三菱M701F4型單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)負(fù)荷期間高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化

重慶兩江燃機(jī)電廠(chǎng) 胡鴻相 劉印 葛曉明 蔣金希 余智姣

0 引言

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組具有效率高、啟?？?、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負(fù)荷機(jī)組，而且還能帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷，適合用于調(diào)峰。

某電廠(chǎng)2套460MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為三菱M701F4型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，日常作為調(diào)峰機(jī)組，啟動(dòng)方式基本為熱態(tài)啟動(dòng)，早起晚停。但隨著運(yùn)行方式的改變以及受天然氣短缺等因素影響，冷態(tài)啟動(dòng)的次數(shù)逐漸增多。該型機(jī)組在冷態(tài)啟動(dòng)中存在暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)速度慢、經(jīng)濟(jì)性差的特點(diǎn)，需要對(duì)旁路系統(tǒng)進(jìn)行邏輯優(yōu)化，以提高機(jī)組啟動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 設(shè)備概況

某電廠(chǎng)1、2號(hào)機(jī)組為三菱M701F4型單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。燃機(jī)采用日本三菱公司M701F4型重型燃機(jī)，汽輪機(jī)為高壓、三缸、三壓、再熱、排汽、單軸抽汽凝汽式供熱機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用全氫冷旋轉(zhuǎn)無(wú)刷勵(lì)磁。余熱鍋爐為東方日立鍋爐有限公司生產(chǎn)的臥式、無(wú)補(bǔ)燃、三壓、再熱、自然循環(huán)、露天布置余熱鍋爐。機(jī)組控制系統(tǒng)采用分島控制方式。其中，機(jī)島控制范圍包括燃機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)，稱(chēng)為燃機(jī)-汽機(jī)控制系統(tǒng)（TCS+TPS+TSI），以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCS，采用三菱的DIASYS Netmation系統(tǒng)；爐島包括余熱鍋爐和輔助系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)DCS，采用美國(guó)艾默生過(guò)程控制公司生產(chǎn)的OVATION控制系統(tǒng)，二者通過(guò)OPC服務(wù)器進(jìn)行雙向通訊。汽輪機(jī)旁路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在OVATION控制系統(tǒng)中，TCS參與旁路控制的信號(hào)通過(guò)硬接線(xiàn)與DCS實(shí)現(xiàn)通訊。

2 M701F4型燃?xì)鈾C(jī)組旁路控制模式

對(duì)于燃機(jī)電廠(chǎng)而言，由于其用電需求及承擔(dān)的調(diào)峰任務(wù)，機(jī)組頻繁的啟停要求旁路控制系統(tǒng)具備更高的可靠性和安全性。因此，為滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行的要求，燃機(jī)電廠(chǎng)會(huì)按照要求配備成套完整的旁路系統(tǒng)。燃?xì)鈾C(jī)組旁路系統(tǒng)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(shí)際壓力跟蹤模式方法進(jìn)行控制。根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)組的不同的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況進(jìn)行控制模式間的相互切換，確保設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 最小壓力控制模式

當(dāng)燃機(jī)發(fā)出點(diǎn)火起動(dòng)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(mén)開(kāi)度大小來(lái)控制壓力變化。最小壓力控制模式可滿(mǎn)足燃?xì)鈾C(jī)組啟動(dòng)初期的升溫升壓要求，且可以盡可能的減少系統(tǒng)的熱量損失，縮短了機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的快速運(yùn)轉(zhuǎn)。旁路閥最小壓力的設(shè)定依據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)載情況進(jìn)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(mén)的開(kāi)合或燃?xì)廨啓C(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)功率為判據(jù)。當(dāng)旁路閥處于全關(guān)閉狀態(tài)，且運(yùn)行功率達(dá)到230MW以上或機(jī)組的主蒸汽閥開(kāi)啟，此時(shí)旁路系統(tǒng)的控制模式從最小壓力控制模式向備用壓力控制模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。備用壓力控制模式保證了旁路閥全關(guān)狀態(tài)下系統(tǒng)壓力的快速上升，當(dāng)壓力大于閥門(mén)設(shè)定值后，又能夠有效泄壓，確保整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全，即系統(tǒng)高效且保證安全。

2.3 實(shí)際壓力跟蹤模式

旁路系統(tǒng)中的實(shí)際壓力跟蹤模式是在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載下降后為確保載荷恒定而采用的控制模式。以燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載下降至230MW為臨界值，為保持機(jī)組恒定的載荷，關(guān)閉各級(jí)旁路系統(tǒng)的主蒸汽閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)旁路閥的壓力控制模式由備用壓力模式向?qū)嶋H壓力跟蹤模式的轉(zhuǎn)變。此系統(tǒng)控制模式可實(shí)現(xiàn)載荷恒定，系統(tǒng)保壓，汽包不超限制等目的。正常情況下，旁路閥壓力設(shè)定值為機(jī)組停機(jī)時(shí)的實(shí)際壓力，直至機(jī)組重新啟動(dòng)旁路控制模式再發(fā)生變化。

3 高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化

在冷態(tài)啟機(jī)過(guò)程中，通過(guò)高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化，合理有效地使高旁閥前壓力穩(wěn)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(jī)時(shí)間，匹配汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)，提高M(jìn)701F4型燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力。

3.1 高旁調(diào)節(jié)控制合理性分析

該電廠(chǎng)M701F4型燃?xì)鈾C(jī)組的TCS系統(tǒng)汽機(jī)進(jìn)汽條件（部分）如圖1。

圖1 TCS汽機(jī)接口進(jìn)汽條件邏輯

高壓缸進(jìn)汽條件：

①高壓主汽閥前蒸汽過(guò)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(jìn)汽條件：

①中壓主汽閥前蒸汽過(guò)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(huán)金屬溫度之差在+110℃～-56℃間。

在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，汽輪機(jī)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?xì)廨啓C(jī)以50MW的負(fù)荷進(jìn)行暖機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度大致控制在402℃。余熱鍋爐經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)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(shè)定值一直較低，導(dǎo)致高旁閥長(zhǎng)時(shí)間大開(kāi)度開(kāi)啟，大量較高溫度和壓力的蒸汽通過(guò)冷再管道經(jīng)加熱后返回中壓汽包，中壓缸進(jìn)汽蒸汽品質(zhì)能較快滿(mǎn)足要求，而高壓缸進(jìn)汽蒸汽品質(zhì)遲遲不能達(dá)到需求值，使得汽輪機(jī)進(jìn)汽條件一直不能滿(mǎn)足，暖機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)。

因此，在保證高壓缸進(jìn)汽蒸汽（閥前）過(guò)熱度的情況下，通過(guò)優(yōu)化DCS系統(tǒng)中高旁閥邏輯，調(diào)整高旁閥的開(kāi)度，提高高壓缸進(jìn)汽蒸汽（閥前）的壓力，使得高、中、低主蒸汽參數(shù)與汽輪機(jī)參數(shù)提前匹配，就是縮短冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間的關(guān)鍵。

3.2 高旁調(diào)節(jié)控制修改思路及方案

通過(guò)上述分析和對(duì)以往多次機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)各數(shù)據(jù)的觀(guān)察，結(jié)合TCS系統(tǒng)進(jìn)汽邏輯，提出加快冷態(tài)啟動(dòng)的DCS高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化思路。

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

①汽機(jī)冷態(tài)模式。

②高壓進(jìn)汽壓力（二選后）≤6.4MPa。

③高壓主汽溫度閥前（二選后）過(guò)熱度≥56℃。

圖2 新增壓力溫度函數(shù)—f3(x)

由圖3可以看出，當(dāng)上述3個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，高旁壓力設(shè)定值升速率切至函數(shù)f2(x)穩(wěn)步增加至6.4MPa；否則，仍按原邏輯執(zhí)行，當(dāng)條件高旁壓力與設(shè)定值偏差大于0.02觸發(fā)時(shí)，高旁壓力設(shè)定值升速率為0，高旁保持當(dāng)前開(kāi)度，如果條件不觸發(fā)，高旁壓力設(shè)定值以函數(shù)f2(x)速率增加。在整個(gè)最小壓力模式的過(guò)程中，高旁壓力設(shè)定值不超過(guò)6.5MPa。

圖3 修改后的高旁調(diào)節(jié)控制策略（紫色曲線(xiàn)內(nèi)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(diào)節(jié)控制優(yōu)化后效果

該電廠(chǎng)#2機(jī)組高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比情況如表1所示，啟動(dòng)曲線(xiàn)如圖4、圖5所示。高壓缸進(jìn)口金屬溫度54.7℃，50MW暖機(jī)時(shí)間約為104分鐘，經(jīng)過(guò)高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后，#2機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)，高壓缸進(jìn)口金屬溫度75.8℃，50MW暖機(jī)時(shí)間約為31分鐘，縮短暖機(jī)73分鐘，整個(gè)啟機(jī)過(guò)程由原來(lái)的203分鐘縮短至134分鐘。整個(gè)冷態(tài)啟機(jī)過(guò)程共縮短70分鐘。

表1 該電廠(chǎng)#2機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間對(duì)比

圖4 該電廠(chǎng)#2機(jī)高旁?xún)?yōu)化前冷態(tài)啟動(dòng)曲線(xiàn)

3.4 存在的問(wèn)題

高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中縮短了啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題，需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 該電廠(chǎng)#2機(jī)高旁?xún)?yōu)化后冷態(tài)啟動(dòng)曲線(xiàn)

如圖6所示，在汽機(jī)達(dá)到進(jìn)汽條件前幾分鐘，由于高旁壓力設(shè)定值升速率變大，高旁閥由60%快速關(guān)至40%，導(dǎo)致中壓進(jìn)汽壓力降低至1.384MPa，低于中旁壓力設(shè)定值1.466MPa，中旁閥迅速由10%關(guān)至0%，中壓進(jìn)汽壓力又瞬間升至2.2MPa，中旁閥接著由0%快速開(kāi)至60%左右，同時(shí)高、中壓主汽閥開(kāi)始打開(kāi)，進(jìn)一步加大了蒸汽流量，在整個(gè)過(guò)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(dòng)。

除此之外，從圖7也可以看出，由于暖機(jī)時(shí)間較短，中旁和低旁首次開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)入凝汽器的不凝結(jié)氣體較多，導(dǎo)致凝汽器真空變化較大。且本次冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)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(tài)。

對(duì)于上訴問(wèn)題，需進(jìn)一步分析原因，制定相應(yīng)措施，進(jìn)行解決。

圖6 優(yōu)化后，燃?xì)廨啓C(jī)高、中、低壓閥門(mén)開(kāi)度以及高、中、低壓蒸汽溫度

4 機(jī)組高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后冷態(tài)啟機(jī)效益分析

4.1 能耗及費(fèi)用分析

圖7 優(yōu)化后，燃?xì)廨啓C(jī)汽包水位及凝汽器真空

冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程高旁?xún)?yōu)化后，綜合收益體現(xiàn)在直接收益和間接收益兩方面。直接收益：縮短了低負(fù)荷（50MW）暖機(jī)時(shí)間產(chǎn)生的收益。間接收益：機(jī)組提前接帶高負(fù)荷（≥230MW）時(shí)間增加的收益。綜合收益=直接收益+間接收益。計(jì)算公式如下：

綜合收益:

式中A—單位時(shí)間天然氣耗，B—高廠(chǎng)變功率，C—暖機(jī)縮短時(shí)間，N—機(jī)組負(fù)荷，H—上網(wǎng)電價(jià)，S—天然氣價(jià)格，D—發(fā)電量，E—上網(wǎng)電量，F(xiàn)—天然氣用量，G—生產(chǎn)廠(chǎng)用電量，M—綜合收益，Z—直接收益，J—間接收益，i—機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)數(shù)值。

i=230，N230=230MW，此時(shí)綜合收益為M230

i=460，N460=460MW，此時(shí)綜合收益為M460

由于機(jī)組的間接收益和負(fù)荷成正相關(guān)關(guān)系，即負(fù)荷越高收益越大，故間接收益和綜合收益在負(fù)荷為230MW產(chǎn)生最小收益，在負(fù)荷為460MW時(shí)，產(chǎn)生最大收益。

相關(guān)人員統(tǒng)計(jì)機(jī)組負(fù)荷為50MW、230MW、460MW的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下，從表2和表3可以看出，根據(jù)重慶地區(qū)市場(chǎng)最新定價(jià)，當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)H=0.493(元/kwh)， 天 然 氣 價(jià) 格S為1.54(元/Nm3)時(shí)， #2機(jī)組某次冷態(tài)啟動(dòng)縮短低負(fù)荷（50MW）暖機(jī)時(shí)間為73min，將數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算，能產(chǎn)生約3.41萬(wàn)元的直接收益。根據(jù)所帶負(fù)荷的不同，最低可產(chǎn)生3.80萬(wàn)元、最高10.74萬(wàn)元的間接收益。所以冷態(tài)啟動(dòng)旁路優(yōu)化后，在當(dāng)此冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生最低7.21萬(wàn)元、最高14.15萬(wàn)元的綜合收益。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年兩臺(tái)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)20次，高壓缸進(jìn)口金屬溫度不同，暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)有差異，按照平均縮短暖機(jī)時(shí)間60分鐘計(jì)算，一年可產(chǎn)生綜合收益118.52～232.60萬(wàn)元，大大地提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 環(huán)保效益

機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，排放的煙氣中污染物的濃度較低，能極好地滿(mǎn)足環(huán)保要求，但是在啟動(dòng)過(guò)程中，部分燃?xì)馕廴疚锱欧胚h(yuǎn)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這是由于M701F4型燃?xì)鈾C(jī)組采用的是預(yù)混干式低NOx燃燒器，在低負(fù)荷時(shí)，值班燃料閥開(kāi)度較大，擴(kuò)散燃燒所占比例較大，不完全燃燒導(dǎo)致的CO、NOx、CH4等氣體的排放量較高，而隨著機(jī)組負(fù)荷的升高，燃燒趨于穩(wěn)定，主燃料閥不斷開(kāi)大，主燃料量不斷增加，預(yù)混燃比例逐步提高，污染物的排放隨之降低。

在冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，冷態(tài)啟動(dòng)的暖機(jī)負(fù)荷最低，且停留在低負(fù)荷的時(shí)間最長(zhǎng)，由圖7可以看出冷態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)過(guò)程中CO一直保持在1000 mg/Nm3以上，脫銷(xiāo)前NOX含量在100 mg/Nm3以上，脫銷(xiāo)后NOX含量在30 mg/Nm3～50 mg/Nm3波動(dòng)，已經(jīng)非常接近環(huán)保對(duì)燃機(jī)電廠(chǎng)的考核值50 mg/Nm3，有一定的超排風(fēng)險(xiǎn)。

高旁調(diào)節(jié)控制優(yōu)化后，縮短了機(jī)組停留在低負(fù)荷的時(shí)間，使得煙氣排放的污染物在高值停留的時(shí)間大大縮短，一方面減少了超排的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面，起到了良好的減排效果，具有極大的環(huán)保效益。

圖8 優(yōu)化后，NOX以及SO2，CO等各測(cè)量值曲線(xiàn)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)M701F4型燃機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)負(fù)荷期間高旁調(diào)節(jié)控制進(jìn)行優(yōu)化，使燃機(jī)TCS系統(tǒng)的汽機(jī)進(jìn)汽條件和DCS最小壓力模式下的高旁壓力設(shè)定邏輯進(jìn)一步匹配，汽輪機(jī)進(jìn)汽條件更快滿(mǎn)足，縮短了冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，進(jìn)一步加強(qiáng)了機(jī)組的調(diào)峰能力，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)效益雙收益。同時(shí)，機(jī)組高旁調(diào)節(jié)控制的優(yōu)化思路，對(duì)國(guó)內(nèi)相似燃機(jī)電廠(chǎng)也具有借鑒性和推廣價(jià)值。

表2 縮短暖機(jī)時(shí)間 73分鐘能耗情況

表3 縮短暖機(jī)時(shí)間73分鐘收益情況