6F級燃氣輪機溫度匹配功能及其運行優(yōu)化分析

江蘇國信高郵熱電有限責任公司 宦 林

某6F級燃機聯(lián)合循環(huán)機組采用GE公司設計制造的6F.03型燃氣輪機，燃機采用MARK VIe控制系統(tǒng)。機組自投產(chǎn)以來經(jīng)過多年的運行，在機組啟動過程中燃機與汽機的協(xié)調匹配問題越來越突出：聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動時首先啟動燃氣輪機，燃氣輪機發(fā)啟動令后自動運行至全速空載狀態(tài)，燃機在全速空載階段的排氣溫度比較高，以6FA燃氣輪機為例，排氣溫度可達450℃，余熱鍋爐受熱后升溫升壓，通過過熱器減溫水將過熱蒸汽最低降至350℃，若汽機冷態(tài)啟動時，導致汽輪機沖轉時進汽溫度與缸溫偏差近330℃（汽機冷態(tài)時缸溫以20℃計）。以這種狀態(tài)啟動時容易造成汽輪機的金屬熱應力過大，汽輪機熱沖擊增大，汽機沖轉后需要長時間暖機來緩解膨脹不均，不僅空消耗熱量，也嚴重影響汽輪機的使用壽命[1]。

為優(yōu)化燃氣聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動方式，使機組啟動時主汽溫與汽機缸溫相協(xié)調匹配，縮短機組啟動時間和減緩汽機熱沖擊，開發(fā)利用燃氣輪機溫度匹配功能。本文通過對聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動投用燃機溫度匹配前后數(shù)據(jù)分析對比，結果表明燃機溫度匹配功能可以有效縮短機組冷態(tài)啟動時間和提高機組啟動過程中的經(jīng)濟性。

1 溫度匹配原理

在聯(lián)合循環(huán)機組中，燃氣輪機作為余熱鍋爐乃至整個聯(lián)合循環(huán)的熱量源，控制燃機的排氣溫度可以實現(xiàn)間接控制余熱鍋爐的蒸汽溫度水平的目的。燃機在整個聯(lián)合循環(huán)過程中處于前端，由于燃機排氣溫度可以通過調節(jié)燃料量或壓氣機的進口導葉角度（Inlet Guide Vane,IGV）實現(xiàn)，實質是通過空燃比的變化改變燃燒后的排氣溫度。

在燃氣輪機控制系統(tǒng)中加入溫度匹配功能模塊和控制邏輯，在燃機某一穩(wěn)定運行工況下，保持其余參數(shù)不變，降低燃氣輪機的燃料量（TNR）或關小進口導葉（IGV）降低燃機排氣溫度，進而間接的降低余熱鍋爐的出口蒸汽溫度，實現(xiàn)與汽輪機金屬溫度相匹配，防止汽輪機在冷態(tài)啟動中受到過大的熱沖擊。L83TMSEL為燃機溫度匹配允許條件，TTXM為燃機排氣溫度，ttrxtm cmd為燃機排氣溫度設定目標值。投溫度匹配后降低燃機排氣溫度過程，先降低燃料量（TNR），進口導葉（IGV）保持不變，待燃料量降低至最低后IGV開度逐步開大增加送風量，直至燃機排氣溫度達到目標值。

燃機溫度匹配未投運前聯(lián)合循環(huán)機組正常的冷態(tài)啟動流程分為兩種：燃機發(fā)啟動指令-燃機轉速上升清吹-降速點火-暖機-升速至全速空載-汽機沖轉-燃機發(fā)電機并網(wǎng)-汽機發(fā)電機并網(wǎng)-燃機、汽機發(fā)電機升負荷-協(xié)調控制-投入AGC；燃機發(fā)啟動指令-燃機轉速上升清吹-降速點火-暖機-升速至全速空載-燃機發(fā)電機并網(wǎng)帶初負荷（5MW）-汽機沖轉-汽機發(fā)電機并網(wǎng)-燃機、汽機發(fā)電機升負荷-協(xié)調控制-投入AGC。

此兩種啟動方式主要區(qū)別是：第一種啟動方式燃機發(fā)電機在汽機沖轉時未并網(wǎng)，此時燃機熱負荷輕，可將汽機沖轉主蒸汽溫度控制在350℃，但汽機沖轉過程中燃機空轉未發(fā)電經(jīng)濟性較差；第二種啟動方式燃機發(fā)電機在汽機沖轉前已并網(wǎng)帶初負荷，汽機沖轉暖機過程中燃機發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電經(jīng)濟性有所提升，但此時燃機熱負荷升高，汽機沖轉主蒸汽溫度只能控制在400℃，機組冷態(tài)啟動時汽機缸溫與蒸汽溫度偏差較大[2]。

投入燃機溫度匹配聯(lián)合循環(huán)機組的冷態(tài)啟動流程：燃機發(fā)啟動指令-燃機轉速上升清吹-降速點火-暖機-升速至全速空載-燃機發(fā)電機并網(wǎng)帶負荷投入溫度匹配-汽機沖轉-汽機發(fā)電機并網(wǎng)-燃機、汽機發(fā)電機升負荷-協(xié)調控制-投入AGC。投入溫度匹配啟動方式下燃機發(fā)電機在汽機沖轉前已并網(wǎng)帶負荷，通過溫度匹配降低了燃機排氣溫度，完美實現(xiàn)了機組啟動過程中汽機沖轉主汽溫控制與啟動經(jīng)濟性相兼容。

由表1可以看出：燃機啟動時全速空載時排氣溫度最低，但是對于汽機冷態(tài)的情況下仍然偏高，無法將主汽溫度降低至與汽機缸溫相匹配；燃機排氣溫度受大氣環(huán)境溫度影響較大，冬季與夏季可以相差30℃，在夏季時在燃機不投溫度匹配的情況下主汽溫更無法控制與汽機缸溫相匹配；燃機在并網(wǎng)后煙氣溫度和流量會大幅上升，余熱鍋爐主汽溫也會上升較快。

表1 燃機各階段排氣溫度對比

2 溫度匹配的實現(xiàn)

2.1 溫度匹配的人機界面

GE公司6FA燃機溫度匹配的組態(tài)界面組成部分：溫度匹配的投入退出按鈕，當操作員按下溫度匹配投入退出鍵“On”或“Off”按鈕時，對應的按鈕顏色會改變；溫度匹配投入條件，任何一條不滿足即無法投入溫度匹配功能，其對應的條件會變成紅色，以提醒操作員檢查操作；溫度匹配的設置值及溫升變化速率，每個變量對應一個手動輸入框和一個狀態(tài)監(jiān)測框，以監(jiān)視用戶的設定值是否成功的被寫入了控制系統(tǒng)軟件中。

由于燃機MARK VIe控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)分屬不同廠家、不同控制方式，操作人員不能在同一電腦上進行操作，為方便溫度匹配投運后的監(jiān)視操作，在DCS系統(tǒng)上新增加溫度匹配控制模塊，將燃機MARK VIe控制系統(tǒng)中燃機溫度匹配功能模塊測點參數(shù)轉接至DCS系統(tǒng)中，實現(xiàn)在DCS系統(tǒng)直接控制燃機溫度匹配功能，根據(jù)余熱鍋爐主汽溫實時調整燃機排氣溫度。

2.2 溫匹功能投運步驟

燃機發(fā)啟動令，點火成功至全速空載；燃機發(fā)電機并網(wǎng)，帶初始負荷10MW，記錄此時燃機排氣溫度、IGV角度、CA_CRT參數(shù)；檢查機組DCS溫度匹配操作畫面已具備使用條件，DCS和TCS數(shù)據(jù)連接正常；檢查燃機Temperature Matching畫面中下列條件全部變綠：TNR below TM turn on level（TNR＜104%）。TNR above TM turn on level（TNR＞100.2%）（燃料指令在投溫匹條件范圍內）。Generator breaker（發(fā)電機已并網(wǎng)）。At Max Exhaust Temp for Temp Matching（排氣溫度在溫控線以下）。TNR outside IGV temp match range trip TM（（100.4-TNR）＜0.1）。

在DCS溫度匹配畫面溫度匹配溫升降速率設為0℃/s,溫度匹配溫度控制目標值設定為燃機當前排氣溫度，檢查燃機溫度匹配參數(shù)控制對話框內溫度匹配設定值與溫度目標值一致，溫度升降速率與溫度匹配速率設定值一致；在DCS溫度匹配畫面點擊“燃機溫度匹配切至DCS操作”按鈕將燃機溫度匹配控制權限切換至DCS，點擊“燃機溫度匹配投入”按鈕，檢查燃機溫度匹配功能投入。

在DCS溫度匹配畫面輸入溫度匹配溫升降速率,輸入溫度匹配排氣溫度目標值，目標值要求與燃機當前排氣溫度偏差5～25℃范圍內，檢查燃機排氣溫度自動調整至目標值，IGV角度、燃機負荷、火檢信號、燃機負荷、燃料閥、排氣溫度、燃燒脈動自動調整正常；當燃機排氣溫度達到設定值后，在溫度匹配設定對話框內繼續(xù)降低設定溫度，排氣溫度可以最低至700℉（371℃），檢查燃機運行參數(shù)穩(wěn)定；調整機組主汽壓力、主汽溫度，汽機沖轉條件滿足，汽機沖轉。

根據(jù)汽機沖轉過程缸溫、脹差變化，在汽機暖機過程中逐步提高主汽溫度，過熱器減溫水和溫度匹配功能配合使用，優(yōu)先通過在燃機溫度匹配參數(shù)控制對話框內設定溫度來提高排氣溫度，保持主汽溫度與汽機缸溫溫度差在100℃左右，主蒸汽溫度升速率保持在1℃/min左右，同時參考機組振動、絕對膨脹、低壓缸脹差，只要絕對膨脹穩(wěn)步升高，脹差有向正方向變化趨勢時可加快溫度設定進行暖機完成正常并網(wǎng)帶負荷；當燃機負荷和排氣溫度恢復至投溫匹前狀態(tài)，依次點擊“燃機溫度匹配退出”、“燃機溫度匹配切至TCS操作”按鈕，退出燃機溫度匹配功能，燃機投入預選負荷控制模式，根據(jù)機組啟動曲線手動控制機組升負荷速率，提高燃機排氣溫度。

3 運行優(yōu)化

3.1 縮短機組冷態(tài)啟動時間

某聯(lián)合循環(huán)機組自投產(chǎn)以來機組啟動一直采用燃機全速空載后待蒸汽參數(shù)達到汽機沖轉要求（主汽溫350℃），汽輪機轉速升至3000r/min后，先燃機發(fā)電機并網(wǎng)后汽機發(fā)電機并網(wǎng)的方式(啟動方式①)。圖1中啟動方式②機組冷態(tài)啟動采用燃機全速空載后，燃機發(fā)電機并網(wǎng)帶5MW初始負荷后待蒸汽參數(shù)達到汽機沖轉要求（主汽溫405℃），汽機沖轉并網(wǎng)帶負荷。

圖1中啟動方式③機組冷態(tài)啟動首次投運燃機溫度匹配功能，燃機并網(wǎng)后帶10MW投入溫度匹配功能使燃機排氣溫度由535℃降至380℃使蒸汽參數(shù)滿足汽機沖轉要求（主汽溫328℃）。由于首次投運溫匹功能，燃機并網(wǎng)、投溫匹準備及溫匹操作調整時間過長，導致機組整個啟動時間未明顯縮短，但由于汽機暖機過程中燃機并網(wǎng)運行，較之前冷態(tài)啟動經(jīng)濟性大幅升高。圖1中啟動方式④為燃機投用溫度匹配運行方式優(yōu)化后機組冷態(tài)啟動（主汽溫320℃），由圖表數(shù)據(jù)可知該機組啟動燃機發(fā)啟動令至汽機沖轉耗時64分鐘、汽機沖轉至并網(wǎng)耗時75分鐘，較③機組啟動（第一次投溫匹）分別縮短36、20分鐘，較①機組啟動（未投溫匹）分別縮短25、72分鐘。

由圖1所示，機組原冷態(tài)啟動從燃機發(fā)啟動令至燃機帶10MW負荷，汽機并網(wǎng)跟隨方式時間基本一致，均歷時約4小時。自投運燃機溫度匹配后啟動方式優(yōu)化，啟動時間縮短至2.5小時。

圖1 機組四種啟動方式耗時

3.2 提高機組啟動經(jīng)濟性

由圖1可以看出，投入溫匹后由于燃機發(fā)電機提前并網(wǎng)，燃機多發(fā)電約200min,按啟機方式④計算機組啟動耗用天然氣2萬立方米，燃機發(fā)電約13MWh，上網(wǎng)電價按0.5元計算：13000×0.5=6500元。啟機方式①計算機組啟動耗用天然氣3.2萬立方米，天然氣少耗1.2萬方米，天然氣按每立方米2.5元計算：12000×2.5=30000元。所以單臺機組冷態(tài)啟動投溫匹運行方式優(yōu)化后約產(chǎn)生效益6500+30000=36500元；按照兩臺機組年啟動40次計算：36500×40=1460000元；以上經(jīng)濟效益僅考慮多發(fā)電量及少用天然氣產(chǎn)生的效益，還未考慮啟動時間減少后節(jié)水、節(jié)電、節(jié)熱的經(jīng)濟效益。

3.3 減少汽機沖轉熱沖擊

燃機溫度匹配投運后汽機沖轉主汽溫進一步降低，縮小了主汽溫度與缸溫偏差，減小汽機熱應力，有利于汽機壽命延長?？s短汽機沖轉暖機時間，將汽機空轉暖機優(yōu)化為帶低負荷暖機、增加暖機效果，進一步提升機組啟動經(jīng)濟性。

3.4 滿足汽機滑參數(shù)停機要求

燃氣輪機降負荷時，當負荷低至25%以下燃機排氣溫度會快速下降，操作人員無法通過控制燃機負荷精準控制燃機排氣溫度，并且如表1所示，燃機降至最低負荷時燃機排氣溫度依然較高，主汽溫最低降至400℃，無法滿足汽機進一步滑參數(shù)停機要求。滑參數(shù)停機過程中當燃機負荷降至25%負荷以下時投運燃機溫度匹配功能，控制主蒸汽按照一定降溫降壓速率逐步精準降低燃機排氣溫度，最終將主汽溫降低至320℃，縮短機組停運后汽機自然冷卻及檢修時間。

綜上，在6F級燃機聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動過程中，通過投入燃機溫度匹配功能，不僅可以有效縮短機組啟動時間1.5小時，并且單次單機可以節(jié)約近4萬元啟動費用，機組啟動經(jīng)濟性大幅提升，同時汽機暖機時間縮短，沖轉參數(shù)降低有利于減少汽機熱應力，延長機組壽命。6F級燃機溫度匹配功能適合在所有燃機聯(lián)合循環(huán)機組中推廣使用，提高機組經(jīng)濟性。