三菱M701F4型单轴燃气蒸汽联合循环机组深度调峰试验的分析与探讨

华能重庆两江燃机电厂 刘印 蒋金希 胡鸿相

1 机组概述

某电厂新建工程1、2号机组采用国内某主机制造厂引进的日本三菱重工M701F4机型。汽轮机采用高压、三缸、三压、再热、排汽、单轴抽汽凝汽式供热机组。发电机为全氢冷旋转无刷励磁。余热锅炉采用东方日立锅炉有限公司生产的卧式、无补燃、三压、再热、自然循环、露天布置余热锅炉。燃气轮机、汽轮机、发电机采用同轴布置。每套机组在汽轮机纯凝性能保证工况下发电功率467.340MW；机组供热性能保证工况按汽轮机额定抽汽量225t/h、供汽参数1.0 MPa (a)/ 300℃设计，发电功率397.790MW，额定供热能力185MW，最大抽汽量328 t/h，最大供热能力270MW。

2 深度调峰的背景

目前全国电网负荷增量减缓，而火电机组装机容量一直保持较大的增长量，特别是重庆地区更为突出。以重庆电网为例，每天的电网的峰谷差很大，在电网负荷低谷时大量的机组由于机组自身的种种原因只能最低带负荷至50%额定负荷，这造成了网内发电机组不得不停机保障电网顺利度过低谷，再加上重庆电网在网的燃机电厂又被定义为调峰机组，因此更是每天双机启停调峰，以重庆电网在网的燃机电厂为例2016年重庆某燃机电厂双机启停达到347次，每次启停都对机组性能指标，经济效益，设备健康都造成较大的负面作用，因此通过分析论证如果深度调峰能使机组在30%额定负荷稳定运行，减少机组启停次数，保障了电网安全运行且延长了机组寿命，更可以创造可观的经济效益，对目前形势下日益经营困难的电厂会有较大积极意义。

3 单轴联合循环燃气轮机组深度调峰需要关注的问题

3.1 燃机燃烧参数的调整

三菱M701F4燃气轮机虽然在投产或者每次大修后都会对燃机进行燃烧调整，正常最低负荷为50%额定负荷下运行，但是由于深度调峰需要在30%燃气轮机联合循环额定负荷下运行（燃机负荷约80MW，汽机负荷约50MW），因此必须在30%燃气轮机联合循环额定负荷工况下对燃机进行全面的燃烧调整以保证机组从50%～30%额定负荷变化时的安全运行燃烧稳定，且还要尽可能考虑烟气NOX，SO2等排放问题。因此，在做燃机燃烧调整时，对机组从50%～30%额定负荷变化进行了燃烧调整，对各燃气阀参数进行了重新优化整定，经过燃烧调整试验，修改了BPT温度的报警和其主保护动作值的函数曲线以及CLCSO的增益系数，重新整定各燃气阀的参数（如图1，表1）。

3.2 汽轮机进气蒸汽品质的控制与监视

三菱M701F4单轴机组在机组原来最低50%额定负荷正常运行时高、中、低压调阀控制策略分别是高压调阀控制高压蒸汽压力大于5.3MPa；中压调阀控制中压蒸汽压力大于1.37 MPa;低压调阀控制低压蒸汽压力大于0.25 MPa,正常运行时由于燃机排烟热量能保证锅炉蒸汽品质，所以高、中、低压调阀都是保持全开状态，深度调峰时燃机负荷会大幅度降低到80MW，燃机排烟热量随之降低得较多，从而影响高、中、低蒸汽品质，因此，为了保证汽轮机运行安全，防止蒸汽带水对叶片造成极大地危害，必须对高、中、低蒸汽过热度（蒸汽实际温度减去当前蒸汽压力对应的饱和温度）不低于50℃以及燃气轮机各个轴瓦的振动变化趋势进行密切的监视，如有异常立即采取紧急措施。经过充分讨论，制定要相关措施后，通过对机组深度调峰试验可以从图3，图4中看出：机组#1～#8轴承X、Y向振动良好，高、中、低压蒸汽压力和温度也在正常范围内，高、中、低压调阀中只有高压调阀控制高压主蒸汽压力在5.3 MPa从高负荷减负荷过程中关小至34%，其余中、低压调阀都保持全开，高、中、低压主蒸汽过热度基本在50℃以上，过热度余量较大，能为汽机安全运行提供足够的保证，因此对蒸汽品质控制相关修改没有必要进行。

3.3 燃气轮机TCA和FGH控制的问题

三菱M701F4燃气轮机的透平转自冷却空气系统通过管壳式空气冷却器的换热功能，利用余热锅炉高压给水泵的水来冷却燃气轮机压气机末级抽气，然后将冷却后再送回燃气轮机对透平转子进行冷却，该冷却空气就是“TCA”（Turbine Cooling Air），吸收了热量的水直接进入高压汽包或凝汽器。由于热量在整个循环过程中基本没有损耗，因此大大提高了整个联合循环的效率，但是如果余热锅炉高压给水泵的来水量过小，燃气轮机压气机出口的空气温度将无法降低到设定值时，会有可能造成燃气轮机透平转子受高温氧化和腐蚀的风险，因此燃气轮机的TCA流量低是作为机组主保护设定，在深度调峰由高负荷降低TCA流量由50%额定负荷时的的接近70T/H降低至47T/H,离主保护动作值还有大量的余量(如图5)，故三菱M701F4燃气轮机的透平转子冷却空气系统（TCA）满足深度调峰工况，无需优化。

三菱M701F4燃气轮机的燃气加热系统（FGH）是中压给水泵出口至FGH燃气加热系统加热后再至低压省煤器或凝汽器，如果燃气加热系统出现加热中断导致燃气温度下降等异常情况，会导致机组触发RB，甚至FGH入口流量低于燃机负荷所需流量还会触发自动停机，因此在做深度调峰试验时将负荷降至额定负荷30%的过程中，密切监视了FGH燃气加热系统的中压泵回水在至低压省煤器和凝汽器之间切换情况和FGH流量和天然气温度的变化，直至最后试验完成后，天然气温度在200℃左右波动，距离机组触发RB值还有较大余量，FGH流量在20～30T/H之间波动，距离自动停机动作的触发值也还有一定余量（如图3），因此三菱M701F4燃气轮机的燃气加热系统（FGH）满足深度调峰工况，无需优化。

表1 燃烧调整后的参数修改表和各燃气阀门参数设定值

图1 燃烧调整后的参数修改表

3.4 烟气排放

由于深度调峰，燃机负荷将减至到80MW左右，那么将会有一定量的不完全燃烧的CH4以及CO等气体排出，经过试验可以看出来（如图6）NOX在深度调峰阶段是在20 mg/Nm3～30 mg/Nm3波动，远远小于环保要求的小于50 mg/Nm3的，符合环保对燃机电厂的要求；粉尘一直在0.4～0.5 mg/Nm3波动，也是远远小于环保要求的5 mg/Nm3；CO由于不完全燃烧，在燃气轮机负荷降到深度调峰目标值后，基本上升至900 mg/Nm3左右，目前环保还没有对CO进行硬性要求，对深度调峰没有负面影响。

然而烟囱出口SO2却异常上升至84 mg/Nm3，环保对燃机电厂指标为35 mg/Nm3，已经大大超过环保规定的考核值。天然气里面硫元素基本检测不出来，却在最后燃烧的烟气中检测出SO2测量值，经过种种分析，找出原因是目前该SO2测量方式是非分散红外吸收法，该方法就是用红外光通过烟气，烟气中气体成分对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从郎伯-比尔吸收定律，通过光强的变化测出气体的浓度。由于深度调峰时燃机负荷很低会存在一定量的CH4等不完全燃烧的气体，而CH4和SO2吸收红外波长基本雷同，因此造成深度调峰SO2测量值异常现象基本可以确定是由于CH4等不完全燃烧气体成分引起测量装置误认为是SO2浓度。由于目前SO2测量装置基本都是非分散红外法，均会在有其他干扰气体存在的条件下引起误差，经过相关资料查询，CH4和SO2对紫外光波长吸收不一样，能避免CH4等不完全燃烧气体引起的误差，预计今年将会完成SO2测量装置的改造，彻底解决深度调峰SO2测量值超标问题，达到环保标准。

图3 深度调峰中燃气轮机#1～#8轴承振动测量值

图4 深度调峰中燃气轮机高、中、低压阀门开度以及高、中、低压蒸汽温度和压力测量值

3.5 一次调频及负荷调节问题

3.5.1 一次调频问题

三菱M701F4型燃机一次调频投入条件需满足4个条件(如图7)：

（1）自动负荷控制投入。

（2）燃机停机指令未发。

（3）燃气轮机启动完成。

（4）发电机功率不能小于50%额定负荷（230MW）。

由于深度调峰机组负荷会低于50%，由于燃机本身性能特性，一次调频将会退出运行，那么电网是否允许燃机在一次调频退出的情况下长周期深度调峰运行，是需要协调解决的问题。

3.5.2 负荷调节问题

三菱单轴M701F4型燃气轮机的实际负荷等于燃机负荷加上汽机负荷，在深度调峰过程中，如果按照机组负荷按照电网要求不低于7000MW/MIN设定速率，同轴燃气轮机的汽机负荷主要是余热锅炉的出力决定，而余热锅炉的出力由燃机排烟热量决定，如果燃机负荷变化还是按照电网要求的设定速率，那么燃机负荷会很快下降，导致燃机排烟热量下降很快，余热锅炉的蒸汽热量也会快速下降，会造成汽机热应力变化过快，对汽机安全稳定运行影响较大，因此，深度调峰时机组负荷下降的速率设定为2000MW/MIN，那么必将满足不了电网规定的7000MW/MIN速率的要求，这个也是需要和电网协调解决的问题。

表2 一台机组每次启停机主要能耗成本

图5 深度调峰中TCA和FGH各测量值曲线

图6 深度调峰中NOX以及SO2，CO等各测量值曲线

图7 三菱M701F4型燃机一次调频投入条件

4 燃气轮机实际实行深度调峰的经济分析

其中发电量是每次启动所能发出的电量是收入，可以得出一台机组每次次启停机成本计算公式为：成本=发电量-厂用电量-综合厂用电量-耗气量-EOH消耗量，由此得出冷态，温态，热态的启动费用分别为12.54万元，8.91万元，7.66万元。

2016年两台机组启动347次，如果实现深度调峰，经过对电力负荷市场预测，至少能减少50%的启动次数，由于是启动频繁，机组一般处于热态，那么2016年将节约成本约为（347次/2）×7.66万元=1329.01万元。

5 结论

通过这次机组的深度调峰试验，证明了三菱M701F4型燃气轮机最低负荷能从50%额定负荷降低至30%额定负荷安全运行。

但是，同时还存在着在深度调峰至30%额定负荷时SO2测量装置测量不准而需要改造，电网要求的一次调频是否投入以及AGC速率不满足需要协调处理的问题。如果能解决好以上三个问题，那么将会在目前日趋严峻的电网负荷形势下，让三菱单轴M701F4型燃气轮机具有更好的灵活运行方式，减少运行成本，增加机组寿命，具有积极的推广意义。

[1] 三菱重工-控制系统逻辑