6F级燃气轮机温度匹配功能及其运行优化分析

江苏国信高邮热电有限责任公司 宦 林

某6F级燃机联合循环机组采用GE公司设计制造的6F.03型燃气轮机，燃机采用MARK VIe控制系统。机组自投产以来经过多年的运行，在机组启动过程中燃机与汽机的协调匹配问题越来越突出：联合循环机组冷态启动时首先启动燃气轮机，燃气轮机发启动令后自动运行至全速空载状态，燃机在全速空载阶段的排气温度比较高，以6FA燃气轮机为例，排气温度可达450℃，余热锅炉受热后升温升压，通过过热器减温水将过热蒸汽最低降至350℃，若汽机冷态启动时，导致汽轮机冲转时进汽温度与缸温偏差近330℃（汽机冷态时缸温以20℃计）。以这种状态启动时容易造成汽轮机的金属热应力过大，汽轮机热冲击增大，汽机冲转后需要长时间暖机来缓解膨胀不均，不仅空消耗热量，也严重影响汽轮机的使用寿命[1]。

为优化燃气联合循环机组冷态启动方式，使机组启动时主汽温与汽机缸温相协调匹配，缩短机组启动时间和减缓汽机热冲击，开发利用燃气轮机温度匹配功能。本文通过对联合循环机组冷态启动投用燃机温度匹配前后数据分析对比，结果表明燃机温度匹配功能可以有效缩短机组冷态启动时间和提高机组启动过程中的经济性。

1 温度匹配原理

在联合循环机组中，燃气轮机作为余热锅炉乃至整个联合循环的热量源，控制燃机的排气温度可以实现间接控制余热锅炉的蒸汽温度水平的目的。燃机在整个联合循环过程中处于前端，由于燃机排气温度可以通过调节燃料量或压气机的进口导叶角度（Inlet Guide Vane,IGV）实现，实质是通过空燃比的变化改变燃烧后的排气温度。

在燃气轮机控制系统中加入温度匹配功能模块和控制逻辑，在燃机某一稳定运行工况下，保持其余参数不变，降低燃气轮机的燃料量（TNR）或关小进口导叶（IGV）降低燃机排气温度，进而间接的降低余热锅炉的出口蒸汽温度，实现与汽轮机金属温度相匹配，防止汽轮机在冷态启动中受到过大的热冲击。L83TMSEL为燃机温度匹配允许条件，TTXM为燃机排气温度，ttrxtm cmd为燃机排气温度设定目标值。投温度匹配后降低燃机排气温度过程，先降低燃料量（TNR），进口导叶（IGV）保持不变，待燃料量降低至最低后IGV开度逐步开大增加送风量，直至燃机排气温度达到目标值。

燃机温度匹配未投运前联合循环机组正常的冷态启动流程分为两种：燃机发启动指令-燃机转速上升清吹-降速点火-暖机-升速至全速空载-汽机冲转-燃机发电机并网-汽机发电机并网-燃机、汽机发电机升负荷-协调控制-投入AGC；燃机发启动指令-燃机转速上升清吹-降速点火-暖机-升速至全速空载-燃机发电机并网带初负荷（5MW）-汽机冲转-汽机发电机并网-燃机、汽机发电机升负荷-协调控制-投入AGC。

此两种启动方式主要区别是：第一种启动方式燃机发电机在汽机冲转时未并网，此时燃机热负荷轻，可将汽机冲转主蒸汽温度控制在350℃，但汽机冲转过程中燃机空转未发电经济性较差；第二种启动方式燃机发电机在汽机冲转前已并网带初负荷，汽机冲转暖机过程中燃机发电机并网发电经济性有所提升，但此时燃机热负荷升高，汽机冲转主蒸汽温度只能控制在400℃，机组冷态启动时汽机缸温与蒸汽温度偏差较大[2]。

投入燃机温度匹配联合循环机组的冷态启动流程：燃机发启动指令-燃机转速上升清吹-降速点火-暖机-升速至全速空载-燃机发电机并网带负荷投入温度匹配-汽机冲转-汽机发电机并网-燃机、汽机发电机升负荷-协调控制-投入AGC。投入温度匹配启动方式下燃机发电机在汽机冲转前已并网带负荷，通过温度匹配降低了燃机排气温度，完美实现了机组启动过程中汽机冲转主汽温控制与启动经济性相兼容。

由表1可以看出：燃机启动时全速空载时排气温度最低，但是对于汽机冷态的情况下仍然偏高，无法将主汽温度降低至与汽机缸温相匹配；燃机排气温度受大气环境温度影响较大，冬季与夏季可以相差30℃，在夏季时在燃机不投温度匹配的情况下主汽温更无法控制与汽机缸温相匹配；燃机在并网后烟气温度和流量会大幅上升，余热锅炉主汽温也会上升较快。

表1 燃机各阶段排气温度对比

2 温度匹配的实现

2.1 温度匹配的人机界面

GE公司6FA燃机温度匹配的组态界面组成部分：温度匹配的投入退出按钮，当操作员按下温度匹配投入退出键“On”或“Off”按钮时，对应的按钮颜色会改变；温度匹配投入条件，任何一条不满足即无法投入温度匹配功能，其对应的条件会变成红色，以提醒操作员检查操作；温度匹配的设置值及温升变化速率，每个变量对应一个手动输入框和一个状态监测框，以监视用户的设定值是否成功的被写入了控制系统软件中。

由于燃机MARK VIe控制系统与DCS控制系统分属不同厂家、不同控制方式，操作人员不能在同一电脑上进行操作，为方便温度匹配投运后的监视操作，在DCS系统上新增加温度匹配控制模块，将燃机MARK VIe控制系统中燃机温度匹配功能模块测点参数转接至DCS系统中，实现在DCS系统直接控制燃机温度匹配功能，根据余热锅炉主汽温实时调整燃机排气温度。

2.2 温匹功能投运步骤

燃机发启动令，点火成功至全速空载；燃机发电机并网，带初始负荷10MW，记录此时燃机排气温度、IGV角度、CA_CRT参数；检查机组DCS温度匹配操作画面已具备使用条件，DCS和TCS数据连接正常；检查燃机Temperature Matching画面中下列条件全部变绿：TNR below TM turn on level（TNR＜104%）。TNR above TM turn on level（TNR＞100.2%）（燃料指令在投温匹条件范围内）。Generator breaker（发电机已并网）。At Max Exhaust Temp for Temp Matching（排气温度在温控线以下）。TNR outside IGV temp match range trip TM（（100.4-TNR）＜0.1）。

在DCS温度匹配画面温度匹配温升降速率设为0℃/s,温度匹配温度控制目标值设定为燃机当前排气温度，检查燃机温度匹配参数控制对话框内温度匹配设定值与温度目标值一致，温度升降速率与温度匹配速率设定值一致；在DCS温度匹配画面点击“燃机温度匹配切至DCS操作”按钮将燃机温度匹配控制权限切换至DCS，点击“燃机温度匹配投入”按钮，检查燃机温度匹配功能投入。

在DCS温度匹配画面输入温度匹配温升降速率,输入温度匹配排气温度目标值，目标值要求与燃机当前排气温度偏差5～25℃范围内，检查燃机排气温度自动调整至目标值，IGV角度、燃机负荷、火检信号、燃机负荷、燃料阀、排气温度、燃烧脉动自动调整正常；当燃机排气温度达到设定值后，在温度匹配设定对话框内继续降低设定温度，排气温度可以最低至700℉（371℃），检查燃机运行参数稳定；调整机组主汽压力、主汽温度，汽机冲转条件满足，汽机冲转。

根据汽机冲转过程缸温、胀差变化，在汽机暖机过程中逐步提高主汽温度，过热器减温水和温度匹配功能配合使用，优先通过在燃机温度匹配参数控制对话框内设定温度来提高排气温度，保持主汽温度与汽机缸温温度差在100℃左右，主蒸汽温度升速率保持在1℃/min左右，同时参考机组振动、绝对膨胀、低压缸胀差，只要绝对膨胀稳步升高，胀差有向正方向变化趋势时可加快温度设定进行暖机完成正常并网带负荷；当燃机负荷和排气温度恢复至投温匹前状态，依次点击“燃机温度匹配退出”、“燃机温度匹配切至TCS操作”按钮，退出燃机温度匹配功能，燃机投入预选负荷控制模式，根据机组启动曲线手动控制机组升负荷速率，提高燃机排气温度。

3 运行优化

3.1 缩短机组冷态启动时间

某联合循环机组自投产以来机组启动一直采用燃机全速空载后待蒸汽参数达到汽机冲转要求（主汽温350℃），汽轮机转速升至3000r/min后，先燃机发电机并网后汽机发电机并网的方式(启动方式①)。图1中启动方式②机组冷态启动采用燃机全速空载后，燃机发电机并网带5MW初始负荷后待蒸汽参数达到汽机冲转要求（主汽温405℃），汽机冲转并网带负荷。

图1中启动方式③机组冷态启动首次投运燃机温度匹配功能，燃机并网后带10MW投入温度匹配功能使燃机排气温度由535℃降至380℃使蒸汽参数满足汽机冲转要求（主汽温328℃）。由于首次投运温匹功能，燃机并网、投温匹准备及温匹操作调整时间过长，导致机组整个启动时间未明显缩短，但由于汽机暖机过程中燃机并网运行，较之前冷态启动经济性大幅升高。图1中启动方式④为燃机投用温度匹配运行方式优化后机组冷态启动（主汽温320℃），由图表数据可知该机组启动燃机发启动令至汽机冲转耗时64分钟、汽机冲转至并网耗时75分钟，较③机组启动（第一次投温匹）分别缩短36、20分钟，较①机组启动（未投温匹）分别缩短25、72分钟。

由图1所示，机组原冷态启动从燃机发启动令至燃机带10MW负荷，汽机并网跟随方式时间基本一致，均历时约4小时。自投运燃机温度匹配后启动方式优化，启动时间缩短至2.5小时。

图1 机组四种启动方式耗时

3.2 提高机组启动经济性

由图1可以看出，投入温匹后由于燃机发电机提前并网，燃机多发电约200min,按启机方式④计算机组启动耗用天然气2万立方米，燃机发电约13MWh，上网电价按0.5元计算：13000×0.5=6500元。启机方式①计算机组启动耗用天然气3.2万立方米，天然气少耗1.2万方米，天然气按每立方米2.5元计算：12000×2.5=30000元。所以单台机组冷态启动投温匹运行方式优化后约产生效益6500+30000=36500元；按照两台机组年启动40次计算：36500×40=1460000元；以上经济效益仅考虑多发电量及少用天然气产生的效益，还未考虑启动时间减少后节水、节电、节热的经济效益。

3.3 减少汽机冲转热冲击

燃机温度匹配投运后汽机冲转主汽温进一步降低，缩小了主汽温度与缸温偏差，减小汽机热应力，有利于汽机寿命延长。缩短汽机冲转暖机时间，将汽机空转暖机优化为带低负荷暖机、增加暖机效果，进一步提升机组启动经济性。

3.4 满足汽机滑参数停机要求

燃气轮机降负荷时，当负荷低至25%以下燃机排气温度会快速下降，操作人员无法通过控制燃机负荷精准控制燃机排气温度，并且如表1所示，燃机降至最低负荷时燃机排气温度依然较高，主汽温最低降至400℃，无法满足汽机进一步滑参数停机要求。滑参数停机过程中当燃机负荷降至25%负荷以下时投运燃机温度匹配功能，控制主蒸汽按照一定降温降压速率逐步精准降低燃机排气温度，最终将主汽温降低至320℃，缩短机组停运后汽机自然冷却及检修时间。

综上，在6F级燃机联合循环机组冷态启动过程中，通过投入燃机温度匹配功能，不仅可以有效缩短机组启动时间1.5小时，并且单次单机可以节约近4万元启动费用，机组启动经济性大幅提升，同时汽机暖机时间缩短，冲转参数降低有利于减少汽机热应力，延长机组寿命。6F级燃机温度匹配功能适合在所有燃机联合循环机组中推广使用，提高机组经济性。