李易凡，王應(yīng)虎

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

1 機(jī)組概況

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，英文簡稱CCPP(Combined Cycle Power Plant)，如圖1所示。在機(jī)組啟動前期使用輕油作為主燃料，啟動后期以及正常運(yùn)行時使用高爐煤氣BFG作為主燃料。該發(fā)電機(jī)組主要將高爐煤氣經(jīng)過高低壓煤氣壓縮機(jī)加壓之后進(jìn)入燃燒室與經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮之后的空氣混合燃燒做功產(chǎn)生高溫高壓的氣體，推動燃?xì)廨啓C(jī)透平旋轉(zhuǎn)。其燃燒過程產(chǎn)生的廢煙氣溫度極高，可達(dá)到450～550 ℃，為了提高發(fā)電效率，將這部分熱廢煙氣通過余熱鍋爐能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高中低壓的熱蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機(jī)做功。以上提到的燃?xì)廨啓C(jī)、煤氣壓縮機(jī)和壓氣機(jī)在同一軸上運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速3 611 r/min。蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和勵磁機(jī)在同一軸上運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速3 000 r/min。兩根軸之間通過變速齒輪箱連接。

2 機(jī)組啟動

機(jī)組啟動之前主要通過外廠的再熱蒸汽作為機(jī)組啟動蒸汽，用來暖管暖機(jī)及前期帶動蒸汽輪機(jī)的負(fù)荷出力。啟動前期通過啟動蒸汽帶動蒸汽輪機(jī)，同時帶動機(jī)組整條軸系的轉(zhuǎn)動設(shè)備轉(zhuǎn)動,以一定的升速率升速沖轉(zhuǎn)，升速至燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速1 080 r/min，壓氣機(jī)入口可調(diào)導(dǎo)葉VIGV從初始位置全開，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入15 min吹掃，結(jié)束之后燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速下降至800 r/min后重新升速達(dá)到1 100 r/min，在此時輕油流量調(diào)節(jié)門達(dá)到點(diǎn)火初始開度，投入輕油進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，火檢器檢測有火后機(jī)組進(jìn)入升速控制。此后燃?xì)廨啓C(jī)以一定升速率上升到3 611 r/min,機(jī)組并網(wǎng)。之后煤氣旁路門以一定速率緩慢關(guān)閉(冷態(tài)100 min，溫態(tài)60 min，熱態(tài)40 min)，煤氣旁路門關(guān)閉之前機(jī)組主要由輕油燃燒帶動燃?xì)廨啓C(jī)做功以及啟動蒸汽帶動蒸汽輪機(jī)做功，余熱鍋爐系統(tǒng)和煤氣系統(tǒng)都未投入做功。

等到煤氣旁路門關(guān)閉，煤氣壓縮機(jī)出口壓力大于壓氣機(jī)出口壓力0.2 MPa(保證煤氣正常壓入燃燒室燃燒)。機(jī)組負(fù)荷大于12 MW之后，燃料切換正式開始。燃燒室前煤氣快關(guān)閥打開，高低壓防喘閥逐漸關(guān)小，低壓煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉開啟，煤氣逐漸通過煤氣調(diào)節(jié)閥流入燃燒室燃燒，煤氣流量逐漸上升，輕油流量逐漸減小，高低壓煤氣壓縮機(jī)防喘振調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)小，進(jìn)入燃燒室的煤氣壓力增大。輕油流量逐漸減小到2 kg/s后等待3 min，燃料切換結(jié)束，蒸汽切換正式開始。蒸汽輪機(jī)高壓調(diào)門慢慢關(guān)小，余熱鍋爐至蒸汽輪機(jī)的截止閥打開，啟動蒸汽截止閥關(guān)閉，高壓蒸汽切換結(jié)束，蒸汽輪機(jī)開始接受余熱鍋爐蒸汽做功。之后蒸汽輪機(jī)高壓調(diào)門以一定速率緩慢開啟，開至33 %，中壓調(diào)門開始關(guān)小，等到蒸汽輪機(jī)內(nèi)部中壓缸壓力與余熱鍋爐中壓蒸汽壓力一致時，開啟中壓主汽門，余熱鍋爐中壓蒸汽開始做功。除氧器(低壓汽包)壓力小于40 kPa，低壓主汽門開啟，低壓調(diào)門開啟，余熱鍋爐低壓蒸汽開始做功。至此蒸汽切換完成，機(jī)組啟動結(jié)束，可以慢慢提升負(fù)荷運(yùn)行。

CCPP各階段轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線、負(fù)荷設(shè)定曲線如圖2、圖3所示。

圖2 CCPP各階段轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線

圖3 CCCP負(fù)荷設(shè)定值控制曲線

3 問題分析

該發(fā)電機(jī)組自運(yùn)行到現(xiàn)在已有20多年，最近6年經(jīng)歷了高低壓煤氣壓縮機(jī)更換、余熱鍋爐受熱面改造等多次大型設(shè)備更換改造，機(jī)組正常運(yùn)行工況與之前相比發(fā)生了很大變化，導(dǎo)致最近幾年機(jī)組啟動程序已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有的機(jī)組工況，機(jī)組啟動頻繁失敗脫扣。分析后有以下幾個方面原因。

3.1 煤氣壓縮機(jī)防喘振控制

高低壓煤氣壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)更換，防喘振控制參數(shù)改變，導(dǎo)致高低壓防喘振閥門關(guān)閉速率過快，不符合實(shí)際機(jī)組啟動工況要求。

如圖1所示，高低壓煤氣壓縮機(jī)同處于一根軸系，相互之間也通過煤氣管道相連接。煤氣經(jīng)高壓防喘閥回流至高低壓煤氣壓縮機(jī)中間，影響高壓煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力流量和低壓煤氣壓縮機(jī)出口壓力；煤氣經(jīng)低壓防喘閥回流至低壓煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口，影響低壓煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力流量。所以他們各自的壓力流量對彼此之間的影響關(guān)系非常密切，一旦防喘閥關(guān)閉速率過快或啟動工況突變，煤氣壓縮機(jī)壓力流量參數(shù)容易發(fā)生突變，觸發(fā)防喘振控制系統(tǒng)的參數(shù)變化速率保護(hù)。根據(jù)防喘振控制原理，如圖4所示，喘振線左上方為喘振危險區(qū)，喘振線右下方為安全區(qū)。為防止煤氣壓縮機(jī)參數(shù)向喘振線靠近觸發(fā)煤氣壓縮機(jī)喘振從而損壞煤氣壓縮機(jī)，在喘振線右下方不遠(yuǎn)處設(shè)置一條設(shè)定值響應(yīng)線。在工作點(diǎn)向響應(yīng)線上方移動時能打開防喘閥增加通過煤氣壓縮機(jī)的煤氣流量，使工作點(diǎn)重新回歸響應(yīng)線右下的安全區(qū)域。工作點(diǎn)實(shí)際值與響應(yīng)線設(shè)定值之間偏差(一般選用流量作為工作點(diǎn)和響應(yīng)線的主變量，壓力和溫度作為隨動參數(shù)修正兩者，也可選用出口壓力作為主變量)通過PID運(yùn)算控制防喘閥。

圖4 防喘振控制設(shè)定曲線

實(shí)際工作點(diǎn)與響應(yīng)線之間偏差如式(1)所示：

(1)

式中:K1、K2、K3、C1、C2、C3為常數(shù)；ΔP為煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口差壓，kPa；Pin為煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，kPa；Pout為煤氣壓縮機(jī)出口壓力，kPa；Δ為實(shí)際工作點(diǎn)與響應(yīng)線之間偏差的線性化表現(xiàn)，%。

防喘振控制器輸出上對工作點(diǎn)與響應(yīng)線之間偏差變化速率也做了相應(yīng)保護(hù)，若速率過快防喘閥將會快開，該保護(hù)直接作用于閥門指令，不受正常PID控制，避免因阻力快速增加得情況下的喘振。

如表1所示，低壓煤氣壓縮機(jī)出口壓力及流量急劇下降，進(jìn)口壓力急劇上升，流量變化比壓力變化更加劇烈，導(dǎo)致工作點(diǎn)瞬時快速向響應(yīng)線上方不安全區(qū)域移動，觸發(fā)防喘閥變化速率快開保護(hù)，低壓防喘閥全開，已被煤氣壓縮機(jī)慢慢加壓得出口的高壓煤氣回流至壓縮機(jī)進(jìn)口，導(dǎo)致外界供給得低壓煤氣無法進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)從而觸發(fā)機(jī)組保護(hù)動作脫扣。

表1 脫扣時高低壓煤氣壓縮機(jī)壓力流量閥門開度變化表

3.2 余熱鍋爐熱效率

余熱鍋爐改造后，余熱鍋爐熱效率較改造前有了大幅度提升，這導(dǎo)致在蒸汽切換開始時，余熱鍋爐所產(chǎn)生得高壓蒸汽的能量比改造之前大。如圖5、圖6、圖7所示，機(jī)組負(fù)荷按照圖3負(fù)荷設(shè)定斜率上升，當(dāng)進(jìn)行到蒸汽切換開始時，余熱鍋爐能量轉(zhuǎn)換到蒸汽輪機(jī)處做功，隨著高壓調(diào)門緩慢開大，蒸汽輪機(jī)做功增加，總負(fù)荷增加，蒸汽輪機(jī)做功速率超過總負(fù)荷設(shè)定速率，為了平衡總負(fù)荷，減小煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉開度，從而減小煤氣量使燃?xì)廨啓C(jī)做功減小。

圖5 啟動失敗過程中汽輪機(jī)高壓調(diào)門、 煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉以及負(fù)荷關(guān)系曲線

圖6 CCPP機(jī)組啟動過程脫扣曲線1

圖7 CCPP機(jī)組啟動過程脫扣曲線2

綜合以上兩點(diǎn)，為了平衡總負(fù)荷使之維持負(fù)荷設(shè)定升速率，燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)的負(fù)荷相應(yīng)減少，導(dǎo)致進(jìn)入高低壓煤氣壓縮機(jī)的流量減少，煤氣壓縮機(jī)工作點(diǎn)不穩(wěn)定，且向不安全區(qū)域快速移動，觸發(fā)了防喘振控制系統(tǒng)的參數(shù)變化速率保護(hù)，最終導(dǎo)致了機(jī)組脫扣。

4 解決方案

為了避免蒸汽切換后煤氣壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化速率過快，導(dǎo)致自動打開速率過快，將高低壓防喘閥的關(guān)閉下限分別設(shè)為65%和50%，在蒸汽切換時維持此開度不變，減少煤氣量波動，之后監(jiān)視防喘閥開度和機(jī)組負(fù)荷指令和實(shí)際負(fù)荷等關(guān)鍵工況參數(shù)，手動操作防喘閥指令，逐步手動關(guān)小高低壓防喘閥開度，直到啟動結(jié)束。

如圖2所示，考慮到燃料切換后需等待3 min再進(jìn)行蒸汽切換，在此等待過程中，煤氣流量依然不斷增加，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷出力不斷增加，等到蒸汽切換后為了平衡多余的蒸汽輪機(jī)負(fù)荷出力，低壓煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉和BFG調(diào)門開度大幅減少，煤氣流量將大幅減少(如圖6、圖7所示)，引起煤氣壓縮機(jī)工作點(diǎn)快速移動觸發(fā)煤氣壓縮機(jī)防喘速率保護(hù)。所以在啟動歩序STEP29輕油量下降，減到最小流量2 kg/s時不再等待3 min，立即開始高壓蒸汽切換，通過提前增加蒸汽輪機(jī)負(fù)荷出力，保持燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)負(fù)荷出力不增加，即低壓煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉IGV不再大幅上升，盡量避免蒸汽切換后低負(fù)荷階段低壓煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉IGV的大幅波動導(dǎo)致煤氣量減少的波動。

考慮到高壓蒸汽對蒸汽輪機(jī)負(fù)荷出力影響巨大，后期高壓調(diào)門速率過快，為了平衡過多的蒸汽輪機(jī)負(fù)荷出力，低壓煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉IGV關(guān)小，煤氣流量將大幅減少引起煤氣壓縮機(jī)工作點(diǎn)快速移動觸發(fā)煤氣壓縮機(jī)防喘速率保護(hù)，如圖5曲線最后所示。所以在中壓蒸汽切換開始后，限制高壓調(diào)門開度在33%不增加，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷、煤氣壓縮機(jī)防喘裕度情況，逐漸放開高壓調(diào)門開度限制，避免高壓蒸汽出力增加過快導(dǎo)致煤氣流量下降過快，低壓煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉IGV關(guān)小從而影響煤氣壓縮機(jī)工作點(diǎn)快速變化。

5 結(jié)論

機(jī)組起動過程中，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)出力情況，根據(jù)以上方案，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷盡量不超過設(shè)定負(fù)荷過多，大約3 MW，通過以上一系列措施平衡蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)之間的負(fù)荷出力，保持低壓煤氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉IGV處于穩(wěn)定上升狀態(tài)，使煤氣壓縮機(jī)工作點(diǎn)不出現(xiàn)快速波動觸發(fā)防喘振保護(hù)，機(jī)組就能正常啟動運(yùn)行。