燃氣輪機聯合循環機組汽機旁路控制系統的調節與優化運行研究

王曉峰

（中航世新安裝工程（北京）有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110043）

燃氣輪機的動力裝置可以簡化的表示成由壓氣機、燃燒室、燃氣輪機這三個基本的部分組成。機組運行時，空氣首先進入到葉輪式壓氣機之中，然后再壓縮到一定的壓力之后，送入到燃燒室內，再和燃油進行混合燃燒，燃燒的燃氣溫度通常能夠達到1800～2300K。這時將二次冷卻空氣和高溫燃氣進行混合，使得混合的氣體能夠降低到需要的適當的溫度，最后再進入到燃氣輪機內。在燃氣輪內的混合氣，首先在靜葉片組成的噴管中進行膨脹，再把熱能轉變成動能，這就能夠形成一種高速的氣流，氣流沖進固定在轉子上的由動葉片組成的氣流通道，最后形成推力來推動葉片，使得轉子發生轉動，進而輸出機械功。燃氣輪機所做出的功除了用來帶動壓氣機以外，還將剩余部分的凈功量對外進行輸出。最終從燃氣輪機排出的廢氣排入大氣，放熱之后完成整個循環。

1 燃氣輪機聯合循環機組汽機旁路控制系統的原理

旁路控制對機組暖機/提速、啟動/停止、加/減負荷都有積極的作用，直接增加了機組的熱力系統的循環倍率，要根據聯合循環主設備的熱力特性，根據它們的應力曲線來設計旁路控制的啟閉規律。旁路控制是由旁路管道、減壓減溫閥門以及控制機構等部件組成。其主要作用是在機組啟動階段的時候，或者是事故狀態下的時候，把鍋爐所產生的蒸汽不通過汽輪機而直接引入到下一級的管道或者是凝汽器中。

所謂的布雷頓循環特性參數，其實就是循環增壓比和循環增溫比。循環增壓比也就是循環最高的壓力和最低的壓力的比值，通常用π來表示。循環增溫比就是循環的最高溫度和循環的最低溫度的比值，通常用τ來表示：

布雷頓循環的熱效率取決于循環增壓比π，隨著π的增大熱效率逐漸提高，而和循環增溫比τ沒有關系。燃氣輪機實際運行循環的每個過程中都存在不可逆的因素，在這里只考慮壓縮過程及膨脹過程中所存在的不可逆性。

2 燃氣輪機聯合循環機組汽機旁路控制系統的調節

燃燒室旁路調節閥可調整到燃燒室的空氣流量，從而保證燃燒器穩定燃燒，因此，燃空比可以通過此閥來調節；燃燒室旁路閥的控制信號輸出為機組負荷、燃燒室壓力、壓氣機入口空氣溫度和機組轉速的函數。

表1 高旁升壓的速率

在等待進氣時，主蒸汽閥前疏水閥將打開，高壓主蒸汽閥在并網5分鐘后也逐漸打開一定開度（高壓主蒸汽閥屬于液壓調節閥，因此不像中、低壓主蒸汽閥那樣保安油壓一建立就打開），進行主蒸汽閥的暖閥。汽機的旁路系統將按照最小壓力模式下的壓力設定值調節，維持各系統在設定的壓力。

旁路在最小壓力的模式下，能夠對蒸汽的壓力設定值曲線，增加限速模塊來配合系統合理的升溫和升壓。TCS 能夠根據燃氣機組啟動時的各項參數，把機組的啟動狀態分為熱、溫、冷三態。在熱、冷、溫三種模式下，高旁升壓速率的曲線分別由壓力的設定值來充當變量的三組分段函數管線，如表1所示。

中旁升壓的速率沒有分為啟機狀態，通過f( x)的一個函數來實現，如表2所示。

表2 中旁升壓的速率

伴隨著燃氣機組負荷的提升，在最小壓力的控制模式下，旁路的壓力設定值也會伴隨著升壓曲線同時通過速率的限制回路作用進行上升。低、中、高旁路的設定值速率閉鎖增定值分別是0.2MPa、0.1MPa、0.03MPa。

圖1

3 燃氣輪機聯合循環機組汽機旁路控制系統的優化運行

燃氣輪機的旁路系統有三項功能：啟動、溢流和安全。①啟動功能是利用旁路系統來改善機組啟動的條件，使用旁路系統來控制蒸汽的溫度，就能夠使汽輪機進汽的溫度和汽缸的溫度相匹配的過程更加的合理和快速。旁路系統還能夠配合汽輪機組實現中壓缸的啟動和低負荷運行，在低熱應力及低消耗的條件下，縮短整個機組啟動的時間。②溢流功能是在事故狀態時，旁路系統能夠排放機組在負荷突降過程中剩余的蒸汽，進而來保證在汽輪機低負荷運行時，也就是帶廠用電運行或者是空載運行時，或者在停止運行狀態下，來維持鍋爐在不投油最低穩燃負荷下的運行，目的就是在事故排除后，能夠以最快的速度來恢復帶負荷。③安全功能是在汽壓過高的時候，旁路系統能夠快速進行開啟，能夠把余蒸汽排入到凝汽器中，以此來代替安全門的相關功能，還不會出現工質的損失以及產生噪聲。這三項功能在調峰運行的機組上作用更加的明顯，如果單元機組實行的是兩班制運行，則可以利用旁路系統來縮短熱態啟動的時間，提高整個機組的負荷適應性。

汽輪機從開始沖轉之后，其用汽量就逐漸增加，因此主蒸汽的壓力就會下降，控制器PI1的輸入偏差也會下降，控制器的輸出控制指令也逐漸減小，因此高壓旁路的減壓閥也逐漸關閉，會使主蒸汽的壓力有所回升。所以汽輪機在沖轉、升速直到并網帶負荷之前，都是使用旁路控制系統來維持主蒸汽的壓力。使用逐漸關小旁路閥的方式，使得之前全部高壓旁路系統旁通的蒸汽，逐漸進到汽輪機的高壓缸中進行做功。在定壓運行的階段，主汽壓不是穩定不變的，而是操作人員根據機組的運行情況而逐步提高的。操作人員在改變壓力定值之后，機組的旁路控制系統就會通過改變高壓旁路的減壓閥開度，來控制主蒸汽的壓力為操作人員設定的壓力定值。

為了改善溫度控制的特性，旁路系統引入旁路蒸汽的流量，來修正噴水控制的強度。考慮在不同的負荷之下，相同的溫度差則會有不同噴水的強度，在系統中采用主蒸汽的壓力和高壓旁路減壓閥開度之間的關系，經過處理后計算出旁通蒸汽的流量，使用這個蒸汽流量的信號，來作為乘法系數修正噴水量的控制信號，進而使噴水閥的開度指令伴隨著旁通蒸汽的流量增加而逐漸增加。

4 結語

對于燃氣輪機的高壓旁路及低壓旁路以串聯的方式構成的旁路系統，在整套機組的啟動過程中，高低壓旁路需要協調動作，這樣才能實現旁路系統的所有功能。通過燃機與DCS通信功能的實現，可以獲得聯合循環電廠的一體化控制的優勢，同型號DCS一體化控制系統會帶給人們很多便利，安全、可靠、經濟。

參考文獻：

[1]牛海明，吳東黎，楊爽，安鳳栓，張薇，陳衛，鄭玲紅.超超臨界1000MW二次再熱機組自啟停控制系統設計方案與實現[J].熱力發電，2017，46（02）：125-129，135.

[2]姚峻，李林，侯新建，祝建飛.二次再熱超超臨界機組控制策略的研究[J].中國電力，2016，49（10）：17-18.

[3]劉錦寧，汪萬偉，何師.一種鏈式STATCOM故障鏈節在線旁路控制方法[J].電力電子技術，2016，50（08）：38-40.

[4]萬文軍，陳世和，陳詠康，胡康濤.面向對象的火電機組旁路控制算法設計與應用[J]. 中國電力，2015，48（10）：43-45.