基于多軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組啟停過程運行評價系統(tǒng)的研究及應用

呂玥婷，陳海文，黃月麗，童振翔

（華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400）

0 引言

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，配置2 臺9E級燃氣輪發(fā)電機組、2 臺余熱鍋爐、1 臺抽凝式汽輪發(fā)電機組、1 臺背壓式汽輪發(fā)電機組，其中燃氣輪機發(fā)電機組與蒸汽輪機發(fā)電機組為2 拖1 分軸布置。

整套機組于2015 年底投入商業(yè)運行，屬于調(diào)峰機組，發(fā)電運行時間短、啟停次數(shù)多。

1 課題研究背景

1.1 現(xiàn)狀介紹

近年來，得益于國家相關(guān)政策的推動及燃氣發(fā)電在環(huán)保、調(diào)峰等方面的優(yōu)勢，燃氣發(fā)電規(guī)模日益擴大，但由于天然氣氣價較高，國內(nèi)環(huán)保標準日趨完善嚴格，燃氣發(fā)電機組的節(jié)能降耗及污染減排也變得日益重要。

目前，燃機電廠對機組啟停過程中的設備參數(shù)及能耗指標缺乏相應的評價準則，無法確定其安全性、經(jīng)濟性及環(huán)保指標是否達到最優(yōu)值。

1.2 課題研究意義

機組投運以來，基本為日開夜停的調(diào)峰運行方式，連續(xù)發(fā)電運行時間短、啟停次數(shù)多。機組頻繁啟停，對聯(lián)合循環(huán)各設備的耐受力和使用壽命提出挑戰(zhàn)。另外，二拖一分軸機組運行方式較為靈活，對不同運行方式下的數(shù)據(jù)監(jiān)督和統(tǒng)計提出了新的要求，受制于有限的運行小時數(shù)，運行人員操作鍛煉機會偏少，導致機組啟停運行存在較大差異，標準化管理水平不高，影響機組運行的安全經(jīng)濟性能。

通過建立一套科學的啟停過程評價準則，對啟停過程進行對比，篩選最為理想的啟停方法，能夠有效指導運行人員進行合理操作，在確保啟停過程安全的前提下，實現(xiàn)機組的經(jīng)濟和環(huán)保啟停。

2 課題研究與實施

2.1 評價準則的研究

統(tǒng)計分析機組啟停過程中的設備運行狀態(tài)參數(shù)（如軸振、脹差、金屬溫度等）以及主要輔機設備的能耗參數(shù)（如廠用電量等），建立起機組啟停過程參數(shù)評價體系，并將各參數(shù)重新歸類劃分為安全指標、經(jīng)濟指標、環(huán)保指標，機組啟停評價指標得分按得分率統(tǒng)計，其中經(jīng)濟指標在整個啟停評價指標中占比50%，環(huán)保指標占比20%，安全指標占比30%。

2.1.1 經(jīng)濟指標設計

經(jīng)濟指標有5 項，分別為時間、氣量、氣耗、廠用電、成本，啟機的經(jīng)濟指標占總經(jīng)濟指標的80%，停機的經(jīng)濟指標占總經(jīng)濟指標的20%。啟機過程中，時間指標占比10/65，氣量指標占比10/65，氣耗指標占比10/65，廠用電指標占比10/65，成本指標占比25/65。停機過程中，時間指標占比5/35，氣量指標占比5/35，氣耗指標占比5/35，廠用電指標占比5/35，成本指標占比15/35。

機組各啟停工況的標準值，見表1。

表1 經(jīng)濟指標標準值Table 1 Standard values of economic indicators

冷爐熱機啟動指標修正說明：整套機組啟動階段，汽機為熱態(tài)啟動時，對余熱鍋爐冷熱態(tài)進行判斷。若高壓汽包上壁溫度小于80℃，則判斷為冷爐熱機啟動。相關(guān)指標修正如下：啟動時間+4 min；氣量+0.2 萬Nm3；氣耗+10 Nm3/MWh。

時間指標：若時間≤標準值，該項滿分；若超過標準值，啟機階段每增加1min 則扣除時間指標占比1/10，停機階段每增加1min 則扣除時間指標占比1/5，扣完為止。

氣量指標：若氣量≤標準值，該項滿分；若超過標準值，啟機階段每增加0.1 萬Nm3則扣除氣量指標占比1/10，停機階段每增加0.1 萬Nm3則扣除氣量指標占比1/5，扣完為止。

氣耗指標：若氣耗≤標準值，該項滿分；若超過標準值，啟機階段每增加30Nm3/MWh 則扣除氣耗指標占比1/10，停機階段每增加30Nm3/MWh 則扣除氣耗指標占比1/5，扣完為止。

廠用電指標：若廠用電≤標準值，該項滿分；若超過標準值，啟機階段每增加1MWh 則扣除廠用電指標占比1/10，停機階段每增加1MWh 則扣除廠用電指標占比1/5，扣完為止。

成本指標：若成本≤標準值，該項滿分；若超過標準值，啟機階段每增加0.05 萬元則扣除成本指標占比1/50，停機階段每增加0.05 萬元則扣除成本指標占比1/30，扣完為止。

2.1.2 環(huán)保指標設計

環(huán)保指標有3 項，分別為NOx、SO2和煙塵，啟機的環(huán)保指標占總環(huán)保指標的50%，停機的環(huán)保指標占總環(huán)保指標的50%。啟機與停機過程中，各指標占比相同，NOx占比10/30，SO2占比10/30，煙塵占比10/30。

將各指標建立不同啟停情況下的標準值見表2。冷爐熱機啟動指標修正說明：整套機組啟動階段，汽機為熱態(tài)啟動時，對余熱鍋爐冷熱態(tài)進行判斷。若高壓汽包上壁溫度小于80℃，則判斷為冷爐熱機啟動，相關(guān)指標修正如下：NOx 超標時間+5 min。

表2 環(huán)保指標標準值Table 2 Standard values of environmental protection indicators

NOx 指標：將NOx 濃度超過50mg/Nm3的累計時間T1進行統(tǒng)計，時間單位為min。若T1 ≤標準值，則該項滿分；若T1 ＞標準值，則該項不得分。

SO2指標：將SO2濃度超過35mg/Nm3的累計時間T2進行統(tǒng)計，時間單位為min。若T2 ≤標準值，則該項滿分；若T2 ＞標準值，則該項不得分。

煙塵指標：將煙塵濃度超過5mg/Nm3的累計時間T3進行統(tǒng)計，時間單位為min。若T3 ≤標準值，則該項滿分；若T3 ＞標準值，則該項不得分。

2.1.3 安全指標設計

安全指標的評價是在建立各個基準值的基礎上，將超過基準值以外非安全區(qū)域的累計時間（時間單位均為min）進行統(tǒng)計，1、2 號機組安全指標各有15 項，3 號機組安全指標22 項，每一項的占比相同，則一拖一整套機組安全指標有37 項，每項滿分占比為1/37；二拖一整套機組安全指標有52 項，每項滿分占比為1/52。詳細評分標準如下：

每項指標劃分為A、B、C 3 個等級進行評分，其中A級占比滿分，B 級占比3/5，C 級不得分。

1 號和2 號機組安全指標分別有15 項，3 號機組的安全指標22 項。以1 號機組的安全指標為例，進行說明如下：

T1 表示高壓汽包水位大于100mm 的累計時間，若0 ≤T1 ≤1min，判定為A 級；若1 ＜T1 ≤5min，判定為B 級；若T1 ＞5min，判定為C 級。

T2 表示高壓汽包水位小于-150mm 的累計時間，若0 ≤T2 ≤1min，判定為A 級；若1 ＜T2 ≤5min，判定為B 級；若T2 ＞5min，判定為C 級。

T3 表示低壓汽包水位大于100mm 的累計時間，若0 ≤T3 ≤1min，判定為A 級；若1 ＜T3 ≤5min，判定為B 級；若T3 ＞5min，判定為C 級。

T4 表示低壓汽包水位小于-150mm 的累計時間，若0 ≤T4 ≤1min，判定為A 級；若1 ＜T4 ≤5min，判定為B 級；若T4 ＞5min，判定為C 級。

T5 表示高壓汽包壓力大于7.2MPa 的累計時間，若T5＝0min，判定為A 級；若T1 ＞0min，判定為C 級。

T6 表示低壓汽包壓力大于1.0MPa 的累計時間，若T6＝0min，判定為A 級；若T6 ＞0min，判定為C 級。

T7 表示出口煙溫大于對應除氧器壓力下的飽和溫度的累計時間，若T7=0min，判定為A 級；若1 ＜T7 ≤3min，判定為B 級；若T7 ＞3min，判定為C 級。

T8 表示高壓汽包溫升速率大于5.76℃/min 的累計時間，若0 ≤T8 ≤5min，判定為A 級；若5 ＜T8 ≤10min，判定為B 級；若T8 ＞10min，判定為C 級。

T9 表示高壓汽包溫降速率大于1.13℃/min 的累計時間，若0 ≤T9 ≤5min，判定為A 級；若5 ＜T9 ≤10min，判定為B 級；若T9 ＞10min，判定為C 級。

T10 表示高壓主蒸汽溫升速率大于11.14℃/min 的累計時間，若0 ≤T10 ≤5min，判定為A 級；若5＜T10 ≤10min，判定為B 級；若T10 ＞10min，判定為C級。

T11 表示高壓主蒸汽溫降速率大于11.66℃/min 的累計時間，若0 ≤T11 ≤5min，判定為A 級；若5＜T11 ≤10min，判定為B 級；若T11 ＞10min，判定為C級。

T12 表示高壓汽包壁的溫差在啟機階段大于50℃的累計時間，若0 ≤T12 ≤5min，判定為A 級；若5＜T12 ≤10min，判定為B 級；若T12 ＞10min，判定為C級。

T13 表示高壓汽包壁的溫差在停機階段大于50℃的累計時間，若0 ≤T12 ≤5min，判定為A 級；若5＜T12 ≤10min，判定為B 級；若T12 ＞10min，判定為C級。

T14 表示鍋爐側(cè)主蒸汽溫度大于535℃的累計時間，若T14=0min，判定為A 級；若0 ＜T14 ≤2min，判定為B級；若T14 ＞2min，判定為C 級。

T15 表示鍋爐側(cè)主蒸汽溫度大于540℃的累計時間，若T15=0min，判定為A 級；若T15 ＞0min，判定為C 級。

2.2 評價系統(tǒng)的研發(fā)

以DCS 系統(tǒng)為基礎，應用系統(tǒng)強大豐富的自主化邏輯編輯功能，建立機組能耗指標與運行參數(shù)監(jiān)督統(tǒng)計平臺。基于機組多工況啟停全過程的安全、經(jīng)濟、環(huán)保指標的評價準則，研發(fā)了啟停過程運行操作評價系統(tǒng)，如圖1～圖3 所示。

圖1 標準值設置Fig.1 Standard value setting

圖2 安全指標得分Fig.2 Safety index score

圖3 啟停評價匯總得分Fig.3 Start-stop evaluation summary score

2.3 應用效果

通過啟停評價系統(tǒng)的實施，對啟停過程進行了科學的評價分析，為進一步優(yōu)化機組啟停過程的節(jié)能降耗提供指導。同時，運行評價的得分直接反應了運行各值之間操作差異，為提升運行操作的標準化提供了依據(jù)，對不同值的運行人員啟停操作進行對比、區(qū)分和評價，強化對標意識，提升運行人員操作水平。通過運行操作的優(yōu)化，總評價得分由73%提升至97%，提高了機組運行的安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性。

3 結(jié)束語

隨著新能源裝機容量的增長，燃機作為調(diào)峰的重要方式，機組啟停的次數(shù)將顯著增加。建立啟停過程設備參數(shù)及能耗指標的評價準則，將生產(chǎn)過程和運行操作進行標準化和規(guī)范化，可提升大環(huán)境趨勢下發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)競爭力。涉及啟停評價軟件，可以在DCS 應用的調(diào)峰燃機電廠中廣泛推廣。