蘇燁，樊印龍，尹峰，張彩

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

發(fā)電技術

聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機低負荷運行模式探討與分析

蘇燁，樊印龍，尹峰，張彩

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

介紹了某發(fā)電廠的西門子V94.3A多軸聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機機組在低負荷階段運行的特點，根據(jù)過夜負荷為140 MW的低負荷要求以及此負荷下的機組特點，對原有的機組運行方式和協(xié)調邏輯以及協(xié)調控制方式下機組的負荷分配方式進行了優(yōu)化和調整，通過旁路和汽機的配合，解決了燃機穩(wěn)定性和機組經濟性的問題。

燃氣輪機；低負荷運行模式；負荷分配；運行方式；協(xié)調控制

0 引言

某發(fā)電廠機組為400 MW級聯(lián)合循環(huán)多軸發(fā)電機組，燃氣輪機是由德國Siemens公司生產的SGT5-4000F，ISO工況出力為285.87 MW，發(fā)電機為SGen-1000A；余熱鍋爐采用杭州鍋爐集團股份有限公司生產的NG-54000F-R型三壓有再熱無補燃臥式余熱鍋爐；汽輪機為上海電氣集團股份有限公司生產的N141-563/551型超高壓、雙缸、再熱、凝汽式汽輪機。機組采用分軸布置，燃機和汽輪機有各自配套的發(fā)電機。DCS（分散控制系統(tǒng)）和TCS（燃機控制系統(tǒng)）均采用西門子公司的SPPA T 3000一體化系統(tǒng)。

機組有單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)2種運行方式，在單循環(huán)模式下，燃機可以獨立帶滿負荷運行。根據(jù)電網調度要求，該機組不采用日開夜停方式，晚上最低負荷為140 MW，且保持定負荷運行。與日開夜停聯(lián)合循環(huán)機組不同，該機組此低負荷運行時在需要考慮機組穩(wěn)定性的同時，還需要考慮機組的經濟性要求，必須在保證機組穩(wěn)定性的基礎上實現(xiàn)其經濟效益最大化。

1 機組原運行方式

與日開夜停聯(lián)合循環(huán)機組不同，該機組因電網的要求而保持夜間運行，且保持140 MW的最低負荷。此負荷下，燃機和汽機負荷均較低，但燃機和汽機在低負荷運行時的特點有所不同。根據(jù)機組原有的運行方式，在140 MW時，其運行控制方式有以下幾個特點：

（1）協(xié)調撤出，燃機負荷和汽機負荷單獨設定，燃機負荷在TCS畫面操作設定，汽機負荷在DEH（數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)）畫面操作設定。

（2）在此負荷時運行人員一般設定燃機負荷為100 MW。

（3）汽機3個調門開度較小，負荷為40 MW。

（4）由于燃機負荷較高、汽機負荷較低，汽機調門開度較小，因此汽機旁路系統(tǒng)投入，且開度較大。

（5）運行操作和監(jiān)盤工作量大。

（6）機組經濟性和效率較低。

在此負荷段，機組負荷、汽機旁路開度、汽機調門開度如表1所示，從表1可以看出，機組在此負荷下運行時，高壓旁路和中壓旁路開度較大，從機組以往的運行情況看，每天這樣的負荷工況長達7 h，大量蒸汽通過旁路排入凝汽器，造成了極大的浪費。

2 機組在低負荷下的運行特點

當機組在聯(lián)合循環(huán)方式下運行時，如果過夜總負荷較低，機組將呈現(xiàn)以下特點：

（1）燃機燃燒不是很穩(wěn)定，排煙溫度變化比較大，不同負荷段的燃機排煙溫度如圖1所示。燃機在80～105 MW負荷區(qū)間時，排煙溫度變化比較大，部分排氣熱電偶會有突變反應，特別是當燃機負荷從89 MW變到100 MW時，某排氣熱電偶的溫度變化近60℃，西門子技術人員認為此區(qū)域燃燒不太穩(wěn)定，因此，在該負荷段升降負荷時，需要控制燃機負荷的升降速度。

圖1 排煙溫度與燃機負荷變化曲線

（2）汽機負荷較低，汽機調門開度較小。

（3）需要開啟旁路配合運行，大量蒸汽排入凝汽器，造成機組的經濟性不高。

在考慮機組安全穩(wěn)定性的同時，又要考慮機組的經濟性，因此要對機組的運行方式、燃機和汽機的負荷分配進行重新考慮和優(yōu)化。

3 協(xié)調運行方式下的負荷分配

在原有邏輯設計中，非CCS（協(xié)調控制）模式時燃機負荷在TCS燃機畫面進行操作，通過TCS操作面板給出負荷指令，變負荷速率固化在燃機邏輯中，為13 MW/min，變負荷速率不可更改。汽機負荷指令在DEH汽機畫面單獨操作，通過DEH操作面板給出汽機負荷指令，汽機變負荷速率可以在DEH操作畫面手動設定和改變。但是當CCS投入時，在DCS負荷控制畫面進行負荷設定和AGC（自動負荷控制）的投撤，從DCS負荷控制畫面給定的是聯(lián)合循環(huán)機組的總負荷指令。在原來的協(xié)調控制系統(tǒng)中，負荷指令SAMA圖如圖2所示，DCS負荷控制模塊給定總負荷指令后，此負荷指令通過速率限制，再經過40 s的慣性，最后由通過限速形成的負荷指令與實際負荷進行PID運算，運算結果加上限速后的負荷指令乘以0.7的系數(shù)作為燃機的負荷指令。汽機負荷指令生成分2種情況：為當汽機滑壓未投入時，以燃機負荷乘以0.5的系數(shù)，再減去5 MW作為汽機負荷指令；如果協(xié)調方式下汽機滑壓投入，則以汽機實際負荷再每個掃描周期疊加1 MW作為汽機負荷指令，一直到負荷高限限制為止。汽機負荷指令邏輯框圖如圖3所示。

圖3 汽機負荷指令邏輯框圖

4 協(xié)調邏輯和參數(shù)優(yōu)化

在采用原CCS控制方式時，運行人員反應變負荷速度較慢，西門子公司的技術人員也反應DCS送燃機負荷指令信號有跳變現(xiàn)象，且波動較頻繁。對CCS邏輯和參數(shù)進行檢查后，發(fā)現(xiàn)以下問題：

表1 原低負荷運行方式下的各項參數(shù)

（1）DCS中，送燃機的負荷指令回路設計了PID環(huán)節(jié)，送燃機指令=總負荷指令×0.7+PID輸出，PID的輸出根據(jù)負荷指令和實際負荷的偏差計算得出，PID的參數(shù)為比例1、積分30、微分1。由于有微分環(huán)節(jié)，因此當有負荷偏差時，PID輸出會有較大幅度的變化，造成送燃機的負荷指令波動頻繁。在原邏輯設計PID的SAMA圖中發(fā)現(xiàn)送燃機負荷指令之前還有1個PID，通過計算再送燃機指令，燃機側收到負荷指令后再進行PID閉環(huán)控制，因此送燃機負荷指令前的PID是多余環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)造成計算輸出的指令偏慢且波動頻繁，當指令大于機組實際所能帶的功率時，PID計算會產生積分飽和，如果此時減負荷，則需從飽和值開始往下計算，速度較慢。

由于燃機側TCS中有閉環(huán)控制，DCS只需要送出負荷指令即可，因此取消了該PID環(huán)節(jié)，將燃機負荷指令修改為限速后的負荷總指令減汽機實際負荷。

（2）檢查CCS回路發(fā)現(xiàn)，負荷指令經過操作面板的速率限制后，又經過1個慣性環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)的輸出送入燃機，且慣性時間為40 s，造成送燃機的負荷指令偏慢，因此取消該慣性環(huán)節(jié)。

（3）汽機負荷指令是固定的計算模式，在低負荷段時汽機旁路開度較大，經濟性不高。因此在低負荷段汽機滑壓未投入前可采取可修改的負荷分配方式，由運行人員在畫面操作，修改汽機和燃機的負荷配比，配比范圍為0.4～0.8，如協(xié)調投入時負荷設定為140 MW，如果想實現(xiàn)燃機100 MW、汽機40 MW的負荷分配，則配比系數(shù)為0.4，如果要實現(xiàn)燃機90 MW、汽機50 MW，則修改配比系數(shù)為0.556。當滑壓投入或非CCS模式時，此回路不起作用，負荷分配系數(shù)保持0.7。

圖2 CCS負荷控制SAMA圖

5 運行方式優(yōu)化

通過對CCS中燃機和汽機負荷指令回路邏輯和參數(shù)的優(yōu)化，機組的各方面性能得到顯著提高。

（1）實現(xiàn)了機組從比較低的過夜負荷到滿負荷的全程協(xié)調，原機組帶140 MW過夜負荷時，協(xié)調控制必須撤出，現(xiàn)可以通過修改負荷配比系數(shù)來修改燃機和汽機的負荷，運行操作較少，對燃機和汽機負荷的可控性更高。

（2）通過多次試驗，總負荷160 MW以上時汽機滑壓可以投入，使汽機調門盡量開大、盡早全開。通過試驗，當滑壓投入、總負荷為200 MW時，汽機高壓調門和中壓調門已能全開，而優(yōu)化前要到250 MW時調門才能全開，因此大大提高了機組的經濟性。

（3）當機組負荷從160 MW降至140 MW的區(qū)間時，滑壓方式必須撤出，如果不撤出，汽機調門負荷控制和壓力控制回路會來回切換，導致汽機負荷波動，繼而造成燃機負荷波動，而此負荷點的燃機負荷波動對燃機排煙溫度影響比較大，對機組的安全穩(wěn)定性不利。在此負荷工況點將汽機滑壓方式撤出后，由運行人員手動修改負荷分配系數(shù)，實現(xiàn)負荷配比的重新分配，也可以控制燃機的負荷變化速度和范圍，實現(xiàn)140 MW時汽機旁路全關，燃機和汽機負荷穩(wěn)定，機組的穩(wěn)定性和經濟性得到顯著提高。優(yōu)化后的低負荷運行參數(shù)如表2所示。

6 結語

根據(jù)某發(fā)電廠過夜負荷較低的情況，分析了此負荷段時燃機和汽機的特點，對協(xié)調系統(tǒng)的邏輯和控制策略進行了完善和優(yōu)化，較好地解決了

表2 優(yōu)化后的低負荷運行參數(shù)

機組低負荷時安全性和經濟性不高的問題，運行控制的靈活性和可操作性得到了顯著的提高，可供其他過夜負荷較低的聯(lián)合循環(huán)機組參考。

[1]章素華．燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)[M]．北京：中國電力出版社，2012．

（本文編輯：龔皓）

Discussion and Analysis on Low-load Operation Mode of Combined Cycle Gas Turbines

SU Ye，F(xiàn)AN Yinlong，YIN Feng，ZHANG Cai
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This article introduces characteristics of Siemens V94 3A multi-axes combined cycle gas turbine units in low-load operation in a power plant.In accordance with the overnight load of 140 MW and characteristics of units，the former operating mode，coordination logic and load distribution mode in the coordination control mode are optimized and adjusted.Through cooperation with bypass and steam turbine，problems concerning stability of gas turbine and economical efficiency of units are solved.

gas turbine；low-load operating mode；load distribution；operation mode；coordinated control

TK37

：B

：1007-1881（2014）12-0035-03

2014-08-25

蘇燁（1979-），男，湖南冷水江人，高級工程師，從事發(fā)電廠熱工自動化研究工作。