CN114837810B - 燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的方法与*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的方法与***，所述方法包括以下步骤：将末级再热器布置在第一级受热面，距离燃机出口最近一侧，直接承受高温烟气的冲刷；将余热锅炉末级再热器材料升级已适应更高的余热锅炉出口蒸汽温度；将高压过热器减温水从高压给水泵出口抽取，设为从高压省煤器级间抽取，提高了高压主蒸汽出口参数；利用提升温度后的空气运行燃气蒸汽联合循环机组；本发明利用燃气轮机在部分负荷排烟温度较高的特点，可通过调整余热锅炉受热面的布置，提高余热锅炉出口蒸汽参数(相当于提高蒸汽轮机入口初参数)，有利于提高机组效率，通过提高再热蒸汽温度比提升高压主汽温度能够得到更大的***效率提升。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及燃气蒸汽联合循环机组发电技术领域，尤其涉及的是燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的方法与***。
背景技术
而天然气调峰电站具有大部分时间只带部分负荷运行，机组年利用小时数较低的特点。为使调峰电站效益更高，显而易见需提升主机效率，而且是部分负荷工况下的效率。目前有的主机制造商提出了一些改进方案，如压气机进气加热，即利用余热锅炉的低品位热水，注入进气***进气室内安装加热空气的换热盘管，通过与进气的热交换，来加热进入压气机空气的温度，来自低压省煤器的热水和来自凝汽器的凝结水，按一定比例混合后达到要求的温度和流量，进入盘管换热器中，空气换热，提高空气温度，出水回流到凝结水中。对来自低压省煤器的热水、来自凝汽器的凝结水、混合后的盘管进水以及盘管出水均监控其温度和压力，并且通过水侧温度端差来控制进水流量，以上技术存在以下缺陷：
1、需增加额外的换热器（盘管换热器）、水泵等实现水侧循环，增加初投资及增加进气***阻力；
2、低压省煤器换热量变大，低压省煤器的换热面积也需增大，增加余热锅炉本体的初投资；
3、为控制凝结水和低压省煤器热水的流量，需要在两个***上分别设置两套调节阀组，增加初投资且***控制复杂，可靠性降低；
4、随着进气温度的提高，从低压省烟器抽热水量增加，余热锅炉排气温度逐渐变低。考虑到锅炉尾部受热面的安全，因此进气温度不宜加热过高，因此采用此方法提效的收益甚微；
5、适应范围小，机组负荷越低，进气加热投运后效率的提升才明显因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的方法与***，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明所采用了下述的技术方案：燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的方法与***，所述方法包括以下步骤：
获取所述燃气蒸汽联合循环机组的实发功率值和目标功率值；
对进入燃气蒸汽联合循环机组进气模块的进气口内的空气提升温度；
根据所述实发功率值与所述目标负荷值的偏差，控制燃气轮机的负荷，使所述实发功率值与所述目标负荷值一致；
将末级再热器布置在第一级受热面，距离燃机出口最近一侧，直接承受高温烟气的冲刷；
将余热锅炉末级再热器材料升级已适应更高的余热锅炉出口蒸汽温度；
将高压过热器减温水从高压给水泵出口抽取，设为从高压省煤器级间抽取，提高了高压主蒸汽出口参数；
利用提升温度后的空气运行燃气蒸汽联合循环机组。
优选的，所述方法还包括：
根据所述燃气蒸汽联合循环机组的实际运行情况，修正燃气轮机和余热锅炉、蒸汽轮机的负荷比例；
根据所述燃气轮机的负荷变化率上限、下限、排气温度和蒸汽轮机缸温变化速率自动计算所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷变化速率，并且，根据所述负荷变化速率，控制所述燃气轮机和蒸汽轮机的同步升负荷。
优选的，所述方法还包括：
控制蒸汽轮机的冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机工况下的带断点确认的顺控启停，以及控制燃气轮机的扩散燃烧、混合燃烧以及预混燃烧工况下的升负荷速率。
优选的，所述方法还包括：计算所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下所能承担的各最大负荷能力值，并将所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下可提升再热***蒸汽参数。
优选的，所述方法还包括：控制余热锅炉末级再热器的输出温度与所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷能力值相匹配。
优选的，所述***包括：
负荷值获取单元，用于获取所述燃气蒸汽联合循环机组的实发功率值和目标功率值；
负荷控制单元，用于根据所述实发功率值与所述目标负荷值的偏差，控制燃气轮机的负荷，使所述实发功率值与所述目标负荷值一致；
优选的，所述***还包括：
负荷分配单元，用于根据所述燃气蒸汽联合循环机组的实际运行情况，修正燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机的负荷比例；
负荷变化速率计算单元，用于根据所述燃气轮机的负荷变化率上限、下限、排气温度和蒸汽轮机缸温变化速率自动计算所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷变化速率，
其中，所述负荷控制单元根据所述负荷变化速率，控制所述燃气轮机和蒸汽轮机的同步升负荷。
优选的，所述***还包括：两级高压以及高温再热***，高压、再热两级减温***分别分为级间减温***和末级减温***，所述级间减温***是为控制进入末级过热器、再热器进口蒸汽的温度，但由于燃机排气温度和高压主汽、热再温度差距太大，同时为了保证进入末级高压过热器、再热器的蒸汽过热度，级间减温往往无法达到启动时汽机要求的进汽温度，所以设置高压过热器和再热器末级减温***。
优选的，所述***还包括：再热器级间和末级减温***的减温水，且由中压给水泵出口管道抽取，且减温水调节阀及减温器喷头进入减温器管道，高压级间和末级减温***的减温水，由传统的从高压给水泵出口管道抽取，控制从高压省煤器2出口抽取，经过减温水调节阀及减温器喷头进入减温器管道。
余热锅炉末级控制单元，用于控制余热锅炉末级再热器的输出温度，与所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷能力值相匹配。
优选的，所述***还包括：顺控启停单元，用于控制蒸汽轮机的冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机工况下的带断点确认的顺控启停，以及控制燃气轮机的扩散燃烧、混合燃烧以及预混燃烧工况下的升负荷速率。
优选的，所述***还包括：机组负荷能力计算单元，用于计算所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下所能承担的各最大负荷能力值，并将所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下的负荷限制在相应的所述最大负荷能力值。
优选的，所述***还包括：通过燃气轮机燃烧调整、余热锅炉受热面布置方式和减温方式优化、汽轮机热部件材质升级、相关热力***新材料应用、智能控制***优化，实现再热蒸汽温度的提高，从而提高机组的发电效率。
相对于现有技术的有益效果是，采用上述方案，本发明利用燃气轮机在部分负荷排烟温度较高的特点，可通过调整余热锅炉受热面的布置，将末级再热器布置于第一级受热面；部分负荷工况下提升再热***蒸汽参数，以提高联合循环机组效率；通过材料升级以适应更高参数再热***蒸汽参数；通过减温水***的设计改进以适应高参数的热力***。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的控制方法流程图；
图2为本发明的图1实施例的控制方法中的根据所述实发功率值与所述目标负荷值的偏差，控制燃气轮机的负荷，使所述实发功率值与所述目标负荷值一致的方法流程示意图；
图3为本发明的图1实施例的将余热锅炉末级再热器材料升级已适应更高的余热锅炉出口蒸汽温度步方法流程示意图；
图4为本发明的图1实施例的控制***结构框图示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。
如图1-3所示，本发明的一个实施例是，
1、燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的方法与***，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、获取所述燃气蒸汽联合循环机组的实发功率值和目标功率值；
S2、对进入燃气蒸汽联合循环机组进气模块的进气口内的空气提升温度；
S3、根据所述实发功率值与所述目标负荷值的偏差，控制燃气轮机的负荷，使所述实发功率值与所述目标负荷值一致；
S4、将余热锅炉末级再热器材料升级已适应更高的余热锅炉出口蒸汽温度；
S5、利用提升温度后的空气运行燃气蒸汽联合循环机组。
所述步骤S3还包括：
S31、根据所述燃气蒸汽联合循环机组的实际运行情况，修正燃气轮机和余热锅炉、蒸汽轮机的负荷比例；
S32、根据所述燃气轮机的负荷变化率上限、下限、排气温度和蒸汽轮机缸温变化速率自动计算所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷变化速率，并且，根据所述负荷变化速率，控制所述燃气轮机和蒸汽轮机的同步升负荷。
S33、控制蒸汽轮机的冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机工况下的带断点确认的顺控启停，以及控制燃气轮机的扩散燃烧、混合燃烧以及预混燃烧工况下的升负荷速率。
所述步骤S32还包括：
S321、计算所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下所能承担的各最大负荷能力值，并将所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下可提升再热***蒸汽参数。
所述步骤S4还包括：
S41、控制余热锅炉末级再热器的输出温度与所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷能力值相匹配。
如图4所示，该燃气蒸汽联合循环机组控制***包括：
负荷值获取单元，用于获取所述燃气蒸汽联合循环机组的实发功率值和目标功率值；
负荷控制单元，用于根据所述实发功率值与所述目标负荷值的偏差，控制燃气轮机的负荷，使所述实发功率值与所述目标负荷值一致；
所述***还包括：
负荷分配单元，用于根据所述燃气蒸汽联合循环机组的实际运行情况，修正燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机的负荷比例；
负荷变化速率计算单元，用于根据所述燃气轮机的负荷变化率上限、下限、排气温度和蒸汽轮机缸温变化速率自动计算所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷变化速率，
其中，所述负荷控制单元根据所述负荷变化速率，控制所述燃气轮机和蒸汽轮机的同步升负荷。
所述***还包括：
余热锅炉末级控制单元，用于控制余热锅炉末级再热器的输出温度，与所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷能力值相匹配。
所述***还包括：顺控启停单元，用于控制蒸汽轮机的冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机工况下的带断点确认的顺控启停，以及控制燃气轮机的扩散燃烧、混合燃烧以及预混燃烧工况下的升负荷速率。
所述***还包括：机组负荷能力计算单元，用于计算所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下所能承担的各最大负荷能力值，并将所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下的负荷限制在相应的所述最大负荷能力值。
进一步的，因提高了高温再热蒸汽参数，将影响再热蒸汽、旁路蒸汽、疏水等***材料选型，也将影响给水***中再热器减温水***的设计。
管道材料的选择主要取决于介质参数。常规方案中，F级燃气-蒸汽联合循环机组高温再热蒸汽、中压旁路阀前蒸汽及其相关的疏水管道设计温度一般为572℃，因此可采用P91 材质（推荐使用极限温度为593℃）管道。高性能方案中，由于部分负荷工况下高温再热蒸汽管道温度提升到605℃，设计温度达610℃，虽仍可使用P91材质管道，但由于温度上升，材料许用应力下降，将造成管道壁厚大幅度增加。对于调峰任务重的机组，汽水管道壁厚过大影响将机组变负荷速率，且管材的疲劳失效也将是一个大问题。同时，1990年代初日本在大量推广P91钢的基础上发现当使用温度超过600℃时，P91钢不能满足长期安全运行的要求。因此需对管道材质重新选择，以适应调峰机组的频繁启停工况，以及保证机组长期运行的安全性；
为了控制高压主汽和热再主汽的出口温度以匹配汽机启动参数，本项目共设置了两级高压及再热减温***。高压、再热两级减温***分别分为级间减温和末级减温***。级间减温***的目的是为了控制进入末级过热器、再热器进口蒸汽的温度。但由于燃机排气温度和高压主汽、热再温度差距太大，同时为了保证进入末级高压过热器、再热器的蒸汽过热度，级间减温往往无法达到启动时汽机要求的进汽温度，所以设置高压过热器和再热器末级减温***；
本项目中，再热器级间和末级减温***的减温水，由中压给水泵出口管道抽取，经过减温水调节阀及减温器喷头后进入减温器管道。高压级间和末级减温***的减温水，由传统的从高压给水泵出口管道抽取，调整为从高压省煤器2出口抽取，经过减温水调节阀及减温器喷头进入减温器管道。这样既满足了减温要求，又增加高压主汽流量，使锅炉在性能保证100%、75%纯凝工况下各***参数之与热平衡图相匹配；
通过燃气轮机燃烧调整、余热锅炉受热面布置方式和减温方式优化、汽轮机热部件材质升级、相关热力***新材料应用、智能控制***优化等综合措施，实现再热蒸汽温度的提高，从而提高机组的发电效率
本发明应用在燃气蒸汽联合循环机组，通过自动调整燃气轮机和蒸汽轮机负荷分配，合理补偿燃气轮机负荷变化速度和蒸汽轮机负荷变化速度的差异，这不仅优化了机组运行方式，保证了机组安全运行，还减轻了运行人员操作量，有效降低了运行人员误操作造成的非计划停机次数，间接的创造了一定的经济效益。
优选的，根据大量联合循环电厂设计经验，一般燃机排烟温度与汽机主汽温度之间须保证20~35℃的端差，满足锅炉设计和运行的热力条件。当燃机排烟温度升高到630℃，配合余热锅炉参数同时优化提高，汽机再热蒸汽温度可上升至600℃以上。因此蒸汽轮机再热蒸汽参数的提升方案具有热力学的可行性，通常选择适当的零部件材料以确保汽轮机长期可靠运行时的性能表现。
机组运行方式的优化，使机组自动化水平得到大大提高，整个启动过程很少需人为操作，一旦接到调令操作机组启动，可以在较短的时间内使机组带满负荷，增强了机组的稳定性。
设计和投入整套机组负荷控制，完成对燃气轮机和蒸汽轮机所承担负荷的合理分配，完成对余热锅炉主汽压力的监视和控制，实现机组的一次调频功能，对实现燃气轮机和蒸汽轮机的安全稳定运行和优化其调峰能力都具有实用价值。
本发明提出的燃气蒸汽联合循环机组的控制策略，针对燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等控制特点，实现了联合循环机组的整体控制功能要求，确保整套联合循环机组的快速升降负荷的需要，并满足电网调度部门的要求。控制策略逻辑清晰，可控性强，具有较强的通用性和实用性。
优选的，抗蠕变要求较低的合金钢（如1%CrMoV，包括G17CrMoV5-10）只能用于565°C以下工况，不能满足更高蒸汽温度的要求。因此，过去二十年的材料开发和资质开发项目集中在9-11%Cr钢，也称为蠕变强度增强铁素体钢(CSEF)(例如ASTM管材，等级P91、P92)。其目的是通过优化合金元素成分，在12%CrMoV的基础上添加新的合金元素，如铌（Nb）和氮（N），进一步提升该系列合金钢的高温性能。其中铸造材料GX12CrMoVNbN9-1凭借调质精炼和9-11% Cr合金成分，在应用温度提升至620°C时仍具有良好的抗蠕变性能表现，已经为阀门和汽缸等重要部件应用多年。
实现了联合循环机组的总功率的闭环控制，便于统一调度全厂发电功率，为一次调频提供了实现平台。
进一步的，余热锅炉配套燃气轮机，燃机排烟温度高达630℃，与常规的F级机组相比，燃机排烟温度有了很大幅度的提高。余热锅炉研发过程中主要通过以下两点设计适应更高的燃机排气温度：
将末级再热器布置在第一级受热面，距离燃机出口最近一侧，直接承受630℃高温烟气的冲刷，使热再热主蒸汽出口温度高达605℃，比常规高出将近40℃。
将高压过热器减温水由传统从高压给水泵出口抽取，设计为从高压省煤器级间抽取，提高了高压主蒸汽出口参数。
实现负荷需求的合理分配，最大限度的利用联合循环作用。既满足了升降负荷的快速性要求，又配合了联合循环机组的经济性设计。将余热锅炉末级再热器材料升级已适应更高的余热锅炉出口蒸汽温度；利用提升温度后的空气运行燃气蒸汽联合循环机组，提高了能源再用率。
本实施例中，将余热锅炉末级再热器布置在第一级受热面即距离燃机最近的一侧，直面燃机排烟。在部分负荷工况下，由于燃机排烟温度较额定负荷工况高，可以提升高温再热蒸汽至605℃（达到超超临界机组水平）。在汽轮机侧，通过对中压汽轮机内缸及转子、中压主汽阀及高温再热蒸汽管道、阀门等材料升级，最终实现联合循环效率提升。
***设计上，对高温再热蒸汽***（含汽机旁路***及相应疏水***）、减温水***也进行了进行改进。高温再热蒸汽、中压旁路阀前蒸汽及其疏水管道采用P92材质，中压旁路阀入口段、高温再热蒸汽管道疏水***阀门等均应采用F92材质；高压级间和末级减温***的减温水，由传统的从高压给水泵出口管道抽取，调整为从高压省煤器出口抽取，经过减温水调节阀及减温器喷头进入减温器管道。
本发明技术方案还具有以下有益效果：
1、从联合循环的原理和特点出发进行革命性创新，实现了联合循环机组宽负荷提效；
2、经估算，初投资仅增加~250万元（含中压汽轮机内缸及转子、中压主汽阀及高温再热蒸汽管道、阀门等材料升级等费用），但联合循环总出力微增、且热效率提高0.16%，可增加机组发电收益并降低燃料成本。最终年收益可高达150万元。静态回收期不到2年。
3、未增加额外的***，从控制的角度来说更为简单和可靠。
4、适应范围广，从50%~100%工况效率均有提升，75%时效益最佳。而根据调研，作为调峰功能的联合循环机组常年平均负荷率为75%左右。此发明方案契合目前调峰电厂运行的实际。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此，本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的***，其特征在于， 所述***包括：
负荷值获取单元，用于获取所述燃气蒸汽联合循环机组的实发功率值和目标负荷值；
负荷控制单元，用于根据所述实发功率值与所述目标负荷值的偏差，控制燃气轮机的负荷，使所述实发功率值与所述目标负荷值一致；
负荷分配单元，用于根据所述燃气蒸汽联合循环机组的实际运行情况，修正燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机的负荷比例；
负荷变化速率计算单元，用于根据所述燃气轮机的负荷变化率上限、下限、排气温度和蒸汽轮机缸温变化速率自动计算所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷变化速率，
余热锅炉末级控制单元，用于控制余热锅炉末级再热器的输出温度，与所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷能力值相匹配；
其中，所述负荷控制单元根据所述负荷变化速率，控制所述燃气轮机和蒸汽轮机的同步升负荷；
所述***还包括：顺控启停单元，用于控制蒸汽轮机的冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机工况下的带断点确认的顺控启停，以及控制燃气轮机的扩散燃烧、混合燃烧以及预混燃烧工况下的升负荷速率；
机组负荷能力计算单元，用于计算所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下所能承担的各最大负荷能力值，并将所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下的负荷限制在相应的所述最大负荷能力值；
控制所述***的方法还包括以下步骤：
获取所述燃气蒸汽联合循环机组的实发功率值和目标负荷值；
对进入燃气蒸汽联合循环机组进气模块的进气口内的空气提升温度；
根据所述实发功率值与所述目标负荷值的偏差，控制燃气轮机的负荷，使所述实发功率值与所述目标负荷值一致；
将末级再热器布置在第一级受热面，距离燃机出口最近一侧，直接承受高温烟气的冲刷；
将余热锅炉末级再热器材料升级为蠕变强度增强铁素体钢以适应更高的余热锅炉出口蒸汽温度；
将高压过热器减温水从高压给水泵出口抽取，设为从高压省煤器级间抽取，提高了高压主蒸汽出口参数；
利用提升温度后的空气运行燃气蒸汽联合循环机组；
所述方法还包括：
根据所述燃气蒸汽联合循环机组的实际运行情况，控制燃气轮机和余热锅炉、蒸汽轮机的负荷比例；
根据所述燃气轮机的负荷变化率上限、下限、排气温度和蒸汽轮机缸温变化速率自动计算所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷变化速率，并且，根据所述负荷变化速率，控制所述燃气轮机和蒸汽轮机的同步升负荷；
所述方法还包括：
控制蒸汽轮机的冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机工况下的带断点确认的顺控启停，以及控制燃气轮机的扩散燃烧、混合燃烧以及预混燃烧工况下的升负荷速率；
所述方法还包括：计算所述燃气蒸汽联合循环机组在不同运行工况下所能承担的各最大负荷能力值；
所述方法还包括：控制余热锅炉末级再热器的输出温度与所述燃气蒸汽联合循环机组的负荷能力值相匹配。
2.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环调峰机组宽负荷运行控制提效的***，其特征在于，所述***还包括：再热器级间和末级减温***的减温水，且由中压给水泵出口管道抽取，且减温水调节阀及减温器喷头进入减温器管道。
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