論加負荷速率對V94.3A燃氣機組經濟性的影響

東亞電力（廈門）有限公司 陳福坤

某燃氣電廠配置有兩臺西門子V94.3A 燃氣輪機聯合循環機組，燃機、汽機及發電機由上海電氣和西門子公司聯合生產，鍋爐為杭州鍋爐集團生產的三壓、再熱、無補燃、臥式自然循環余熱鍋爐。燃機與發電機剛性聯結，再通過3S 離合器與汽輪機聯接，額定裝機容量為393MW。當機組進入聯合循環，機組目標負荷設定經人工手動輸入后，經過SPG 設定導向模塊進入燃氣輪機和汽輪機負荷分配計算器，最終分出燃氣輪機負荷預先設定部分，再經過修正后送入燃氣輪機控制部分。其中SPG 設定導向模塊也稱為機組加、減負荷速率控制器，而進入SPG 設定導向模塊的機組加負荷速率是加快機組加負荷的關鍵。

1 機組加負荷速率的種類

人工手動設定。該速率取決于人工手動設定的數值，區間為0～16MW/min。按照該省電力調度規程的要求，燃氣機組升降負荷速率應達到每分鐘3.5%額定出力的要求，即393MW×3.5%=13.755MW/min。故常規情況下該數值不低于14MW/min 即可，常規取最大值。

汽機溫度限制。區間為0～20MW/min，汽機溫度限制邏輯如圖1，該邏輯劃分了兩種情況：汽機嚙合前。汽機溫度限制主要受限于高壓主汽隔離閥、高壓主汽調閥兩個閥門溫度的計算裕度，取小值后參與控制；汽機嚙合后。參與限制的條件如下：在汽機嚙合后，汽機溫度限制受限于高壓主汽隔離閥、高壓主汽調閥、高壓缸、高壓轉子、中壓轉子五個溫度的計算裕度，取小值后參與控制。從上述邏輯可看出，只要機組啟動前參與計算的各溫度越高，汽機溫度限制就越小，相應的啟動時加負荷的速率也越大。

圖1 機組負荷設定的模式

鍋爐溫度限制。區間為0～20MW/min，鍋爐溫度限制邏輯如圖3，該邏輯劃分了兩個主要條件：高壓過熱蒸汽2級減溫器入口溫度的升降速率；高壓汽包上下壁最大溫差。兩者取最小值后參與控制。取這兩個數值的目的，是為保證余熱鍋爐在啟停過程中確保鍋爐受熱面與汽包能受熱均勻。

圖2 汽機溫度限制條件

圖3 汽機嚙合后的限制條件

圖4 鍋爐溫度限制條件

鍋爐壓力限制。區間為0～20MW/min，主要是限制高壓主汽的升壓速率。其主要目的是為了防止溫升過快，從而使鍋爐汽包及受熱面產生過大的熱應力。

2 提高機組加負荷速率的方法

2.1 減少機組的熱量損失

減少機組的熱量損失可延長機組冷卻時間，同時使機組在啟動前能維持較高溫度。主要措施有以下幾個方面：

為便于主汽、疏水管道的布置及缸體受熱的自由膨脹，汽缸本體基本上是懸空放置的，汽缸本體下部的保溫材料會因長期運行中的振動及自身的重力而產生松脫。某廠利用機組小修的時間重新對汽機本體保溫做了敷設和緊固，提高了保溫效果，延長了汽缸溫度的冷卻時間，同時能有效減少汽缸因保溫引起的上下缸溫差；該廠位于福建東南沿海，爐頂為半敞開式，常年刮海風，鹽分及水分較高，對汽包的保溫要求較高。日常的消缺工作或定檢工作后一定要將保溫恢復完整，并利用機組大小修等機會定期查看汽包的保溫，有效防止汽包熱量損失、溫降過快。

主廠房屋頂風機的控制策略由之前夏季開三臺、其他季節開兩臺運行，改為廠房門關閉的情況下（熱控對控制機柜增加冷卻風扇）開啟一臺風機運行；廠房門打開時停止屋頂風機運行，既節約了廠用電也可有效延長機組的冷卻時間。原來機組停運6天后會進入冷態，通過上述措施后可延長至7天進入冷態。

余熱鍋爐在停機后存在熱量后移現象，所以在機組停運后中低壓汽包壓力不降反升，所以爐側的疏水閥動作比較頻繁，加上機組調峰運行、兩班制啟停，其它的疏水等閥門動作也都比較頻繁，所以閥門故障、跑冒滴漏是常見的問題。為此該廠運行中加大對閥門的巡視力度，加強對閥門的保養、維修，盡早發現閥門異常問題并盡快消缺，確保各閥門關閉嚴密。通過上述措施并結合優化運行效果顯著，整改前（2011年）、整改后（2018年）的高壓汽包液位（熄火時）分別為186mm，高壓汽包液位（熄火后四個小時）分別為-720mm、-201mm，補水率分別為4.09%、1.57%。

2011年翌日啟動前汽包液位基本上是空的，為滿足啟動條件（啟動液位需大于-350mm），做啟動準備時都需大量補水，過多的冷水進入汽包必然引起汽包壁溫降過多且上下壁溫差大，進而會引起鍋爐溫度限制加負荷速率，機組在啟動時負荷會被壓制在低負荷較長時間。重視閥門內漏問題后，翌日啟動前基本不用上水，可大大提升鍋爐溫度限制引起的加負荷速率，縮短啟動階段的時長。通過閥門的整治，補水率從2011年的4.09%降至2018年的1.57%，不論是經濟還節能降耗上都起到了巨大的改善作用。

2.2 操作優化

2.2.1 提前收高旁

該廠燃機與汽機的連接是通過3S 離合器，在機組正常停運的過程中燃機、汽機都在降負荷，當蒸汽品質下降至不足于滿足汽機裕度要求時，汽機通過3S 離合器脫扣。汽機脫扣時燃機的負荷還有120MW 左右，余熱鍋爐的蒸汽只能通過旁路回收，大量的熱量浪費。如何減少上述熱量的浪費，增加鍋爐的蓄熱是優化方向。經過多次試驗提出以下操作：在汽機脫扣后機組負荷在25MW 左右，手動將高壓旁路提前關閉，將本該通過旁路浪費的一部分熱量轉化為鍋爐的蓄熱。收旁路的負荷不能過高，否則鍋爐容易超壓，過低也就沒多少熱量可轉化。選取某兩天的工況參數對比如下：

正常情況下，高壓主汽壓力（MPa）、高壓主汽溫度（℃）、高壓汽包溫度（℃）在熄火后高壓主汽壓力達到最大時的參數分別為9.8/441/307.8，熄火6小時后的參數分別為5.7/390/291；提前收高旁下分別為11.6/501/309、6.8/432301。可見通過手動收高旁，鍋爐的壓力和溫度都較之前要高出許多。一方面減少了停機時經旁路的熱量損失，另一方面因鍋爐壓力和溫度的提升，減少了鍋爐溫度、鍋爐壓力引起的加負荷速率的限制，提縮短啟動階段的時長，進而提高了機組的經濟性。

2.2.2 合理疏水

鍋爐溫度限制條件之一是高壓過熱蒸汽2級減溫器入口溫度的升降速率。如何加快該溫度點的升速率成為研究方向。該廠高壓蒸汽的系統構造如圖5所示，紅色圈的溫度測點即為鍋爐溫度限制的采集點。依照鍋爐高壓系統SGC 的程序，在SGC 走至第二步時高壓疏水SLC 會自動投入，高壓蒸汽各部分的疏水會按設定條件自動開關。

圖5 高壓蒸汽的系統構造

除聯鎖投入外，高壓各疏水閥自動開條件(與的關系)與自動關條件(與的關系)設定分別為：高壓過熱器1底部疏水。高壓主汽壓力<0.05MPa/高壓主汽壓力>0.07MPa；一級減溫器出口疏水。一級減溫器出口溫度過熱度<11.9K/一級減溫器出口溫度過熱度>13.9K；高壓過熱器2底部疏水。高壓主汽壓力<0.05MPa/高壓主汽壓力>0.07MPa；高壓過熱器3底部疏水。高壓主汽壓力<0.05MPa/高壓主汽壓力>0.07MPa；二級減溫器出口疏水。一級減溫器出口溫度過熱度<27.8K/一級減溫器出口溫度過熱度>29.8K；過熱器底部疏水總閥。高壓主汽壓力<0.05MPa/高壓主汽壓力>0.07MPa。

在機組冷態、溫態啟動時，上述疏水閥的開關對高壓過熱蒸汽2級減溫器入口溫度的影響很小，按程序自動執行即可。但是在熱態啟動時，高壓過熱器1、2、3底部疏水閥不具備開啟條件。但高過一級、二級減溫器出口溫度在啟動前均會因過熱度不滿足而啟。高過2、3受熱面底部較冷的蒸汽會順著管道，經過高壓過熱蒸汽2級減溫器入口溫度測點，再通過高過2級減溫器出口疏水閥排掉。溫差達100K 的冷蒸汽會將高壓過熱蒸汽2級減溫器入口溫度迅速拉低。

為此該廠進行了以下總結和優化：機組停運后，將高壓蒸汽疏水聯鎖退出，防止翌日凌晨疏水閥自動開啟；機組發啟動令前，將各疏水閥掛禁操后再將疏水閥聯鎖投自動，這樣既不影響SGC 執行又可防止上述疏水閥開啟；在燃機點火后，按照汽水流程的方向逐個開啟疏水閥將前面的冷蒸汽提前疏掉，以免拉低后頭的蒸汽溫度；當高旁開啟后，大流量的蒸汽會經過高壓過熱蒸汽2級減溫器入口溫度測點，這時將上述的閥門投自動即可。通過上述操作優化，可有效將機組熱態啟動階段的時長縮短15～25分鐘（根據啟停機間隔的時間長短而有所不同），經濟性非常可觀。