三菱M701F4型單軸燃氣蒸汽聯合循環機組冷態啟動暖機負荷期間高旁調節控制優化

重慶兩江燃機電廠 胡鴻相 劉印 葛曉明 蔣金希 余智姣

0 引言

燃氣蒸汽聯合循環發電機組具有效率高、啟停快、環保等優點，不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負荷機組，而且還能帶基本負荷和中間負荷，適合用于調峰。

某電廠2套460MW燃氣蒸汽聯合循環發電機組為三菱M701F4型燃氣蒸汽聯合循環發電機組，日常作為調峰機組，啟動方式基本為熱態啟動，早起晚停。但隨著運行方式的改變以及受天然氣短缺等因素影響，冷態啟動的次數逐漸增多。該型機組在冷態啟動中存在暖機時間長、啟動速度慢、經濟性差的特點，需要對旁路系統進行邏輯優化，以提高機組啟動的經濟性。

1 設備概況

某電廠1、2號機組為三菱M701F4型單軸燃氣蒸汽聯合循環機組。燃機采用日本三菱公司M701F4型重型燃機，汽輪機為高壓、三缸、三壓、再熱、排汽、單軸抽汽凝汽式供熱機組，發電機采用全氫冷旋轉無刷勵磁。余熱鍋爐為東方日立鍋爐有限公司生產的臥式、無補燃、三壓、再熱、自然循環、露天布置余熱鍋爐。機組控制系統采用分島控制方式。其中，機島控制范圍包括燃機、汽輪機、發電機及其輔助系統，稱為燃機-汽機控制系統（TCS+TPS+TSI），以下簡稱TCS，采用三菱的DIASYS Netmation系統；爐島包括余熱鍋爐和輔助系統，簡稱DCS，采用美國艾默生過程控制公司生產的OVATION控制系統，二者通過OPC服務器進行雙向通訊。汽輪機旁路控制系統設計在OVATION控制系統中，TCS參與旁路控制的信號通過硬接線與DCS實現通訊。

2 M701F4型燃氣機組旁路控制模式

對于燃機電廠而言，由于其用電需求及承擔的調峰任務，機組頻繁的啟停要求旁路控制系統具備更高的可靠性和安全性。因此，為滿足實際運行的要求，燃機電廠會按照要求配備成套完整的旁路系統。燃氣機組旁路系統中的高壓、中壓和低壓旁路閥采用最小壓力控制模式、備用壓力控制模式及實際壓力跟蹤模式方法進行控制。根據燃氣機組的不同的工作狀態和運行情況進行控制模式間的相互切換，確保設備安全運轉。

2.1 最小壓力控制模式

當燃機發出點火起動指令后，為確保主汽閥前的蒸汽壓力小于最小壓力閾值，各旁路閥均處于最小壓力控制模式下，可以控制閥門開度大小來控制壓力變化。最小壓力控制模式可滿足燃氣機組啟動初期的升溫升壓要求，且可以盡可能的減少系統的熱量損失，縮短了機組的啟動時間，可實現汽輪機的快速運轉。旁路閥最小壓力的設定依據燃氣輪機負載情況進行選擇。

2.2 備用壓力控制模式

最小壓力控制模式與備用壓力控制模式的切換是以主蒸汽閥門的開合或燃氣輪機組的運轉功率為判據。當旁路閥處于全關閉狀態，且運行功率達到230MW以上或機組的主蒸汽閥開啟，此時旁路系統的控制模式從最小壓力控制模式向備用壓力控制模式進行轉換。備用壓力控制模式保證了旁路閥全關狀態下系統壓力的快速上升，當壓力大于閥門設定值后，又能夠有效泄壓，確保整個機組的運行安全，即系統高效且保證安全。

2.3 實際壓力跟蹤模式

旁路系統中的實際壓力跟蹤模式是在機組運轉負載下降后為確保載荷恒定而采用的控制模式。以燃氣機組運轉負載下降至230MW為臨界值，為保持機組恒定的載荷，關閉各級旁路系統的主蒸汽閥門，實現旁路閥的壓力控制模式由備用壓力模式向實際壓力跟蹤模式的轉變。此系統控制模式可實現載荷恒定，系統保壓，汽包不超限制等目的。正常情況下，旁路閥壓力設定值為機組停機時的實際壓力，直至機組重新啟動旁路控制模式再發生變化。

3 高旁調節控制優化

在冷態啟機過程中，通過高旁調節控制優化，合理有效地使高旁閥前壓力穩步提高，能夠提升余熱鍋爐及主蒸汽管道暖管速度，縮短暖機時間，匹配汽輪機進汽參數，提高M701F4型燃氣機組的調峰能力。

3.1 高旁調節控制合理性分析

該電廠M701F4型燃氣機組的TCS系統汽機進汽條件（部分）如圖1。

圖1 TCS汽機接口進汽條件邏輯

高壓缸進汽條件：

①高壓主汽閥前蒸汽過熱度≥56℃。

②高壓主汽閥前蒸汽壓力≥6.4MPa。

③高壓主汽閥前蒸汽溫度與高壓缸入口金屬溫度之差在+110℃～-56℃間。

中壓缸進汽條件：

①中壓主汽閥前蒸汽過熱度≥56℃。

②中壓主汽閥前蒸汽壓力≥1.55MPa。

③中壓主汽閥前蒸汽溫度與中壓缸葉片環金屬溫度之差在+110℃～-56℃間。

在冷態啟動過程中，汽輪機和余熱鍋爐的溫度均比較低，為保證余熱鍋爐加熱的最小溫度，燃氣輪機以50MW的負荷進行暖機，燃氣輪機的排氣溫度大致控制在402℃。余熱鍋爐經過較長時間暖爐后，汽包壓力提高，而高旁處于最小壓力模式下，高旁閥前壓力設定值一直較低，導致高旁閥長時間大開度開啟，大量較高溫度和壓力的蒸汽通過冷再管道經加熱后返回中壓汽包，中壓缸進汽蒸汽品質能較快滿足要求，而高壓缸進汽蒸汽品質遲遲不能達到需求值，使得汽輪機進汽條件一直不能滿足，暖機時間延長。

因此，在保證高壓缸進汽蒸汽（閥前）過熱度的情況下，通過優化DCS系統中高旁閥邏輯，調整高旁閥的開度，提高高壓缸進汽蒸汽（閥前）的壓力，使得高、中、低主蒸汽參數與汽輪機參數提前匹配，就是縮短冷態暖機時間的關鍵。

3.2 高旁調節控制修改思路及方案

通過上述分析和對以往多次機組冷態啟動各數據的觀察，結合TCS系統進汽邏輯，提出加快冷態啟動的DCS高旁調節控制優化思路。

為保證冷態啟動時余熱鍋爐及高、中、低壓主蒸汽管路的暖爐暖機效果，同時不改變熱態啟機和溫態啟機的邏輯，保留高旁最小壓力模式下的函數，新增切換模塊T和以下邏輯條件：

①汽機冷態模式。

②高壓進汽壓力（二選后）≤6.4MPa。

③高壓主汽溫度閥前（二選后）過熱度≥56℃。

圖2 新增壓力溫度函數—f3(x)

由圖3可以看出，當上述3個條件同時滿足時，高旁壓力設定值升速率切至函數f2(x)穩步增加至6.4MPa；否則，仍按原邏輯執行，當條件高旁壓力與設定值偏差大于0.02觸發時，高旁壓力設定值升速率為0，高旁保持當前開度，如果條件不觸發，高旁壓力設定值以函數f2(x)速率增加。在整個最小壓力模式的過程中，高旁壓力設定值不超過6.5MPa。

圖3 修改后的高旁調節控制策略（紫色曲線內部為新增邏輯）1-f1(x),2-f2(x),3-f3(x),4-f4(x)限速模塊

3.3 高旁調節控制優化后效果

該電廠#2機組高旁調節控制優化前后參數對比情況如表1所示，啟動曲線如圖4、圖5所示。高壓缸進口金屬溫度54.7℃，50MW暖機時間約為104分鐘，經過高旁調節控制優化后，#2機組冷態啟動，高壓缸進口金屬溫度75.8℃，50MW暖機時間約為31分鐘，縮短暖機73分鐘，整個啟機過程由原來的203分鐘縮短至134分鐘。整個冷態啟機過程共縮短70分鐘。

表1 該電廠#2機組冷態啟動時間對比

圖4 該電廠#2機高旁優化前冷態啟動曲線

3.4 存在的問題

高旁調節控制優化后，機組冷態啟動過程中縮短了啟動時間，同時也帶來了一些問題，需要重點關注。

圖5 該電廠#2機高旁優化后冷態啟動曲線

如圖6所示，在汽機達到進汽條件前幾分鐘，由于高旁壓力設定值升速率變大，高旁閥由60%快速關至40%，導致中壓進汽壓力降低至1.384MPa，低于中旁壓力設定值1.466MPa，中旁閥迅速由10%關至0%，中壓進汽壓力又瞬間升至2.2MPa，中旁閥接著由0%快速開至60%左右，同時高、中壓主汽閥開始打開，進一步加大了蒸汽流量，在整個過程中，汽包壓力均保持恒定，高壓汽包的水位從108mm降至-216mm，中壓汽包的水位從268mm降至-171mm，具有較大的波動。

除此之外，從圖7也可以看出，由于暖機時間較短，中旁和低旁首次開啟時，進入凝汽器的不凝結氣體較多，導致凝汽器真空變化較大。且本次冷態啟動過程中真空保持在7～11KPa之間，較以往差，需提前做好主蒸汽管道排空措施，以保證凝汽器良好的真空狀態。

對于上訴問題，需進一步分析原因，制定相應措施，進行解決。

圖6 優化后，燃氣輪機高、中、低壓閥門開度以及高、中、低壓蒸汽溫度

4 機組高旁調節控制優化后冷態啟機效益分析

4.1 能耗及費用分析

圖7 優化后，燃氣輪機汽包水位及凝汽器真空

冷態啟動過程高旁優化后，綜合收益體現在直接收益和間接收益兩方面。直接收益：縮短了低負荷（50MW）暖機時間產生的收益。間接收益：機組提前接帶高負荷（≥230MW）時間增加的收益。綜合收益=直接收益+間接收益。計算公式如下：

綜合收益:

式中A—單位時間天然氣耗，B—高廠變功率，C—暖機縮短時間，N—機組負荷，H—上網電價，S—天然氣價格，D—發電量，E—上網電量，F—天然氣用量，G—生產廠用電量，M—綜合收益，Z—直接收益，J—間接收益，i—機組負荷對應數值。

i=230，N230=230MW，此時綜合收益為M230

i=460，N460=460MW，此時綜合收益為M460

由于機組的間接收益和負荷成正相關關系，即負荷越高收益越大，故間接收益和綜合收益在負荷為230MW產生最小收益，在負荷為460MW時，產生最大收益。

相關人員統計機組負荷為50MW、230MW、460MW的各項數據如下，從表2和表3可以看出，根據重慶地區市場最新定價，當上網電價H=0.493(元/kwh)， 天 然 氣 價 格S為1.54(元/Nm3)時， #2機組某次冷態啟動縮短低負荷（50MW）暖機時間為73min，將數據帶入公式計算，能產生約3.41萬元的直接收益。根據所帶負荷的不同，最低可產生3.80萬元、最高10.74萬元的間接收益。所以冷態啟動旁路優化后，在當此冷態啟動過程中，產生最低7.21萬元、最高14.15萬元的綜合收益。

據統計，2017年兩臺機組冷態啟動20次，高壓缸進口金屬溫度不同，暖機時間長短會有差異，按照平均縮短暖機時間60分鐘計算，一年可產生綜合收益118.52～232.60萬元，大大地提高了機組的經濟性。

4.2 環保效益

機組在正常運行時，排放的煙氣中污染物的濃度較低，能極好地滿足環保要求，但是在啟動過程中，部分燃氣污染物排放遠超出國家標準，這是由于M701F4型燃氣機組采用的是預混干式低NOx燃燒器，在低負荷時，值班燃料閥開度較大，擴散燃燒所占比例較大，不完全燃燒導致的CO、NOx、CH4等氣體的排放量較高，而隨著機組負荷的升高，燃燒趨于穩定，主燃料閥不斷開大，主燃料量不斷增加，預混燃比例逐步提高，污染物的排放隨之降低。

在冷態、溫態、熱態啟動過程中，冷態啟動的暖機負荷最低，且停留在低負荷的時間最長，由圖7可以看出冷態啟動暖機過程中CO一直保持在1000 mg/Nm3以上，脫銷前NOX含量在100 mg/Nm3以上，脫銷后NOX含量在30 mg/Nm3～50 mg/Nm3波動，已經非常接近環保對燃機電廠的考核值50 mg/Nm3，有一定的超排風險。

高旁調節控制優化后，縮短了機組停留在低負荷的時間，使得煙氣排放的污染物在高值停留的時間大大縮短，一方面減少了超排的風險，另一方面，起到了良好的減排效果，具有極大的環保效益。

圖8 優化后，NOX以及SO2，CO等各測量值曲線

5 結論

通過對M701F4型燃機冷態啟動暖機負荷期間高旁調節控制進行優化，使燃機TCS系統的汽機進汽條件和DCS最小壓力模式下的高旁壓力設定邏輯進一步匹配，汽輪機進汽條件更快滿足，縮短了冷態啟動時間，進一步加強了機組的調峰能力，實現了節能減排和經濟效益雙收益。同時，機組高旁調節控制的優化思路，對國內相似燃機電廠也具有借鑒性和推廣價值。

表2 縮短暖機時間 73分鐘能耗情況

表3 縮短暖機時間73分鐘收益情況