燃氣輪機電廠部分負荷性能優化與效果評估

衛 明，曾建軍，崔 豐，計京津，孫 博

(1.上海電氣燃氣輪機有限公司，上海 200240；2.北京上莊燃氣熱電有限公司，北京 100094)

國內的燃氣輪機聯合循環機組主要作為調峰機組使用，大部分時間都運行在部分負荷工況，并且與燃煤機組相比，天然氣的價格相對較高，燃氣輪機電廠對降低氣耗、提高效率的需求更為迫切。對于國內燃氣輪機電廠來說，由于以上兩方面因素，在部分負荷運行范圍內提升機組效率就成為普遍迫切的需求。

提升燃氣輪機電廠部分負荷工況的效率有許多種手段，本文主要以盡量提升燃氣輪機部分負荷下透平前溫、提升部分負荷下聯合循環機組效率為指導思想[1]。針對AE系列燃氣輪機及其聯合循環機組，本文將從實現部分負荷性能優化及實際電廠工程應用為角度進行論述。為了形成能夠實際應用在燃氣輪機電廠的部分負荷性能優化智能產品，本文將此工程問題分解為如下幾項具體技術問題：

1)以何種軟硬件的形式，實現提升透平前溫的燃氣輪機閉環控制？

2)部分負荷性能的提升，對燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機等主設備有何影響，安全運行如何保障？

3)實施過程中需要在電廠做哪些調試試驗工作？

4)如何評估性能優化的效果？

本文接下來將針對上述問題逐一解答，旨在提供一套燃氣輪機電廠部分負荷性能優化的技術方案。

1 部分負荷性能優化的實現方案

從熱力學布雷頓-朗肯聯合循環的角度來看，提升聯合循環效率最直接的方法就是提升透平前溫。對于西門子流派的發電用重型燃氣輪機，在部分負荷工況運行時，常規的運行控制策略是使燃氣輪機排煙溫度與滿負荷時保持一致。但由于部分負荷時燃氣輪機的壓比降低等原因，此時透平前溫遠低于可以達到的最高溫度，這使得這一策略實際上并沒有在燃氣輪機部分負荷運行時充分利用透平葉片的承溫能力。此時透平前溫仍存在一定提升裕度。因此部分負荷工況下，可以提升透平前溫，進而提升機組效率[1]。

對于AE系列燃氣輪機，提高部分負荷下修正后透平排煙溫度(Turbine Exhaust Temperature Corrected，TETC)設定參數，就可以提升部分負荷下的透平前溫，達到效率提升的目的。

在燃氣輪機側，TETC的計算會受到機組運行邊界工況(環境的溫度、壓力、濕度，進排氣壓損，燃料成分等)、負荷率、老化狀態等因素的影響，透平氣動特性及透平葉片溫度也會受到影響。聯合循環汽水側，燃氣輪機排煙溫度受到鍋爐入口處換熱面材料和汽輪機葉片材料的限制，燃氣輪機排煙溫度、汽輪機主蒸汽和熱再熱蒸汽溫度不能無限制地提高。在進行TETC控制策略優化設計的過程中需將上述燃氣輪機側和汽水側影響因素考慮在內，并將影響TETC控制的環境溫度、燃氣輪機轉速等關鍵參數放入TETC提升量計算的控制邏輯中，經過熱力、二次空氣系統、透平傳熱、透平氣動、壓氣機氣動、控制等多方面的分析迭代和評估后，給出TETC提升量的安全邊界，形成能夠有效提升聯合循環效率并兼顧熱部件壽命的技術方案。

由于TETC提升量需要考慮的因素較多，且其與環境溫度和負荷強相關，因此為了減少對原有控制系統穩定運行的干擾，從保持控制邏輯相對獨立的角度，設計如下TETC控制策略實現方案：將TETC提升量控制策略封裝進單獨的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)中，將此PLC安裝到原有燃氣輪機控制系統，PLC輸入量為燃氣輪機功率和壓氣機進口溫度，輸出為TETC提升量，輸出量疊加到原控制系統TETC設定值，以此來對透平排煙溫度進行控制。

該方案的實現需要在控制系統機柜內裝設新的PLC控制器、通信模塊、IO板卡等硬件設備。PLC的控制邏輯中引入了環境溫度、燃氣輪機負荷率等對透平排煙溫度有影響的因素，能夠在機組部分負荷時根據燃氣輪機負荷率和環境工況自動計算TETC提升量，并將排煙溫度的提升信號傳遞至原燃氣輪機控制系統的TETC控制器，實現部分負荷排煙溫度的靈活控制。PLC只會對原控制系統中的TETC設定信號產生影響，相關的修正計算均在PLC內部完成。

加裝PLC主要有以下優點：

1)所有涉及部分負荷性能優化的控制邏輯均集成在PLC中，與原控制系統交互參數少，便于維護和調試；

2)PLC控制器獨立于原控制系統，運行人員可通過集控畫面操作，實現新增PLC優化模塊的無擾投退，確保機組運行可靠可控。

2 方案安全性評估與試驗

2.1 燃氣輪機耐受評估

提高燃氣輪機透平排煙溫度，會造成燃氣輪機和汽水側運行狀態與原機組不同，需要對燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機分別進行評估，并使三大主設備聯動匹配，保障機組運行安全穩定，進而共同提升部分負荷下的性能，使聯合循環機組達到更高的部分負荷性能水平。

對于燃氣輪機，由于透平排煙溫度的提升，透平前溫會提升，壓氣機及透平氣動性能隨之發生改變，導致葉片的進出口壓力發生改變，進而導致葉片冷卻空氣量可能會出現不足的情況。同時主流燃氣熱載荷增加，可能導致透平葉片金屬溫度或涂層溫度過高，從而破壞葉片結構完整性，增加涂層剝落和出現裂紋等風險。因此對于部分負荷工況，需要開展如下燃氣輪機評估校核工作，確定安全可行的TETC提升量邊界：

1)根據熱力性能計算，確定可行的TETC提升負荷和運行邊界條件，并確定經濟可行的TETC提升裕度；

2)確定燃氣輪機內部系統參數，根據確定的負荷邊界，計算出較為準確的燃氣輪機部件級系統參數；

3)進行燃氣輪機葉片耐受評估，根據部件級參數，分析各級動靜葉片的運行狀況，保證透平葉片在透平排煙溫度優化后的耐受性和完整性；

4)進行排氣擴散器與透平軸承座耐受評估，對排氣擴散器和透平軸承座進行詳細的評估，確保TETC提升后機組能夠安全運行且滿足密封要求。

2.2 汽水側耐受評估

燃氣輪機排煙溫度的提升會增強余熱鍋爐換熱，供給汽輪機更高品質的蒸汽。但余熱鍋爐入口處換熱面材料和汽輪機葉片材料存在最高溫度限制，因此燃氣輪機排煙溫度、主蒸汽和熱再熱蒸汽的溫度不能無限制地提高。

對于AE系列燃氣輪機的余熱鍋爐，燃氣輪機排煙溫度提升后，其不會超過夏季高溫工況滿負荷運行時的燃氣輪機排煙溫度，也就是余熱鍋爐仍能夠正常運行。并且在機組部分負荷運行時，余熱鍋爐也存在提升排煙溫度上限的空間。

汽輪機熱部件校核的分析流程與燃氣輪機相似，汽輪機葉片在部分負荷下也有溫度上限的提升空間。針對汽輪機蒸汽溫度限值的提升，汽輪機技術人員也進行了系統全面的分析，可以在保證汽輪機葉片的耐受性和完整性的前提下，提升汽輪機部分負荷下主汽溫度和熱再熱蒸汽溫度的上限值，提高蒸汽的做功品質，這對聯合循環效率的提升有顯著影響[2]。

2.3 控制邏輯仿真測試

由于TETC提升的控制策略牽涉的參數很多，且其需要直接作用于參與燃氣輪機閉環控制的TETC控制器，那么就需要對優化后的控制策略和控制邏輯進行詳盡評估，確保其安全穩定性。

上海電氣自主開發的燃氣輪機控制仿真平臺的操作組態環境與真實電廠的控制系統完全一致，能夠真實模擬現場控制系統的情況，可對控制邏輯的準確性進行功能驗證和分析。將TETC提升優化的控制邏輯帶入到燃氣輪機控制仿真平臺，能夠模擬真實機組運行時控制系統的情況，排除潛在的控制邏輯故障和問題，同時進一步優化控制邏輯，保證最終控制邏輯的可靠性。

3 燃燒調整試驗

由于透平排煙溫度的提升會導致燃燒室燃空比的改變，由此可能會影響燃燒穩定性和NOx排放，而這些燃燒相關的問題無法通過模型計算或專家經驗給出確切的結論，只能針對每臺燃氣輪機進行燃燒調整試驗，從而評估排煙溫度優化后燃氣輪機在不同工況下的燃燒穩定性，同時調整NOx排放，滿足環保要求。

在燃氣輪機控制系統加裝具有TETC提升功能的PLC后，需要根據不同的環境溫度進行多次熱態燃燒調試，主要包括冬季熱態調試、春/秋季熱態調試、夏季熱態調試等，目的是覆蓋部分負荷性能優化工作的不同環境溫度。在每次調試中，從進口可調導葉(Inlet Guiding Vane，IGV)打開時對應的負荷一直測試到約90%負荷工況，確保在各種環境溫度、不同負荷率下機組燃燒都穩定，且NOx排放達標。

每次熱態調試時間需要大約7天，電廠需根據燃燒調整計劃，事先與所對應的電網負荷調度申請調試期間所需負荷。在不同負荷段(40%、50%、60%、70%、80%、90%)進行排煙溫度裕度測試，具體溫度范圍以設計溫度和其他系統保護限值為準，每個負荷段測試依次在白天(最高環境溫度)和晚上(最低環境溫度)進行，各負荷段測試完成后進行40%～90%負荷段的變負荷測試。試驗時將燃氣輪機負荷調整至目標功率，對比新增PLC模塊計算得到的TETC設定值溫度與預期值，同時觀察余熱鍋爐、汽輪機等的工作情況，必要時進行額外調整。

對于NOx排放已經接近限值或需要更優排放指標的電廠，在實施部分負荷性能優化項目前，還需根據電廠當前排放情況和后續需要，對機組進行額外的燃燒調整，甚至進行燃燒器升級優化，使得NOx排放量降低，這樣才能使部分負荷性能優化的效果不至于受到NOx排放的限制。

4 全廠在線性能評價系統

4.1 性能評價系統的優勢

對于燃氣輪機電廠而言，燃氣輪機和聯合循環的性能在設計之初已經達到了非常高的水平，進一步提升聯合循環性能的潛力并不大。對于幾百萬元的中小規模優化改造項目，如果采用本文的部分負荷性能優化方案，燃氣輪機電廠效率提升絕對量僅為0.2%～0.3%，如何評估這類項目的性能提升效果，就成為驗收的難題。

一般而言，電廠方面首先想到的是對比性能試驗評估優化效果。然而，ASME PTC22性能試驗標準建議對比性能試驗的不確定度需要小于性能收益的10%[3]，對于本文而言，修正后的效率不確定度要達到0.03%～0.05%。對于燃氣輪機聯合循環的性能對比試驗，在不考慮使用超高精度儀表等手段的條件下，雖然系統誤差接近于零，但修正后的出力和效率不確定度仍然有0.1%～0.2%，不滿足試驗要求，造成對比性能試驗無法分辨中小型優化升級項目的性能提升效果。從技術角度，使用性能試驗評估中小體量優化改造項目對電廠的性能提升，是不可行的。

從經濟性角度，一次性能試驗需要投入整個性能試驗團隊，工作時間前后至少一個月，并且直接耗資十幾萬至幾十萬元，成本占整個升級改造項目費用的20%以上。并且性能試驗僅僅是一次性的性能評價，對電廠后續工作無法留下任何有價值的成果。從經濟性角度，使用性能試驗評估也得不償失。

因此，針對中小型燃氣輪機電廠的性能優化和升級改造，本文認為使用高精度的全廠性能評估系統來捕捉這類優化的效果，才是可行、有效的。全廠性能評估系統需要具有足夠高的熱力模型精度，能夠對燃氣輪機電廠進行全廠范圍的熱力仿真，且在變邊界、變負荷的條件下，仍然能夠準確地對全廠的性能變化進行仿真。

為了評估部分負荷性能的優化效果，本文建立了一套全廠在線性能評價系統，這套系統融合了電廠設備精細化機理模型與統計學模型，可根據不同的升級優化方案和機組情況進行配置，定制化建立聯合循環熱力性能模型，包括燃氣輪機、汽輪機、余熱鍋爐、發電機等主設備部件級模型，以及性能相關的各大管道和輔機模型等。該系統能夠在線監測上述主設備大部件的性能，并在線評估分析燃氣輪機及聯合循環整機的性能，根據全廠燃氣輪機、汽水側等幾百個性能相關測點，對燃氣輪機和汽輪機的性能進行在線修正，使熱力模型能夠準確匹配當前機組的運行性能。并且該系統能夠根據電廠的不同需求，定制設計系統界面，可視化顯示評估結果。

本套系統是針對全廠范圍的部件級、高精度性能評價系統，能夠實時分析性能數據并對在線數據進行修正，具有明晰直觀等優勢。

4.2 性能評價系統的應用方案

性能評價系統的核心是聯合循環性能計算模型，本文所述性能計算模型經過了西門子、AE系列燃氣輪機機群數據驗證，能夠在模型內加載燃氣輪機設計特性，并經過燃氣輪機、汽輪機、余熱鍋爐等技術方面的校核，具有很高的聯合循環變工況性能計算評估精度，多年來在新機投標時得到使用。

為了讓模型進一步匹配電廠運行性能，將燃氣輪機電廠性能優化評價分為兩個步驟。第一步為標定模型，以電廠現場性能相關測點運行數據為基準，使模型計算結果匹配當前機組性能。第二步為性能計算，改變某些變量以計算不同條件下的機組性能，例如在部分負荷性能優化中，以優化前后排煙溫度為變量，輸入熱力模型得到性能的提升量。熱力模型本身具有較高的精度，并以運行數據進行標定，這保證了其在進行變負荷、變工況的性能優化評價時具有較高的準確性和可靠性，能夠有效評價電廠實際機組的運行性能和改造升級性能收益。

需要注意的是，對于不同電廠的熱力機理模型，需要根據電廠的實際配置、測點可信度等因素調整熱力模型。如某E級燃氣輪機電廠，由于尚未安裝色譜儀，僅使用固定的燃料成分進行燃料物性計算，且燃料流量計的數據顯著異常，這造成了燃料流量的測點數據在性能計算時被舍棄，使得燃料成分波動對燃氣輪機性能的影響以燃料流量的方式體現，燃氣輪機熱力模型的修正數據源也減少了。

本文所述的燃氣輪機全廠性能評價系統一般以瀏覽器/服務器(Browser/Server，BS)架構部署在電廠側，其從電廠安全儀表系統(Safety Interlocking System，SIS)的數據庫實時提取所需性能相關測點運行數據，存入自帶的開源數據庫，熱力模型按給定時間間隔自動獲取數據進行性能評價計算，并將評價結果存入自身數據庫，最終呈現在系統界面中。

5 部分負荷性能優化實施案例

本文提出的部分負荷性能優化及全廠在線性能評價系統已經在某電廠的AE94.2型燃氣輪機聯合循環機組中實施。

部分負荷性能優化的控制策略通過控制系統機柜內裝設新的PLC控制器實現，圖1為在此電廠已安裝的PLC硬件。對于其他電廠，機柜的具體安裝位置需要綜合考慮控制機柜中當前空間和接線是否便利。

圖1 某E級電廠安裝的PLC硬件

某燃氣輪機電廠汽水側經評估優化后，透平排煙溫度仍然處于余熱鍋爐的承溫范圍內。技術評估認為汽輪機方面可適當提高主蒸汽溫度限值，從原有機組的520 ℃提升至530 ℃。

根據冬季、春季的不同條件，對此燃氣輪機電廠透平排溫進行了提升，覆蓋了5～20 ℃的環境溫度下50%～90%負荷工況，在調整過程中優化了燃氣輪機排放和燃燒穩定性，最高TETC提升量可達到20 ℃，NOx排放仍然低于50 mg/m3。

此電廠機組實施了部分負荷性能優化后，將全廠在線性能評價系統部署在電廠數據中心，進行優化收益的評價。采用實時現場運行數據對熱力模型進行校準，在模型邊界條件相同的基礎上，以優化前后排煙溫度提升量為唯一輸入變量，計算優化前后的機組性能差異，以此評估部分負荷性能優化的效果。

對于此電廠的性能評價和升級改造性能分析需求，定制化設計性能評價的展示界面，并形成如圖2所示的軟硬件結合的全廠性能評價系統產品包，部署在電廠就地側，電廠工程師可登錄電廠內網訪問瀏覽。

圖2 燃氣輪機全廠在線性能評價系統主界面

在實施部分負荷性能優化方案后，隨著環境溫度和機組負荷變化，TETC提升量會同步智能調控，提升范圍在0～20 ℃。在-10～15 ℃的環境工況條件、70%負荷率下，該優化方案能夠使此聯

圖3 某E級電廠不同工況下效率提升量對比

在對電廠進行部分負荷性能優化升級前，需要對電廠的部分負荷性能、燃燒穩定性、NOx排放、汽水側余熱鍋爐、汽輪機主汽溫度限制等一系列狀態進行評估，以得出部分負荷性能優化的預期效果。

6 結 論

本文利用部分負荷下透平葉片承溫能力未能充分發揮的特性，通過優化排煙溫度控制策略，實現燃氣輪機及聯合循環的部分負荷工況效率提升，使燃氣輪機在部分負荷下能夠根據不同的負荷和環境溫度，智能提升TETC設定值。

本文通過燃氣輪機的熱力、傳熱、二次空氣、燃燒等方面的分析評估，得出TETC的安全運行區間，并根據余熱鍋爐、汽輪機等方面的因素得出TETC提升的限制值，形成優化的TETC控制策略。在PLC中實現提升TETC的控制策略，在控制仿真平臺中測試無誤后，將該策略加裝在電廠控制系統中，形成對燃氣輪機TETC控制值的直接疊加，經過多次燃燒熱態調試，確定最終的TETC提升量。

通過部署在電廠側的燃氣輪機全廠在線性能評價系統，進行部分負荷性能優化的性能提升效果評估。某AE94.2燃氣輪機電廠實施了本文的優化方案，最高TETC提升量可達到20 ℃，NOx排放低于50 mg/m3，聯合循環機組效率提升的絕對值在0.15%～0.26%。