双轴E级燃气蒸汽联合循环机组甩负荷试验

彭 辉，于 强

(江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102)

由东汽引进三菱技术生产的首台双轴E级燃气蒸汽联合循环机组，商业运行前根据电网的要求进行甩负荷试验，评价机组调速系统的控制能力，实测双轴燃机转子的转动惯量[1]。为完成首台双轴E级燃气轮机的甩负荷试验，以东汽M701D型燃机为研究对象，与单轴燃机、亚临界汽包炉机组作比较，分析机组甩负荷的差异，为制定燃机甩负荷控制策略提供了重要依据，通过现场试验计算得出机组甩负荷的主要参数和转子转动惯量，为同类型机组甩负荷试验提供参考。

1 系统简介

某厂2×220 MW燃机热电联产工程是依托国家“川气东送”在江苏省的重要配套项目。燃气轮机（以下简称GT）为东汽供货引进三菱技术生产的M701D型燃机，燃用天然气，额定出力为140.3 MW，排气温度为534.7℃；汽轮机(以下简称ST)为东汽供货的D78B型号高压、单缸、双压、无再热、下排汽、单轴抽汽凝汽式供热机组，发电出力为62.29MW，供热出力为58.46 MW，高压进汽参数为7.135 MPa（a）/515.4℃/210 t/h，低压进汽参数为0.399 MPa（a）/270.3℃/47.52 t/h；余热锅炉采用杭州锅炉有限公司生产的型号为NG-M701D-R1的高压或次高压蒸汽参数、双压、自然循环、卧式布置余热锅炉；燃机控制系统（TCS）随三菱燃机配供，采用三菱重工的DIASYS系统；DCS采用ABB公司的SYMPHONY系统。

燃机部分由19级的压气机，18个预混式低NOx燃烧器和4级透平组成，燃烧室为环管型燃烧室，由18个预混式低NOx燃烧器组成，每个预混式低NOx燃烧器由8个主喷嘴和1个位于中心部位的值班喷嘴组成。压气机转动产生压缩空气在燃烧器内与己被处理过的天然气混合并点火，被压缩和加热后的混合气体膨胀通过燃气透平做功，一部分能量用于驱动压气机，而其余部分能量用于驱动发电机，膨胀后的气体则通过余热锅炉从主烟囱排入大气，由余热锅炉产生的两段过热蒸汽进入汽轮机做功直接驱动发电机。燃机的转速负荷由燃料控制阀控制，汽轮机转速负荷由2个高压调门、1个低压调门控制。为方便启动系统，设计了100%容量的高低压旁路均直接排至凝汽器[2]。

2 双轴燃气联合循环机组甩负荷特点

2.1 与9F单轴燃气联合循环机组比较

9F单轴燃气联合循环机组燃气轮机与汽轮机在同一轴线上，驱动同一发电机，甩负荷时汽轮机退出控制，主汽门与调门同时关闭，仅靠燃气轮机提供动力维持机组3000 r/min；双轴燃气联合循环机组，燃气轮机甩负荷时，主燃料阀瞬间大幅关小，巨大的能量瞬间失去，燃气轮机维持空负荷转速时排气温度迅速下降，快速冷却余热锅炉，汽机侧的蒸汽参数急剧下降，需立即手动快速降低汽轮机组负荷，同时调整旁路来逐步停止汽机，必要时打闸停机以保证汽轮机安全，所以双轴燃机只能分别进行燃气轮机和汽轮机的甩负荷试验。从厂家提供的的停机曲线，如图1所示。燃气轮机从满负荷到空负荷，排气温度从530℃降低到280℃左右，余热锅炉提供的蒸汽参数无法维持汽轮机空转。

图1 M701D型燃机停机曲线

2.2 与燃煤汽包炉比较

（1）燃煤汽包炉甩负荷时，由于汽包炉具有较大的蓄热量，试验时控制好汽包水位和油枪的进油量[3]，维持汽温不剧烈变化即满足试验要求。

（2）双轴燃气联合循环机组汽轮机组甩负荷时，既要满足锅炉安全门不动作，高压旁路的开启又要保证凝汽器的安全，需及时调整燃气轮机的排气量，降低燃气轮机的负荷，同时满足汽轮机主汽门前汽温降幅不大于50℃，需现场进行燃气轮机负荷、排气温度与蒸汽温度变化关系的试验，确定甩负荷时燃气轮机的对应负荷。

通过试验，本机组增加“汽机甩负荷动作时，燃机快速减负荷至70 MW，速率为140 MW/min”的逻辑。同时为防止低压蒸汽超压，提高汽轮机控制转速的能力，采用全开低压旁路对低压蒸汽回路泄压，低压调门关闭后不再参与转速调节。

2.3 与单纯的汽轮机比较

与汽轮机瞬间关闭进汽调门不同，燃气轮机通过控制最小燃料量以维持燃机不熄火不跳机。为保持燃机空负荷定速运行，主燃料阀瞬间大幅关小，这会造成燃机熄火或者燃烧压力波动过大等情况，导致燃机出现安全隐患，因此需进行现场试验，得出最小控制信号输出（CSO）限定值。在甩负荷试验期间，还应安排专人进行燃机熄火及压力波动的监视。

甩负荷时汽轮机直接关闭调门阻止蒸汽进汽，转子最大加速度出现在调门开始关闭的瞬间，调门关闭后主要是中间容积蒸汽推动转速爬升[4]；燃气轮机是直接降低燃料量至最小值，待转速下降后再开启燃料控制阀维持空负荷转速，转子最大加速度出现在燃料控制阀开始关闭的瞬间。由于一直有最低燃料量维持，燃气轮机转速的飞升值较汽轮机大的多，通常接近3300 r/min，控制不好更容易引起超速保护动作。

3 甩负荷试验情况

3.1 汽机甩负荷

2011年11月24日进行汽机100%甩负荷，按下电气“紧急停机”按钮，联跳发电机主开关、灭磁开关，甩掉全部电负荷，功率负荷预测功能作用，迅速关闭高低压调门，旋转隔板，甩负荷后汽机转速飞升至3112 r/min，3 s后转速3060 r/min时高压调门开启，超速保护装置（OPC）动作1次后机组转速缓慢稳定在3000 r/min左右，燃机快速降至70 MW。甩负荷时前后主要参数如表1所示，汽轮机甩负荷曲线如图2所示。

根据图 2 计算出动态超调量：Ф=（nmax－n0）/n0×100%=（3113－3000）/3000×100%=3.7%， 且 Ф ＜5%，该值满足国家标准的要求。

表1 汽轮机甩负荷时前后主要参数值

图2 汽轮机甩负荷曲线（最高飞升转速3112 r/min）

3.2 燃气轮机甩负荷

2011年11月24日，进行燃气轮机100%甩负荷，甩负荷动作后燃料控制阀门随转速的变化曲线，如图3所示。CSO与主要阀门的变化值，如表2所示。

图3 甩负荷后燃料控制阀随转速变化的曲线

表2 甩负荷前后各主要阀门变化

燃气轮机阀门迅速关小维持最小CSO，经过5.850 s转速飞升到最大值3294 r/min后缓慢下降，约50 s后主燃料流量阀逐步开启，维持转速稳定在3000 r/min。汽机侧由于主蒸汽温度下降速度过快，手动打闸停机。

3.3 燃气轮机甩负荷数据处理

通过对平滑处理后转速曲线进行微分处理，可得到加速度曲线，如图4所示。从图4中读取最大加速度点和最高飞升速度点的数据如表3所示。转子加速度最大值 a=183.7 （r·min-1）/s。

图4 燃气轮机甩负荷后转速的变化曲线及微分变换后加速度曲线

表3 燃气轮机甩负荷后转速的变化曲线及微分变换后加速度曲线数据表

通过计算，转子时间常数为：Ta=16.33 s，转子转动惯量J=24384.7 kg·m2，此转子转动惯量与设计值基本接近。

4 结束语

（1）双轴燃气蒸汽联合循环机组由于燃机的特性，甩负荷试验只能分别进行。

（2）甩负荷试验前需现场确定燃机的最低负荷范围，以降低蒸汽压力的波动，防止锅炉安全门动作，同时满足汽轮机甩负荷后蒸汽温度的要求。

（3）由于燃机中间容积相对的较大，甩负荷后飞升速度高，超速保护且宜临时设置在3300 r/min以上。

[1]DL/T 5437—2009.火力发电建设工程启动试运及验收规程[S].

[2]DL／T711—1999.汽轮机调节控制系统试验导则[S].

[3]田 丰.国产600 MW超临界机组甩负荷试验分析[J].汽轮机技术，2009，51（3）.

[4]薛江涛，彭 辉.660 MW超超临界机组甩负荷快速并网试验策略研究[J].江苏电机工程，2010，29（6）：71-73.