论文部分内容阅读
摘要：我国从 20 世纪 90 年代末开始从国外大量引进 9E 级燃气轮机机组参与电网调峰， 燃气轮机已经成为电网主力调峰机组。 为加快汽轮机的启动速率， 缩短暖机时间， 提高燃气-蒸汽联合循环机组调峰能力，本文分析了控制系统与计算模型，针对燃气—蒸汽联合循环机组的汽轮机启动过程优化进行详细探究。
关键词：联合循环机组；汽轮机；过程优化
引言
在燃气-蒸汽联合循环机组启动过程中，燃气轮机启动响应快速，几分钟内可达到额定负荷，而联合循环汽轮机启动相对较慢，一般需要3-4h，因此在燃气轮机到达额定负荷运行时，汽轮机还处于持续3个多小时的暖机阶段。在这个时间段中，燃气轮机的排气大部分从旁路直接排出，余热锅炉的蒸汽也通过旁路阀排至凝汽器，造成巨大的能源损失。为了减少启动过程中的能源损失，本文研究在保证长期安全可靠运行的前提下机组的快速启动实施方案，重点是如何将机组启动过程中转子因温差而产生的热应力控制在合理水平。
一、控制系统与计算模型
1、控制系统
某9E燃机机组为300MW燃气-蒸汽联合循环机组，共2台燃气轮机、2台立式非补燃单压强制循环炉。配套的100MW汽轮发电机组为单缸、多级、冲动、纯凝式轴向排汽机组，额定功率103MW、主蒸汽压力6.6MPa，主蒸汽温度为503℃。
油改气后，燃气轮机控制采用MARKVIE，汽轮机控制纳入DCS控制系统，余热锅炉及电站的主控采用ABB公司的DCS控制系统，自动化水平较高，能够实现整套机组的全自动启停，满足简单循环或联合循环等多种运行方式要求，并可实现自动负荷控制。但控制逻辑设计上附加了很多限制，启动过程中经常因辅机设备某一条件不满足而导致整个程序无法顺利执行，需运行人员手动干预提升启动速度。由于经验等方面原因，不同运行人员在汽轮机启动过程中的耗时会有所不同，因此快速启动在人员操作、控制优化等方面还有较大的潜力可挖。
2、有限元模型及算法
转子为轴对称部件，根据转子实际尺寸可简化得到二维有限元模型，采用离心力等效的方法，将叶片等效为产生相同离心力的圆环，单元网格设置为plane55网格自动划分，并在应力集中处等关键部位进行加密细化处理，应力场计算时单元属性会转化为plane182单元，得到如图1所示的转子有限元模型。
采用热-结构耦合的计算方法，根据模型加载各级参数，计算温度场，完成热分析，然后转化单元属性，进入结构计算，每1min为1个载荷步，利用ansys稀疏矩阵求解器进行求解，得到结果文件。
在线应力计算、监视采用DCS控制系统组态方法，按差分法计算转子监测面的温度场，在计算模型中只考虑转子径向温差，不考虑轴向热流的影响。将转子的危险截面离散化为15层，得到转子导热的数学模型，求得转子监测面的温度场。再用转子体积平均温度计算热应力场。在线应力计算中，引入应力裕度系数，应力裕度系数是许用应力与计算应力之差和许用应力的比值，是向运行人员提示当前转子監测面的应力是否在允许范围内的一个比例数[1]。
3、转子热边界条件
根据汽轮机转子运行时的热量传递特点及热流密度分析，对热转子边界条件做如下设定：
3.1 转子左右断面是整段转子在汽缸外的截断面，热流密度小，所以在有限元计算中做绝热处理。
3.2 转子无中心孔，中心边界做绝热处理。
3.3 与蒸汽接触的转子外表面作为第三类边界条件，已知换热系数与介质温度。
3.4 转子左右轴承处由于润滑油的冷却作用，在有限元计算中设为70℃，按第一类边界条件处理。
启动过程中，蒸汽参数和换热系数会随时间和位置发生变化，而且换热系数又与转子的几何尺寸和蒸汽的物性参数有关，所以，在计算换热系数之前，需要先确定蒸汽的物性参数，计算出各级在级前、级后、汽封、轮缘和光轴处的换热系数，然后通过温比系数和压比系数确定各级蒸汽的参数，再导入启动曲线，进行仿真模拟。
二、燃气-蒸汽联合循环机组的汽轮机启动过程优化探究
1、暖机时间优化处理
在确保设备安全的前提下，充分考虑节能，对汽轮机温态启动和冷态启动的暖机时间进行了如下优化：
1.1 减少带负荷前的暖机时间，如图2所示。
当汽缸壁温为250-350℃时（新增温度分段），采用次热态启动，冲转过程中在2200r/min时暖机5min，从零到3000r/min的冲转总时间为10min。汽机带负荷过程中燃机负荷保持50MW。
当汽缸壁温在193-250℃时，采用温热态启动，冲转过程中所用方式及时间与原温态启动方式相同，升速率控制与次热态相同。汽机带负荷过程中燃机负荷保持50MW。
当汽缸壁温低于193℃时，采用冷态启动，冲转过程中暖机分段与启动方式相同，各段的升速速率不变，从零到600r/min的升速和暖机总时间为10min，从600r/min到1200r/min的升速和暖机总时间为22min，从1200r/min到2200r/min的升速和暖机总时间为23min，然后按原程序升至3000r/min，冲转升速总时间约为58min。汽机带负荷过程中燃机负荷保持不变，根据环境温度控制在适当负荷。
1.2 增加低负荷暖机时间，并增加升负荷率控制，升负荷速率=升负荷速率初始定值×安全裕度系数，当安全裕度系数小于0.1时应视作零（安全裕度系数小于零时也视作零），
此时应保持调门开度不变；主蒸汽母管压力由旁路阀控制。当旁路阀关至开度只有5%时，旁路阀全关，此时主蒸汽母管压力由调门控制[2]。
2、控制逻辑修改
2.1 旁路控制：汽轮机在CASE（事件触发）控制模式下并网时，旁路设定值从原来的4MPa变成主蒸汽母管压力加0.2MPa，旁路逐步撤出压力控制至旁路关闭。优化后修改为将该过程推迟至滑压控制投入后，即在滑压投入前旁路控制设定值一直维持4MPa，保证机组带负荷暖机时主蒸汽压力不会过高。
2.2 调门开关速率限制中增加应力限制：利用应力裕度系数来增加应力限制，使运行人员能够了解监测面转子是否在允许范围内，当安全裕度系数K≤0时，表示计算应力已达到或超过许用应力，操作人员应立即调整温升率。
3、优化后应力裕度系数变化分析
冷态启动时在线应力监测结果如图3所示。机组在升速时应力裕度系数比较大，带负荷至10%时，应力裕度系数开始下降，这时采用带负荷暖机，暖机结束后转为滑压运行；在带负荷至25%时，应力裕度系数最小，约为0，停止加负荷暖机，直至应力裕度系数达到0.2以上。从曲线来看，在汽轮机转子升速过程中，转子温度上升较慢，暖机作用不大，因此在缸温超过300℃时，可以直接升速到3000r/min，应力裕度系数一直在0.9左右。并网后，在低负荷时有必要控制升负荷率和升温率，从曲线来看应力上升的主要时刻为机组带负荷10%以后，此时应力水平大幅度上升，裕度系数最低下降到0.1左右。并网后的调节级温度上升较快，在负荷25%时暖机可使应力裕度系数逐渐上升，因此并网带负荷后进行的低负荷暖机对于应力水平控制非常重要[3]。
结束语
综上所述，结合实验室的数值模拟结果和现场试验数据，对暖机时间和操作规程进行优化，提高了联合循环汽轮机组的启动速度。暖机操作优化后，机组启动时间缩短，冷态启动时最大应力减小，延长了机组的寿命。
参考文献
[1]来娜.燃气-蒸汽联合循环机组动态特性仿真分析及优化[D].华北电力大学，2012.
[2]丁阳俊.汽轮机启动过程优化研究[D].浙江大学，2013.
[3]宋兆星，李卫华，王立.双轴燃气-蒸汽联合循环机组协调控制策略[J].中国电力，2009（07）：64-67.
关键词：联合循环机组；汽轮机；过程优化
引言
在燃气-蒸汽联合循环机组启动过程中，燃气轮机启动响应快速，几分钟内可达到额定负荷，而联合循环汽轮机启动相对较慢，一般需要3-4h，因此在燃气轮机到达额定负荷运行时，汽轮机还处于持续3个多小时的暖机阶段。在这个时间段中，燃气轮机的排气大部分从旁路直接排出，余热锅炉的蒸汽也通过旁路阀排至凝汽器，造成巨大的能源损失。为了减少启动过程中的能源损失，本文研究在保证长期安全可靠运行的前提下机组的快速启动实施方案，重点是如何将机组启动过程中转子因温差而产生的热应力控制在合理水平。
一、控制系统与计算模型
1、控制系统
某9E燃机机组为300MW燃气-蒸汽联合循环机组，共2台燃气轮机、2台立式非补燃单压强制循环炉。配套的100MW汽轮发电机组为单缸、多级、冲动、纯凝式轴向排汽机组，额定功率103MW、主蒸汽压力6.6MPa，主蒸汽温度为503℃。
油改气后，燃气轮机控制采用MARKVIE，汽轮机控制纳入DCS控制系统，余热锅炉及电站的主控采用ABB公司的DCS控制系统，自动化水平较高，能够实现整套机组的全自动启停，满足简单循环或联合循环等多种运行方式要求，并可实现自动负荷控制。但控制逻辑设计上附加了很多限制，启动过程中经常因辅机设备某一条件不满足而导致整个程序无法顺利执行，需运行人员手动干预提升启动速度。由于经验等方面原因，不同运行人员在汽轮机启动过程中的耗时会有所不同，因此快速启动在人员操作、控制优化等方面还有较大的潜力可挖。
2、有限元模型及算法
转子为轴对称部件，根据转子实际尺寸可简化得到二维有限元模型，采用离心力等效的方法，将叶片等效为产生相同离心力的圆环，单元网格设置为plane55网格自动划分，并在应力集中处等关键部位进行加密细化处理，应力场计算时单元属性会转化为plane182单元，得到如图1所示的转子有限元模型。
采用热-结构耦合的计算方法，根据模型加载各级参数，计算温度场，完成热分析，然后转化单元属性，进入结构计算，每1min为1个载荷步，利用ansys稀疏矩阵求解器进行求解，得到结果文件。
在线应力计算、监视采用DCS控制系统组态方法，按差分法计算转子监测面的温度场，在计算模型中只考虑转子径向温差，不考虑轴向热流的影响。将转子的危险截面离散化为15层，得到转子导热的数学模型，求得转子监测面的温度场。再用转子体积平均温度计算热应力场。在线应力计算中，引入应力裕度系数，应力裕度系数是许用应力与计算应力之差和许用应力的比值，是向运行人员提示当前转子監测面的应力是否在允许范围内的一个比例数[1]。
3、转子热边界条件
根据汽轮机转子运行时的热量传递特点及热流密度分析，对热转子边界条件做如下设定：
3.1 转子左右断面是整段转子在汽缸外的截断面，热流密度小，所以在有限元计算中做绝热处理。
3.2 转子无中心孔，中心边界做绝热处理。
3.3 与蒸汽接触的转子外表面作为第三类边界条件，已知换热系数与介质温度。
3.4 转子左右轴承处由于润滑油的冷却作用，在有限元计算中设为70℃，按第一类边界条件处理。
启动过程中，蒸汽参数和换热系数会随时间和位置发生变化，而且换热系数又与转子的几何尺寸和蒸汽的物性参数有关，所以，在计算换热系数之前，需要先确定蒸汽的物性参数，计算出各级在级前、级后、汽封、轮缘和光轴处的换热系数，然后通过温比系数和压比系数确定各级蒸汽的参数，再导入启动曲线，进行仿真模拟。
二、燃气-蒸汽联合循环机组的汽轮机启动过程优化探究
1、暖机时间优化处理
在确保设备安全的前提下，充分考虑节能，对汽轮机温态启动和冷态启动的暖机时间进行了如下优化：
1.1 减少带负荷前的暖机时间，如图2所示。
当汽缸壁温为250-350℃时（新增温度分段），采用次热态启动，冲转过程中在2200r/min时暖机5min，从零到3000r/min的冲转总时间为10min。汽机带负荷过程中燃机负荷保持50MW。
当汽缸壁温在193-250℃时，采用温热态启动，冲转过程中所用方式及时间与原温态启动方式相同，升速率控制与次热态相同。汽机带负荷过程中燃机负荷保持50MW。
当汽缸壁温低于193℃时，采用冷态启动，冲转过程中暖机分段与启动方式相同，各段的升速速率不变，从零到600r/min的升速和暖机总时间为10min，从600r/min到1200r/min的升速和暖机总时间为22min，从1200r/min到2200r/min的升速和暖机总时间为23min，然后按原程序升至3000r/min，冲转升速总时间约为58min。汽机带负荷过程中燃机负荷保持不变，根据环境温度控制在适当负荷。
1.2 增加低负荷暖机时间，并增加升负荷率控制，升负荷速率=升负荷速率初始定值×安全裕度系数，当安全裕度系数小于0.1时应视作零（安全裕度系数小于零时也视作零），
此时应保持调门开度不变；主蒸汽母管压力由旁路阀控制。当旁路阀关至开度只有5%时，旁路阀全关，此时主蒸汽母管压力由调门控制[2]。
2、控制逻辑修改
2.1 旁路控制：汽轮机在CASE（事件触发）控制模式下并网时，旁路设定值从原来的4MPa变成主蒸汽母管压力加0.2MPa，旁路逐步撤出压力控制至旁路关闭。优化后修改为将该过程推迟至滑压控制投入后，即在滑压投入前旁路控制设定值一直维持4MPa，保证机组带负荷暖机时主蒸汽压力不会过高。
2.2 调门开关速率限制中增加应力限制：利用应力裕度系数来增加应力限制，使运行人员能够了解监测面转子是否在允许范围内，当安全裕度系数K≤0时，表示计算应力已达到或超过许用应力，操作人员应立即调整温升率。
3、优化后应力裕度系数变化分析
冷态启动时在线应力监测结果如图3所示。机组在升速时应力裕度系数比较大，带负荷至10%时，应力裕度系数开始下降，这时采用带负荷暖机，暖机结束后转为滑压运行；在带负荷至25%时，应力裕度系数最小，约为0，停止加负荷暖机，直至应力裕度系数达到0.2以上。从曲线来看，在汽轮机转子升速过程中，转子温度上升较慢，暖机作用不大，因此在缸温超过300℃时，可以直接升速到3000r/min，应力裕度系数一直在0.9左右。并网后，在低负荷时有必要控制升负荷率和升温率，从曲线来看应力上升的主要时刻为机组带负荷10%以后，此时应力水平大幅度上升，裕度系数最低下降到0.1左右。并网后的调节级温度上升较快，在负荷25%时暖机可使应力裕度系数逐渐上升，因此并网带负荷后进行的低负荷暖机对于应力水平控制非常重要[3]。
结束语
综上所述，结合实验室的数值模拟结果和现场试验数据，对暖机时间和操作规程进行优化，提高了联合循环汽轮机组的启动速度。暖机操作优化后，机组启动时间缩短，冷态启动时最大应力减小，延长了机组的寿命。
参考文献
[1]来娜.燃气-蒸汽联合循环机组动态特性仿真分析及优化[D].华北电力大学，2012.
[2]丁阳俊.汽轮机启动过程优化研究[D].浙江大学，2013.
[3]宋兆星，李卫华，王立.双轴燃气-蒸汽联合循环机组协调控制策略[J].中国电力，2009（07）：64-67.