荷，首先需要在汽機(jī)嚙合后，解除燃機(jī)排煙溫度限制模式，將燃機(jī)燃料量控制切換回負(fù)荷控制回路。同時，考慮到現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷指令的速率限制環(huán)節(jié)“速率1”和“速率2”是對聯(lián)合循環(huán)總負(fù)荷的限制，而在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中汽機(jī)自身負(fù)荷上升較快，因此，必須放開原本的上升速率限制才能使燃機(jī)負(fù)荷同步上升。

因“速率1”主要是對余熱鍋爐汽包及汽機(jī)汽缸金屬應(yīng)力的控制，故對其放開限制時，始終以不改變應(yīng)力控制為前提。基于第2.2節(jié)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，對于“速率1”的修改就是將汽機(jī)進(jìn)汽量變化率從原本的7%/min提高到20%/min，對“速率2”的修改就是將升負(fù)荷速率從原本的14 MW/min提高至56.3 MW/min。同時控制主蒸汽溫度降低6.8 K，這樣就實(shí)現(xiàn)了同步升負(fù)荷的參數(shù)優(yōu)化。

在放開聯(lián)合循環(huán)升負(fù)荷速率的同時，為避免汽機(jī)升負(fù)荷變慢導(dǎo)致燃機(jī)實(shí)際升負(fù)荷速率大于燃機(jī)本身的升負(fù)荷限制，需要在送給燃機(jī)的燃料量上增加速率限制環(huán)節(jié)“速率3”(如圖1所示)。

此外，為了保證同步升負(fù)荷技術(shù)不影響機(jī)組正常運(yùn)行時的控制，“速率3”環(huán)節(jié)僅在熱態(tài)啟動汽機(jī)沖轉(zhuǎn)升負(fù)荷過程中有效，“速率1”和“速率2”也僅在該過程中臨時提高，td也只在該過程中有效。啟動完成后，將聯(lián)合循環(huán)升負(fù)荷速率限制器“速率1”和“速率2”以及主蒸汽溫度定值自動恢復(fù)成原始值，同時切除燃料量上升限制環(huán)節(jié)“速率3”，負(fù)荷控制邏輯恢復(fù)正常，此后，燃機(jī)按正常方式將聯(lián)合循環(huán)出力帶至目標(biāo)負(fù)荷。

3 應(yīng)用效果

在所研究機(jī)組應(yīng)用熱態(tài)啟動燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷技術(shù)后，燃機(jī)啟動過程順利，優(yōu)化前后汽機(jī)及余熱鍋爐重要安全技術(shù)參數(shù)對比曲線見圖3和圖4。從圖3可以看出，在應(yīng)用同步升負(fù)荷技術(shù)后，余熱鍋爐高壓汽包的升溫升壓過程雖發(fā)生一定變化，但是其升高速率仍在安全范圍內(nèi)。而從圖4可以看出，由于中壓主蒸汽溫度的適度降低，中壓缸的應(yīng)力裕度反而得到了提升，高壓缸的應(yīng)力裕度雖稍有下降，但仍能保證安全裕量，未觸發(fā)汽機(jī)應(yīng)力對升負(fù)荷速率的限制。另外，CCPP機(jī)組各軸承振動、瓦溫正常，沒有明顯變化。這表明將新的同步升負(fù)荷技術(shù)方案應(yīng)用到西門子現(xiàn)有F級燃機(jī)中是安全可行的。

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

Fig.3 Safety parameters of the HRSG during hot start-up before and after applying the parallel start-up technology

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

Fig.4 Safety parameters of the steam turbine during hot start-up before and after applying the parallel start-up technology

圖5 同步升負(fù)荷技術(shù)實(shí)施后機(jī)組熱態(tài)啟動參數(shù)曲線

同步升負(fù)荷優(yōu)化后的機(jī)組熱態(tài)啟動參數(shù)曲線見圖5。由圖5可知，在汽機(jī)嚙合以后，燃機(jī)排煙溫度限制模式切除，燃機(jī)負(fù)荷與汽機(jī)負(fù)荷同步上升，并且由于提高了汽機(jī)升負(fù)荷階段的進(jìn)汽速率，汽機(jī)升負(fù)荷速率也明顯加快，在這兩方面作用下，有效縮短了啟動時間。優(yōu)化前，從汽機(jī)嚙合至最低運(yùn)行負(fù)荷的升負(fù)荷過程需要約16 min(見圖2)，而優(yōu)化后，該過程縮短至9 min，時間縮短約43%；且優(yōu)化后汽機(jī)嚙合至旁路全收的時間由原來的8～9 min縮短至2～3 min，大大減少了蒸汽和減溫水的浪費(fèi)。

經(jīng)實(shí)際核算，優(yōu)化階段單臺機(jī)組單次熱態(tài)啟動的發(fā)電收益及天然氣成本見表2。從表2可以看出，采用同步升負(fù)荷技術(shù)后，單次熱態(tài)啟動至少可節(jié)約費(fèi)用2 513元，按照某電廠2015年熱態(tài)啟動276次計算，至少可節(jié)約費(fèi)用70萬元/a，同步升負(fù)荷優(yōu)化效果明顯。事實(shí)上，CCPP機(jī)組熱態(tài)啟動達(dá)到最低運(yùn)行負(fù)荷后隨即投入AGC，機(jī)組負(fù)荷會更高，耗氣量更低，實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀。

表2 單臺機(jī)組單次熱態(tài)啟動費(fèi)用

此外，縮短機(jī)組啟動時間，還能更及時地響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求，提高機(jī)組調(diào)峰性能，為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行提供有力支撐。

4 結(jié) 論

研究了西門子F級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組現(xiàn)有的啟動控制策略，基于現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行參數(shù)，建立了機(jī)組啟動階段的效率模型，并結(jié)合汽機(jī)應(yīng)力限制條件，對啟動過程進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得到了一套燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷優(yōu)化參數(shù)組合，基于此開發(fā)了熱態(tài)啟動燃機(jī)汽機(jī)同步升負(fù)荷技術(shù)，并將其應(yīng)用到實(shí)際機(jī)組控制中。在保證機(jī)組安全運(yùn)行的同時，完成同步升負(fù)荷優(yōu)化后的機(jī)組，可以縮短熱態(tài)啟動時汽機(jī)嚙合至啟動完成的時間約43%，有效提高了電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和機(jī)組快速啟動調(diào)峰性能。

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