9E燃?xì)廨啓C(jī)油改氣后提升主、備溫控線的探討與研究

深能安所固（加納）電力有限公司 劉 偉

1 引言

非洲加納某電廠二期項(xiàng)目第二套機(jī)組由一臺(tái)PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)采用先進(jìn)熱通道AGP，燃燒室均為標(biāo)準(zhǔn)型燃燒室，該燃?xì)廨啓C(jī)是國(guó)內(nèi)月亮灣電廠搬遷時(shí)進(jìn)行了大修，更換了先進(jìn)熱通道AGP，搬至加納后使用氣體燃料安裝調(diào)試，但因缺少氣體燃料，在對(duì)該燃?xì)廨啓C(jī)雙燃料改造時(shí)，前后進(jìn)行了數(shù)次燒油和燒氣切換，其中燒油運(yùn)行2889h，燒天然氣運(yùn)行9815.6h，液體燃料全部使用輕質(zhì)原油，未使用過(guò)重油。

目前，因加納地區(qū)天然氣供應(yīng)穩(wěn)定，且該燃?xì)廨啓C(jī)全部使用輕質(zhì)原油，較重油油質(zhì)較好，液體燃料使用時(shí)間較短，對(duì)熱通道部件影響較重油小很多。公司已計(jì)劃更換該燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件以恢復(fù)天然氣溫控線，提高該燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度TTXM，在熱通道部件已確定采購(gòu)的基礎(chǔ)上，將該燃?xì)廨啓C(jī)目前使用的雙燃料溫控線的平均排氣溫度TTXM提高13℃，且分步實(shí)施，第一次提高5℃，經(jīng)過(guò)燃燒部件抽驗(yàn)檢查無(wú)異常后，第二次再提高8℃，即為機(jī)組平均排氣溫度TTXM由目前運(yùn)行時(shí)548℃，提升至561℃運(yùn)行（對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度31.2℃），以提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

2 溫控基準(zhǔn)TTRX概況

燃?xì)廨啓C(jī)溫控基準(zhǔn)TTRX是Mark VIe控制系統(tǒng)為保證燃?xì)廨啓C(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)火焰中心溫度不超溫而設(shè)計(jì)，通過(guò)控制燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度來(lái)控制火焰中心溫度而設(shè)定的曲線。根據(jù)溫控線，調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度不超溫，從而保證了燃?xì)廨啓C(jī)火焰中心溫度不超溫。

為確保燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度TTXM不超溫，Mark VIe控制系統(tǒng)分別設(shè)有主溫控線、備用溫控線來(lái)保證機(jī)組不超溫。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的某個(gè)工況時(shí)對(duì)應(yīng)的CPD、FSR值，根據(jù)主溫控線、備用溫控線分別計(jì)算出主溫控基準(zhǔn)TTRXP、備用溫控基準(zhǔn)TTRXS，再與等溫線TTK_I三者選取最低值。這樣既避免了燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷區(qū)限定平均排氣溫度不超過(guò)等溫線TTK_I的值，又能在CPD出現(xiàn)故障后及時(shí)啟用備用溫控基準(zhǔn)TTRXS，從而造成燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度超溫。

3 溫控基準(zhǔn)TTRX算法

溫控基準(zhǔn)是在主溫控基準(zhǔn)TTRXP、備用溫控基準(zhǔn)TTRXS、等溫線TTK_I三個(gè)值當(dāng)中選取最低值為TTR_MIN后，作為基準(zhǔn)溫度TTRX的值。

3.1 主溫控基準(zhǔn)TTRXP

主溫控基準(zhǔn)是一個(gè)一次函數(shù)，其中兩個(gè)變量為壓氣機(jī)壓力CPD和主溫控基準(zhǔn)TTRXP。即為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)不同工況下對(duì)應(yīng)的CPD，也就對(duì)應(yīng)不同的主溫控基準(zhǔn)TTRXP。

TTK_C主溫控基準(zhǔn)線拐點(diǎn)為108.6135，單位為psi；TTK_S主溫控基準(zhǔn)線斜率為1.8614，單位為℉/psi；TTK_I溫控基準(zhǔn)等溫線為1100，單位為℉；KTCDG壓氣機(jī)出口溫度增益常數(shù)為0，單位為n/d；KTCD0壓氣機(jī)出口溫度偏移修正為0，單位為℉；TTRXDSP溫控基準(zhǔn)輔助修正為0，單位為℉；WQKJO蒸汽注入流量主溫控制補(bǔ)償為0，單位為Ibm/s；WQKJG蒸汽注入流量主溫控制補(bǔ)償增益為0，單位為Ibm/s。

Mark VIe控制系統(tǒng)所給出主溫控基準(zhǔn)TTRXP使用計(jì)算模型“TTRXV5”[1]，如圖1得出公式：

圖1 TTRX計(jì)算模型

TTRXP=（TCD-KTCDO）×KTCDG-{TTK_S[8]×（CPD-TTK_C[8]）＋ TTRXDSP}＋ TTK_I[8]＋WQJG

燃?xì)廨啓C(jī)氣體燃料運(yùn)行L83JD0為1，對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)TTK_C數(shù)組中數(shù)值為108.6135psi，對(duì)應(yīng)斜率TTK_S數(shù)組中數(shù)值為1.8614℉/psi，對(duì)應(yīng)等溫線TTK_I數(shù)組中數(shù)值為1100℉。

之前注水降低氮氧化物對(duì)排氣溫度的影響，所以設(shè)定了WQJG來(lái)修正溫控基準(zhǔn)。目前，均使用低氮燃燒器。在本系統(tǒng)中TTRXDSP、TCD、KTCDO、KTCDG、WQJG值均為0，最終得出：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-108.6135）

3.2 備用溫控基準(zhǔn)TTRXS

TTK_K備用溫控基準(zhǔn)線拐點(diǎn)為31.918，單位為%；TTK_M備用控基準(zhǔn)線斜率為3.6842，單位為℉/%；TTK_I溫控基準(zhǔn)等溫線為1100，單位為℉。

備用溫控基準(zhǔn)TTRXS是一個(gè)一次函數(shù)，其中兩個(gè)變量分別為燃料沖程基準(zhǔn)FSR和備用溫控基準(zhǔn)TTRXS。即為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)不同工況下對(duì)應(yīng)的FSR，也就對(duì)應(yīng)不同的備用溫控基準(zhǔn)TTRXS。

Mark VIe控制系統(tǒng)所給出備用控基準(zhǔn)TTRXS使用計(jì)算模型“TTRXV5”，如圖1得出公式：

TTRXS=（TCD-KTCDO）×KTCDG-{TTK_M[8]×（FSR-TTK_K[8]） ＋TTRXDSP}＋TTK_I[8]＋WQJG

燃?xì)廨啓C(jī)氣體燃料運(yùn)行L83JD0為1，備用控基準(zhǔn)拐點(diǎn)TTK_K為31.918%，備用控基準(zhǔn)線斜率TTK_M為3.6842℉/%，帶入數(shù)據(jù)最終得出備用溫控基準(zhǔn)TTRXS：

TTRXS=1100-3.6842×（FSR-31.918）

3.3 最小選擇模塊

KTCIO溫度偏置常數(shù)為2048，單位為℉；KTCIG壓氣機(jī)進(jìn)口溫度增益常數(shù)為0，單位為℉；TTAMBREF環(huán)境溫度參考，單位為℉；TTRMAX溫控選擇最大限定常數(shù)為2048，單位為℉。

如圖2所示，根據(jù)溫控基準(zhǔn)最小選擇值TTR_MIN計(jì)算模型，需要在TTRXS、TTRXP、TTAMBREF、TTRMAX四個(gè)變量中選取最小值，所以實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行根據(jù)各種工況時(shí)FSR、CPD值的不同，而選擇計(jì)算出TTRXP、TTRXS、TTK_I中最小值。

圖2 TTR_MIN計(jì)算模型

3.4 基準(zhǔn)溫度TTRX變化率限定

KRXR1溫控基準(zhǔn)最大變化率為1.5，單位為℉/s；KRXR2溫控基準(zhǔn)最小變化率為-1，單位為℉/s；KRXTOL溫控基準(zhǔn)完成變化常數(shù)為2，單位為℉。

在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷大幅波動(dòng)時(shí)，選擇后的溫控基準(zhǔn)最小選擇值TTR_MIN也會(huì)大幅波動(dòng)，為了提高燃?xì)廨啓C(jī)燃機(jī)火焰穩(wěn)定性，溫控基準(zhǔn)最小選擇值TTR_MIN會(huì)進(jìn)入一個(gè)速率限定模塊，如圖3所示，該值將以降速率1℉/s，升速率1.5℉/s變化，最終輸出溫控基準(zhǔn)TTRX。

圖3 溫控基準(zhǔn)TTRX升降速率限定

燃?xì)廨啓C(jī)大部分工況下，備用溫控基準(zhǔn)TTRXS值都緊跟主溫控基準(zhǔn)TTRXP值，兩者相差值約30℉。一旦出現(xiàn)TTRXP大于TTRXS時(shí)，Mark VIe控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)L60TRF“BACKUP TEMPERATURE REFERENCE ACTIVE”報(bào)警。備用溫控基準(zhǔn)TTRXS是為保證CPD故障時(shí)計(jì)算出的主溫控基準(zhǔn)TTRXP值會(huì)突升，此時(shí)通過(guò)溫控基準(zhǔn)最小選擇值TTR_MIN會(huì)選擇備用溫控線TTRXP，從而避免燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度TTXM超溫。

綜上所述，一是燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷時(shí)CPD、FSR均較小，計(jì)算出TTRXP、TTRXS都大于等溫線TTK_I，得出：

TTRX=1100（TTK_I＜TTRXP且TTK_I＜TTRXS）

二是燃?xì)廨啓C(jī)逐漸升高負(fù)荷時(shí)CPD、FSR也隨之升高，計(jì)算出TTRXP、TTRXS開(kāi)始減小。當(dāng)CPD升高至主溫控線拐點(diǎn)108.6135PSI時(shí)，此時(shí)計(jì)算出主溫控基準(zhǔn)TTRXP正好等于等溫線TTK_I，之后隨著負(fù)荷的升高，CPD也逐漸增大而主溫控基準(zhǔn)TTRXP進(jìn)一步減小，通過(guò)溫控基準(zhǔn)最小選擇值TTR_MIN選擇后溫控基準(zhǔn)TTRX實(shí)際為主溫控基準(zhǔn)TTRXP，得出：

TTRX=TTRXP=1100-1.8614×（CPD-108.6135）（TTRXP＜TTRXS且TTRXP＜TTK_I）

三是燃?xì)廨啓C(jī)CPD出現(xiàn)故障時(shí)，主溫控基準(zhǔn)TTRXP會(huì)突然升高，計(jì)算出值將大于等溫線TTK_I。但由于備用溫控基準(zhǔn)TTRXS緊跟主溫控基準(zhǔn)TTRXP，此時(shí)備用溫控基準(zhǔn)TTRXS立即投入，保證燃?xì)廨啓C(jī)排氣不超溫，得出：

TTRX=TTRXS=1100-3.6842×（FSR-31.918）（TTRXS＜TTRXP且TTRXS＜TTK_I）

4 溫控基準(zhǔn)TTRX對(duì)溫控燃料沖程基準(zhǔn)FSRT影響

TTXM燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度，單位℉；FSKTG排氣溫控控制增益為0.2，單位%/℉；TTRXB溫控基準(zhǔn)TTRX引入值，單位℉。

根據(jù)Mark VIe控制系統(tǒng)給出的計(jì)算模型“FSRTV3”如圖4所示，溫控燃料沖程基準(zhǔn)FSRT的算法：

圖4 溫控燃料沖程基準(zhǔn)FSRt

FSRT=（TTRX-TTXM）×FSKTG＋FSRTtc

帶入數(shù)據(jù)得出：

FSRT=（TTRX-TTXM）×0.2＋FSRTtc

由此看出，溫控基準(zhǔn)TTRX的大小將直接影響FSRT的大小，而燃?xì)廨啓C(jī)在帶基本負(fù)荷溫控模式下，F(xiàn)SR的值則等于FSRT值。由此可知，想要提升燃?xì)廨啓C(jī)基本負(fù)荷時(shí)平均排氣溫度TTXM，可通過(guò)提高溫控基準(zhǔn)TTRX的值，達(dá)到提高燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度TTXM的目的。

5 平均排氣溫度TTXM提升5℃的具體操作及運(yùn)行后火焰筒抽檢

將主溫控線拐點(diǎn)TTK_C由108.6135PSI修改為114.8619PSI，并將備用溫度線拐點(diǎn)TTK_K由31.918%修改為35.808%。修改前主、備用溫控線：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-108.6135）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-31.918）

修改后主、備用溫控線：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-114.8619）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-35.808）

完成上述修改燃?xì)廨啓C(jī)帶基本負(fù)荷進(jìn)入溫控后，壓氣機(jī)出口壓力CPD由152.1PSI提升至155.9PSI，F(xiàn)SR由46.1%提升至46.6%。主溫控基準(zhǔn)TTRXP提升至1019.803℉，備用溫控基準(zhǔn)TTRXS提升至1048.177℉。燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度由548℃提升至553℃，提升了5℃。燃?xì)廨啓C(jī)基本功率由105.43MW提升至106.9MW，提升了1.5MW。

檢修部于提升溫度后運(yùn)行約550h后，抽檢火焰筒和檢查透平一級(jí)噴嘴和一級(jí)動(dòng)葉，其中抽檢兩個(gè)火焰筒（4號(hào)火焰筒和11號(hào)火焰筒），檢查一級(jí)噴嘴、一級(jí)動(dòng)葉、一級(jí)噴嘴葉根和葉頂后無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，觸摸表明無(wú)明顯點(diǎn)。一級(jí)動(dòng)葉表面有水洗后殘留積垢，無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，狀態(tài)正常。檢查三級(jí)噴嘴、三級(jí)動(dòng)葉無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，觸摸無(wú)明顯點(diǎn)坑，表面都有水洗后殘留積垢，狀態(tài)正常。檢查二級(jí)噴嘴和二級(jí)動(dòng)葉，使用孔探儀因孔探儀不清晰，無(wú)清晰照片，所以無(wú)法根據(jù)孔探儀檢查判斷二級(jí)噴嘴和二級(jí)動(dòng)葉葉片狀態(tài)，但是根據(jù)一級(jí)噴嘴、一級(jí)動(dòng)葉、三級(jí)噴嘴和三級(jí)動(dòng)葉的檢查結(jié)果，可推測(cè)出二級(jí)動(dòng)葉和二級(jí)噴嘴狀態(tài)正常。

綜上所述，根據(jù)本次檢查結(jié)果可知，燃?xì)廨啓C(jī)透平熱部件狀態(tài)正常。燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度在已經(jīng)提升5℃的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步提升，可以繼續(xù)提高8℃。

6 平均排氣溫度TTXM提升8℃的具體操作及火焰筒抽檢

將主溫控線拐點(diǎn)TTK_C由114.8619修改為124.9PSI，并將備用溫度線拐點(diǎn)TTK_K由35.808%修改為40.86%。

修改前主、備用溫控線：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-114.8619）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-35.808）

修改后主、備用溫控線：

TTRXP=1100-1.8614×（CPD-124.9）TTRXS=1100-3.6842×（FSR-40.86）

完成上述修改后，燃?xì)廨啓C(jī)帶基本負(fù)荷進(jìn)入溫控后，壓氣機(jī)出口壓力CPD由155.9PSI提升至156.6PSI，F(xiàn)SR由46.6%提升至48.9%。主溫控基準(zhǔn)TTRXP提升至1040.738℉，備用溫控基準(zhǔn)TTRXS提升至1070.156℉。燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度由553℃提升至561℃，再提升了8℃。燃?xì)廨啓C(jī)基本功率由106.9MW提升至108.9MW，提升了2MW。

檢修部于提升溫度后運(yùn)行了約1699.6h后，抽檢#11號(hào)火焰筒表面狀態(tài)良好，無(wú)涂層脫落、裂紋及明顯磨損現(xiàn)象，過(guò)渡段方形出口邊緣出現(xiàn)一塊涂層輕微鼓包現(xiàn)象，燃料噴嘴噴口有輕微積碳現(xiàn)象，無(wú)明顯磨損，聯(lián)焰管彈簧插片有輕微磨損，狀態(tài)正常。一級(jí)噴嘴葉根和葉頂應(yīng)力集中處有肉眼可見(jiàn)裂紋（高溫運(yùn)行后的正常現(xiàn)象），但無(wú)交叉裂紋。其他部位無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，觸摸無(wú)明顯點(diǎn)坑，狀態(tài)正常。一級(jí)動(dòng)葉表面有水洗后殘留積垢，無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，狀態(tài)正常。檢查三級(jí)噴嘴、三級(jí)動(dòng)葉無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，觸摸無(wú)明顯點(diǎn)坑，表面都有水洗后殘留積垢，狀態(tài)正常。使用孔探儀因孔探儀不清晰，無(wú)清晰照片，所以無(wú)法根據(jù)孔探儀檢查判斷二級(jí)噴嘴和二級(jí)動(dòng)葉葉片狀態(tài)，但是根據(jù)一級(jí)噴嘴、一級(jí)動(dòng)葉、三級(jí)噴嘴和三級(jí)動(dòng)葉的檢查結(jié)果，可推測(cè)出二級(jí)動(dòng)葉和二級(jí)噴嘴狀態(tài)正常。

綜上所述，根據(jù)本次檢查結(jié)果可知，透平熱部件狀態(tài)均正常，可以繼續(xù)維持該參數(shù)運(yùn)行。

7 修改后出力及效率比較

結(jié)合兩次提升溫控線后來(lái)看，從表1可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)基本負(fù)荷由105.43MW增加至108.96MW，增加了3.53MW；聯(lián)合循環(huán)出力由163.06MW增加至169.67MW，增加了6.6MW。聯(lián)合循環(huán)基本負(fù)荷增長(zhǎng)量為4.05%。聯(lián)合循環(huán)能耗由243.02g/kWh降低至238.61g/kWh，能耗減少了4.41g/kWh，聯(lián)合循環(huán)能耗降低1.81%。

表1 修改參數(shù)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

綜上，燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)提升溫控線來(lái)提高燃?xì)廨啓C(jī)平均排氣溫度，提高機(jī)組出力和提高機(jī)組效率及降低能耗，并且取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，通過(guò)嚴(yán)密監(jiān)視燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)，尤其要注意燃?xì)廨啓C(jī)三個(gè)排氣分散度TTXSP1/TTXSP2/TTXSP3。加強(qiáng)定期抽檢，包括孔探檢查以及熱通道部件火焰筒、過(guò)渡段、噴嘴的檢查均未發(fā)現(xiàn)異常，且燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件運(yùn)行狀況良好，燃?xì)廨啓C(jī)各參數(shù)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)可控。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施后，從2021年2月18日至2021年12月31日，燃?xì)廨啓C(jī)共運(yùn)行5595h，聯(lián)合循環(huán)多發(fā)電量3600萬(wàn)kWh，期間多盈利390萬(wàn)美元（1美元約合7.293人民幣）。由于燃?xì)馄骄艢鉁囟忍岣?，機(jī)組效率得以提高，從2021年3月1日至2021年12月31日，聯(lián)合循序機(jī)組發(fā)電9.11億kWh，節(jié)省天然氣10.87萬(wàn)MMBtu，少支出燃料費(fèi)76萬(wàn)美元。截至2021年12月31日，上述兩項(xiàng)已產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)466萬(wàn)美元。

8 結(jié)語(yǔ)

溫控基準(zhǔn)是燃?xì)廨啓C(jī)控制重要的組成部分，分析掌握溫控基準(zhǔn)a算法，能幫助相關(guān)人員進(jìn)一步了解燃?xì)廨啓C(jī)是如何進(jìn)行平均排氣溫度控制。PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)恢復(fù)使用天然氣后，通過(guò)逐步提升溫控線，定期抽檢燃燒部件的方式，降本增效，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)油改氣機(jī)組提高負(fù)荷提供一條新的思路。