企业简介

作为中国自动化领域的权威旗舰网络媒体，控制网创立于1999年7月，是中国举行的第十四届IFAC （International Federation of Automatic Control）大会的中国官方组织机构的唯一指定网站。控制网是中国自动化学会专家咨询工作 委员会（ECC）的秘书处常设之地。是北京自控在线文化传播有限公司开设的网站。

  • 公司类型：其他

联系方式
  • 控制网
  • 地址：北京市海淀区上地十街辉煌国际2号楼1504室
  • 邮编：100085
  • 电话：010-57116291 / 59813326
  • 传真：010-59813329
  • 网址：http://www.kongzhi.net
  • Email：mahongliang@kongzhi.net
  • 联系人：市场部
案例详细
标题一种提高燃气轮机联合循环效率方法的可行性分析
技术领域仪器仪表
行业电子制造
简介针对调峰性质的9E型燃气-蒸汽联合循环机组启停机频繁，可能在部分负荷状态下运行的特点，探讨当燃机处于部分负荷状态下长时间运行时，通过改变燃机IGV控制方式来提高排烟温度，进而提高联合循环机组的整体热效率的一种方法。本方法不同于IGV温控，而是通过修改常数CSKGVSSR来推迟IGV从最小全速角57 ?开启到84?角这一动作到来的时间，从而使燃机在部分负荷时，能够获得较高的排烟温度，便于余热锅炉快速地升温、升压，以提高联合循环机组的整体热效率。相比IGV温控，这种方法对燃机排烟温度的控制更加灵活、有效。
内容 刘建平 （1976-）

男，湖北武汉人，工程师，毕业于武汉水利电力大学（今武汉大学）热动系，研究方向：热工自动控制系统及电气仪表装置，现任武汉汉能电力发展有限公司热能控制专工。

摘要：针对调峰性质的9E型燃气-蒸汽联合循环机组启停机频繁，可能在部分负荷状态下运行的特点，探讨当燃机处于部分负荷状态下长时间运行时，通过改变燃机IGV控制方式来提高排烟温度，进而提高联合循环机组的整体热效率的一种方法。本方法不同于IGV温控，而是通过修改常数CSKGVSSR来推迟IGV从最小全速角57 ?开启到84?角这一动作到来的时间，从而使燃机在部分负荷时，能够获得较高的排烟温度，便于余热锅炉快速地升温、升压，以提高联合循环机组的整体热效率。相比IGV温控，这种方法对燃机排烟温度的控制更加灵活、有效。

关键词：IGV温控；常数CSKGVSSR；温控线；燃气-蒸汽联合循环热效率

Abstract: The start and stop of 9E gas and steam combined cycle generation with the nature
 of peak modulation is frequent, which may cause the long time operation of units working
 under the part load condition. In view of this characteristic, by changing the control 
way of IGV we propose a method to enhance the discharging fume temperature, and further 
improve the overall thermal efficiency of the combinedcycle gas turbine when the unit 
operates under the part load condition .  This method is different with IGV Temperature 
Control, and it postpones the time of IGV from the smallest full speed angle 57°to 84°by revising the constant CSKGVSSR so that the gas turbine can obtain high discharges fume
 temperature when the unit works under the part load condition. Based on this method, the
 heat boiler can obtain high temperature and pressure very fast, and the overall thermal 
efficiency of the combinedcycle gas turbine can therefore be improved.  Compared with IGV
 Temperature Control, our method is more flexible and effective in aspect of temperature 
control to the discharging fume of the gas turbine.

Key words: IGV Temperature Control; Constant CSKGVSSR; Temperature Control Line; The gas
 and steam combined cycle thermal efficiency

1 概述

    该厂燃气-蒸汽联合循环机组由阿尔斯通（ALSTOM）生产的9E型燃气轮机与哈汽生产的汽轮机构成，燃机控制系统为GE公司的MARKV系统。由于该厂为调峰性质联合循环电厂，负荷状态可能由于电网调度的需求而变化，有时燃机可能长时间运行于部分负荷的工况下，这时候机组的热效率就会降低。为了提高经济效益，可以在冷态启机过程和部分负荷运行时投入IGV温控，但投入IGV温控后有以下问题：

    （1）IGV温控下可能导致排烟温度很高，危及到锅炉过热器管排的安全。

    （2）解除IGV温控时会导致排烟温度骤变，影响主蒸汽品质，同时增加了过热器管排金属的热疲劳程度。

    为了能避免产生以上不良影响，同时又能提高经济效益，可以考虑适当修改常数CSKGVSSR。但修改常数前要充分的考虑到修改常数后所产生的后果，修改后能不能达到预期的效果，会不会有不良后果，这些都是我们要考虑的。以下是对修改常数CSKGVSSR提高联合循环效率的可行性分析。

2 IGV控制分析

    IGV未投入温控状态，机组升速过程中，当TNH到达约80%之前，CSRGVPSV1算法不会对IGV控制起作用，此时IGV开度在最小开度34?；随着转速的升高，当TNH到达约80%之后，CSRGVPSV1算法开始起作用，计算出来的CSRGVPS>34?，并随转速的升高而增大，此时CSRGVPS被选出作为IGV控制输出，使IGV开大角度，直到CSRGVPS=57?；转速大约到达85%,此时随着TNH的升高，CSRGVPS计算值大于57?，小值选择器将57?（最小全速角）选出作为当前的IGV输出，CSRCVPS从IGV的控制中退出。之后IGV由大值选择器选出的值控制。随着负荷增加，燃料量增大，排烟温度升高，当TTXM>CSKGVSSR=700?F时，IGV在惯性器与加法器的作用下，逐渐开大IGV，以维持TTXM=CSKGVSSR，直到开到最大角度84?。

    如果投入IGV温控，则CSKGVSSR=700?F被屏蔽，IGV温控参考TTRXGV可能被最小值选择器选出作为排烟温度目标值，TTXM与目标值比较，差值经过增益、惯性器与加法器等的共同作用，计算出当前所需IGV开度，作为IGV输出给定。由于低负荷时，CPD值较小，IGV处于温控线的等温线部分控制，此时，TTRXGV=1100?F，TTXM低于1100?F时，IGV会维持在57?，直到排烟温度达到温控线。为维持TTXM不超过TTRXGV，IGV会逐渐开大直至到达84?，排烟温度则沿着IGV温控线变化。

3 修改CSKGVSSR常数值对IGV控制及排烟温度的影响

    CPD偏置温控线计算式为：

    TTRXP= TTKn_I-TTKn_S×(CPD-TTKn_C)

    IGV温控线计算式为：

    TTRXGV=TTKGVI-TTKGVS×(CPD-TTKGVC)-CSKGVDB

    说明：当IGV全开到84时，上式的CSKGVDB才会被减去，否则：

    TTRXGV=TTKGVI-TTKGVS×(CPD-TTKGVC)

    同时有:TTK0_I=TTKGVI=1100 F

    TTK0_S=TTKGVS=1.714 F/PSI

    TTK0_C=TTKGVC=116.1PSI

    CSKGVDB=2℉

    因此，CPD偏置温控线与IGV温控线在有效控制区间内是完全重合的，如图1所示。

    图1所示，在未投入IGV温控的模式下，排烟温度与燃机负荷的关系曲线为简单循环温度控制线（图中粗虚线）。A点为最小全速角工作点，此时IGV开度为57，若增加燃机功率，IGV可以维持在最小全速角，直至到达B′点；排烟温度到达700 F，此时IGV开度受常数CSKGVSSR控制；随着燃机功率的继续增加，IGV必须增加开度以维持给定点的排烟温度，使排烟温度维持在700 F,直到到达C点，IGV全开到84 ；随着燃机功率的进一步增加，燃机排烟温度会从C点上升到基本负荷温控线的极限值D点。

    若投入IGV温控，排烟温度与燃机负荷的关系曲线为图中粗实线所示。A点为最小全速角工作点，此时IGV开度为57 ，若增加燃机功率，IGV可以维持在最小全速角，直至到达B点，排烟温度到达等温线1100 F，此时IGV开度受TTRXGV控制，要保证排烟温度不高于TTRXGV，随着功率继续增加，IGV必须增加开度以维持给定点的排烟温度，使排烟温度一直沿着IGV温控线前进到D点，IGV全开到84 。在到达D点之前，IGV温控线与CPD偏置温控线是重合的，到达D点后，IGV全开到84 ，TTRXGV在计算上减去了常数CSKGVDB=2 F，使得D点之后的IGV温控线与CPD偏置温控线有2 F的差值。

    TTRXB是IGV温控投入时排烟温度的最高控制线，它在IGV全开之前一直位于CPD偏置温控线之上，IGV开度为84 时与CPD偏置温控线相交，之后与CPD偏置温控线重合，它是用来限制排烟温度的上限值的，当排烟温度到达该控制线值时，功率再无法增加，此处即为机组的基荷点。

    若不投入IGV温控，而修改常数CSKGVSSR值，则有三种可能的情况出现：

    （1）若CSKGVSSR<D点排烟温度，则排烟温度与负荷关系曲线为A→K1→C′→D，到达C′点时，IGV全开。（图中绿线）

    （2）若CSKGVSSR=D点排烟温度，则排烟温度与负荷关系曲线为A→K2→D，到达D点时，IGV全开。（图中红线）

    （3）若CSKGVSSR>D点排烟温度，则排烟温度与负荷关系曲线为A→K3→D′→D，到达D点时，IGV全开。（图中蓝线）

    由图1可知，最理想的情况为以上第二种情况，这样能保证负荷变化时，排烟温度的变化最小。由于D点排烟温度随环境温度的不同有差异，像武汉冬天与夏天的环境温度有30℃～40℃的差值。根据该机组的具体情况，夏天基荷时，排烟温度约560℃；冬天基荷时，排烟温度约520℃，如果要使常数CSKGVSSR的定值尽量靠近D点排烟温度值，则常数CSKGVSSR的定值最好也根据季节来定，夏天定值常数CSKGVSSR要比冬天定值常数高30℃～40℃。

    另外，常数CSKGVSSR的定值也可以根据需要在线实时修改，修改的原则是采用渐进的方法使其尽量靠近D点排烟温度值。

4 IGV温控与修改常数CSKGVSSR两种方式改变排烟温度对机组影响的比较

    若部分负荷时采用IGV温控，当排烟温度升到较高时，比如570℃以上时，此时排烟温度还未达到IGV温控线，要继续升负荷，排烟温度还会继续升高，为了不再升高排烟温度只能解除IGV温控。一旦解除IGV温控，受常数CSKGVSSR=700℉的控制，IGV会很快从57℃开大到84℃，此过程排烟温度会有较大的变化，对主蒸汽的品质有不良的影响，同时以上过程无法人为加以控制。

    如果采用修改常数CSKGVSSR的方法，则不会引起排烟温度的快速变化，即使常数CSKGVSSR定值较高（如图1中蓝线所示），也不会使烟温迅速变化，排烟温度只会随负荷的增加沿温控线下降，人为控制好燃机升负荷的速度，即可控制排烟温度的变化速度。

    因此，比较而言，修改常数的方式较IGV温控方式对排烟温度的可控性要好，在实际使用中要更为灵活。

    简单循环、联合循环、改变CSKGVSSR常数三种不同情况下，IGV的开启的过程是不同的，如图2所示。

    综上所述，在联合循环机组冷态启机过程中和燃机部分负荷运行时，通过改变常数CSKGVSSR,使其满足接近于燃机最大负荷出力时的温控线温度的条件，就既能保证机组的安全，又能保证在负荷变化过程中，排烟温度的变化较为平稳，同时又能获得足够高的排烟温度，从而有利于联合循环效率的提高。

    其它作者：

    江    磊（1976-），男，湖北孝感人，工程师，学士学位，研究方向为核能热工自动控制及电气仪表装置。

    张继军（1976-），男，湖北洪湖人，工程师，硕士学位，研究方向为热工自动控制及电气仪表装置。

参考文献

[1] 清华大学热能动力系. 燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M]. 北京: 中国电力出版社.

[2] 李孝堂. 现代燃气轮机技术[M]. 北京: 航空工业出版社，2006.

[3] 翁史烈. 燃气轮机性能分析[M]. 上海: 上海交通大学出版社，1987.

[4] 朱行健，王雪瑜. 燃气轮机工作原理及性能[M]. 北京: 科学出版社，1992.

[5] SPEEDTRONICTM  MARK V CONTROL SEQUENCE PROGRAM.

[6] 姚秀平. 燃气轮机及其联合循环发电[M]. 北京: 中国电力出版社.

[7] GE OPERATION & MAINTENANCE MANUAL.