基于西门子F级燃气机组深度调峰技术研究

李旭光，刘 杨

(华能河南中原燃气发电有限公司，河南 驻马店 463000)

燃气-蒸汽联合循环机组具有启停调峰速度快、性能优的特点，但发电成本高，尤其在机组启停或单循环运行时。近年来，随着光伏与风电等新能源快速发展，燃煤机组深度调峰[1]，天然气因供应紧张而导致气价上涨，以及国家经济降增速促使电价降低等因素，燃气机组的生存压力愈加艰难。

燃气机组与燃煤机组相比，在快速调峰方面具有较大优势；但联合循环状态下，其接近40%基本负荷的调峰深度，却不及燃煤机组正常50%基本负荷、甚至特殊时段超过70%基本负荷的调峰深度。燃气机组启停机过程及单循环调峰运行时，气耗高，严重影响电厂的经济效益[2]。因此，对联合循环运行模式下的深度调峰进行研究，以保证燃气机组的经济性和调峰优势。

1 深度调峰原理

西门子F级燃气-蒸汽联合循环机组基本负荷设计值390 MW，其中燃气轮机负荷260 MW、汽轮机负荷130 MW。机组启动时，燃气轮机负荷130 MW与汽轮机进汽条件满足，开始进入燃气-蒸汽联合循环；机组停运时，燃气轮机先降负荷至130 MW，汽轮机开始走停机程序，汽轮机脱开后，燃气轮机再继续降负荷至发电机解列；正常运行时，机组最低联合循环负荷250 MW。

燃气机组进入联合循环运行，汽轮机控制器压力控制激活，旁路阀不动作时汽轮机进汽调门协调控制压力。机组快速变负荷，若定参数运行，汽轮机进汽主要为温度变化导致的热应力变化，此时进汽温度变化决定汽轮机运行；若滑参数运行，高负荷段汽轮机高压主汽调门全开，主蒸汽压力越高，对应的饱和温度变化趋势变缓，此时进汽压力变化决定汽轮机运行。燃气轮机负荷不高于130 MW，同时汽轮机[3]进汽条件满足，则可实现燃气机组深度调峰。

2 机组运行分析

2.1 机组气耗分析

相同负荷下，气耗率越低，机组性能越好，经济效益越优，气耗率是燃气机组性能和经济效益的集中体现。机组不同负荷运行，单循环和联合循环运行模式下天然气流量情况如表1所示。

由表1可知，相同负荷情况下，燃气轮机单循环运行气耗较高，比联合循环气耗约高0.7×104Nm3/h。燃气机组退出联合循环进入单循环模式调峰运行，若要再次进入联合循环调峰，汽轮机需惰走1 h才能冲转，电厂总体经济效益损失更大。

表1 机组不同负荷运行天然气流量情况

2.2 汽轮机进汽参数分析

燃气-蒸汽联合循环机组深度调峰的本质为机组负荷无限低条件下，汽轮机进汽参数[4]依然满足要求，燃气轮机和汽轮机均可安全带负荷运行。借助仿真机开展机组深度调峰研究，记录不同负荷稳定运行状态下相关进汽参数，如表2所示。

表2 不同负荷下汽轮机相关进汽参数

依据表2分析，机组负荷高于190 MW时，汽轮机高压主蒸汽温度变化较慢，低于190 MW时，高压主蒸汽温度下降越来越快。机组升负荷至250 MW时，高压主汽调门逐渐开大至全开，汽轮机由定参数转为滑参数运行。依据西门子设计，机组最低联合循环负荷250 MW。机组深度调峰时，在最低设计联合循环负荷下定参数运行，汽轮机高压主汽调门调整主蒸汽压力不变，主蒸汽温度随负荷升降而改变。

2.3 深度调峰危害分析

西门子燃气—蒸汽联合循环机组燃烧系统由扩散燃烧、预混燃烧和值班燃烧3路进气组成，点火时采用扩散燃烧，点火后燃气轮机升速至23 Hz，预混燃烧投入运行，燃气轮机转速50 Hz时开启值班燃烧(小流量扩散燃烧模式)、关闭扩散燃烧；燃气轮机正常运行时，预混燃烧和值班燃烧2路工作。机组深度调峰及启停机过程中，因燃气轮机低负荷阶段空气过量系数大，为维持燃烧稳定，燃气轮机值班燃烧天然气流量较大，燃气轮机启机升负荷至100 MW后值班流量逐渐开始降低，停机降负荷至110 MW后值班流量逐渐开始升高，导致机组的NOx排放可能会发生超标[5]的现象。

燃气机组深度调峰，汽轮机定参数运行，高压主蒸汽压力不变，主蒸汽温度降低，蒸汽中可能含水，对叶片造成汽蚀；末级叶片蒸汽湿度增加，缩短叶片使用寿命；高温部件可能产生很大的热应力；若高压主蒸汽温度剧降，可能会发生水冲击现象。

3 深度调峰控制策略

燃气机组深度调峰定参数运行，依据国家标准和规范，汽轮机高压主蒸汽温度变化不高于5 ℃/min。依据表2分析，机组负荷140 MW降至130 MW，高压主蒸汽温度从485 ℃降至468 ℃，降负荷过程至少需要3.4 min，应手动设定目标负荷保证运行安全，每分钟设定1次目标负荷，最大降负荷率2.95 MW/min。若不人为控制升降负荷率，机组将自动以13 MW/min负荷变化率到达设定负荷，汽轮机会因高压主蒸汽温度剧降而造成保护动作跳闸。

联合循环机组负荷设定，例如机组负荷140 MW，一般设定燃气轮机负荷100 MW，汽轮机负荷40 MW，汽轮机进汽调门开度均较小，且旁路系统投入运行，应加强运行操作和DCS画面监视。机组深度调峰[6]应退出机组协调控制，燃气轮机和汽轮机负荷单独设定，汽轮机升降负荷率合理设定，结合相关要求手动优化调整，维持机组联合循环正常运行。

机组深度调峰允许的最低联合循环运行负荷，需依据试验确定。联合循环低负荷运行，机组的排放环保指标可能不满足要求，应提前开展低负荷燃烧调整。在未优化燃气轮机与汽轮机控制器，实现自动控制深度调峰之前的手动操作，不同运行人员操作结果存在偏差，且稳定性无法保证，手动操作时应合理控制降温、降压速率和过热度等参数变化。

4 结束语

燃气-蒸汽联合循环机组深度调峰，燃气轮机在不开展任何技术改造的前提下，应注意机组负荷变化时必须足够慢，不能因高压主蒸汽温度急剧变化引起汽轮机保护动作跳机，根据实际运行情况控制升降负荷速率。分析研究，若进一步降低联合循环最低负荷，最终实现机组自动深度调峰，应开展进气可调导叶技术改造，通过改变进入压气机的空气流量，确保燃气轮机低负荷运行，同时保证汽轮机高压主蒸汽具有较高温度。