m701f型单轴联合循环机组的研制

m701f型单轴联合循环机组的研制

m701f机枪是日本三棱公司（mhi）于1992年开发和运营的f级机枪。该装置已通过实际运营和逐步改进，各方面都日趋成熟，性能良好，结构先进。东方汽轮机厂在2003年通过国家燃气轮机打捆招标引进了该级别的改进型M701F3型的制造技术,获得制造许可证。该型号机组在ISO工况下主要性能数据:初温(TIT)1400°C发电功率270MW效率38.2%(LHV)进气量651kg/s排气温度586°C压比17国内首台M701F型单轴联合循环机组安装在北京京丰燃气发电有限责任公司,已于2005年移交生产。由于交货周期的原因,该台机组中东方汽轮机厂只提供了一些部件。东方汽轮机厂第1台高国产化率(46.5%)的M701F型单轴联合循环机组于2006年7月18日在广东惠州天然气发电有限公司一次点火成功,2006年9月21日投入商业运行。这也是我国以液化天然气(LNG)为燃料投入运行的首台燃气轮机。1余热锅炉+发电机+发电机M701F型单轴联合循环机组采用冷端驱动发电机方式,在惠州项目中,采用余热锅炉+燃气轮机+蒸汽轮机+发电机的布置方式。整个机组具有常规电厂的水、电、气等公用系统,但是与常规电厂不同的是配备了启动锅炉(由于是新电厂),机组启动采用静态变频(SFC)启动等等。1.1增加燃气透平M701F型燃气轮机由MHI和东方汽轮机厂制造,采用具有可调入口导叶(IGV)的17级高效轴流压气机;环管型燃烧室中有20个燃烧器和火焰管等,在8号及9号燃烧器上安装有点火装置,18号及19号燃烧器上安装有火焰探测器。燃气透平为4级反动式轴流透平。燃气轮机有以下系统:(1)燃料系统(包括计量、加热和控制);(2)冷却空气系统(包括透平动、静叶片冷却);(3)密封空气系统;(4)叶片清洗和疏水系统;(5)润滑油系统(燃气轮机、汽轮机公用);(6)EH控制油系统(燃气轮机、汽轮机公用);(7)罩壳通风系统;(8)仪控系统(TCS)和保护系统(TSI)(燃气轮机、汽轮机公用);(9)燃气轮机进气系统;(10)燃气轮机排气系统;(11)消防系统(燃气轮机、汽轮机公用)。1.2高/中/低压主汽门蒸汽轮机由东方汽轮机厂制造的TC2F-30型(日本三菱提供技术),蒸汽压力HP/IP/LP分别为9.94/3.35/0.429MPa;蒸汽温度HP/IP/LP分别为538/566/248.7°C;蒸汽流量HP/IP/LP为276.5/306.7/49.7t/h;排汽压力为7.33kPa。该汽轮机为双缸、单轴、双排汽凝结、再热式机组,高、中压合缸,高、中压汽轮机为冲动式,低压汽轮机为反动式、双排汽。高压和中压分别为8级,低压为6×2级。汽轮机配备一套高/中/低压主汽门和调节汽门,其中除中压主汽门和低压主汽门为二位控制外,其余汽门都可以连续控制。蒸汽轮机及辅助系统同常规燃煤机组相似,除燃气轮机中公用部分外,还有以下系统:(1)高/中/低压主蒸汽系统;(2)高/中/低压蒸汽旁路系统;(3)辅助蒸汽(启动锅炉或邻机供汽);(4)冷再热系统;(5)轴封蒸汽系统;(6)低压缸喷水和凝汽器水幕保护系统;(7)真空系统;(8)凝汽器及凝结水系统;(9)疏水系统。1.3剩余锅炉余热锅炉(HRSG)为杭州锅炉厂制造的三压、再热、自然循环、卧式、无补燃、露天布置型余热锅炉,锅炉排烟温度小于90°C。1.4机组接入和接入发电机由日本三菱电机株式会社和东方电机厂制造,额定功率409.7MW/482MVA,采取全氢冷冷却方式。机组采用发电机-变压器-线路接线,直接接入220kV系统。厂用电系统采用6kV和380V两级电压。2机组“总体调试”联合循环机组的调试分为2个阶段,第1个阶段为单个系统或设备的“分部套试运行”或“单机调试”;第2个阶段为机组整体的“总体调试”。它们的分界为机组大联锁,在大联锁前的工作为单体调试,之后为总体调试。2.1单一设备运行监控设备的单机调试可以认为从控制系统上电开始。首先对系统和设备测点和控制线路进行回路测试;然后对电动机、风机、泵、阀门等设备进行单个设备的检查和运行,使其性能参数、温升、噪声、振动、泄漏等指标达到相应的标准要求;最后对单一系统进行调试,使该系统满足机组运行时各项性能参数和状态的控制要求,比如设备的顺利启、停,压力、温度、流量等参数满足机组运行要求,同时能满足设计的远控或就地操作的要求。单机调试阶段主要完成工作见表1。2.2机组性能测试的重要性机组总体调试是调整机组及辅助系统满足运行、控制、保护等各方面性能和功能的需要,并测试机组某些性能是否达到合同或设计要求,并加以调整。机组总体调试的质量如何,对机组以后的运行非常重要。M701F单轴联合循环机组的总体调试主要包括内容见表2。2.2.1发电机点火前准备“高盘”(SPIN)有别于常规机组盘车,有时也叫“冷拖”。它是机组的一种启动模式,在蒸汽轮机建立真空的条件下,通过SFC把机组带到转速为~700r/min左右。M701F型燃气轮机在点火前都要经过高盘试验,一般要进行5次,每次机组启动均采用高盘模式。高盘的目的是检查断路器程序、SFC和机组的状态,对燃气轮机、抽气冷却管道进行吹扫等等。(1)第1次机组启动后马上停止,检查机组转向、SFC和断路器等运行情况。(2)第2次机组启动升速到~200r/min停机,检查机组是否有动、静摩擦。(3)第3次到第5次机组启动升速到700r/min,检查机组运转情况,分3个阶段对冷却空气管道进行分段吹扫,将冷却空气管道中的异物吹出,防止机组点火后异物进入燃气轮机内部,每次吹扫时间一般约1h左右。2.2.2第一个点和启动测试M701F燃气轮机首次点火到机组达到3000r/min,一般经过3个过程,即要进行3次点火后升速。(1)号、9号燃烧点火r/min,进行一定时间的吹扫;然后减低速度到点火转速,机组同时对8号、9号燃烧器点火;几秒钟后,就可以在18号、19号火焰管中检测到火焰,说明机组点火成功,然后机组升速到约1000r/min停机。此次目的是检查机组是否能顺利点火,同时检查机组的运转情况。(2)机组正常运行r/min。该次启动的目的是检查机组启动过程中各个设备,特别是燃气轮机的各个阀门开关是否正常,机组到达自持转速后,SFC是否能够顺利退出。(3)发电机的燃烧r/min。该次启动的目的是检查机组启动过程中各个设备是否正常运行,机组到3000r/min后轴系的振动、瓦温是否正常,燃气轮机的燃烧室火焰振动是否正常等等。通过3次启动点火后,机组到达额定转速,机组的空负荷启动运行结束,进入蒸汽冲管程序。2.2.3吹管设施的检查锅炉和管道内表面在制造、运输及安装过程中产生氧化铁和其他机械杂质,为了确保汽轮机长期安全经济运行,按照《火电工程启动调试规程》(1996)规定,在汽轮机第1次进汽冲转之前,必须对锅炉过热器、主蒸汽管道等主要热力管道进行蒸汽冲管,彻底清除上述受热面和热力管道内的各种杂质。联合循环机组吹管的范围为:锅炉过热器、再热器所有受热面及主蒸汽管道、冷段、热段再热蒸汽管道、旁路系统、辅助蒸汽管道及启动锅炉受热面等。其它不进行吹扫的蒸汽管道在安装前要清理干净,经检查验收合格。M701F联合循环机组可分为以下几条线路进行吹管:(1)辅助蒸汽和汽封蒸汽吹管管线(在机组抽真空前完成,用启动锅炉或外来汽源吹管);(2)高压蒸汽管线;(3)高压缸旁路和再热冷段管线;(4)再热热段蒸汽吹管管线;(5)中压缸旁路吹管管线;(6)低压蒸汽吹管;(7)低压缸旁路吹管管线。根据余热锅炉的特点决定以蓄能降压方式进行蒸汽吹管,低压蒸汽系统以稳压吹管方式进行。当压力达到吹扫条件时打开临控门,冲管系数下降后关闭临控门。吹管蒸汽的温度、压力和流量应达到一定的要求,以使吹管过程中被吹扫管线中的蒸汽清洗力(质量速度)保持为预定的值。吹管使用的蒸汽流量依据下列公式计算:1≤R=(Wc/Ws)2⋅Vc/Vs式中:R为清洗力比率;Ws为设计蒸汽流量,kg/h;Wc为吹管蒸汽流量,kg/h;Vs为过热器出口蒸汽的设计比容,m3/kg;Vc为吹管过程中过热器出口蒸汽的比容,m3/kg。M701F联合循环机组的吹管蒸汽参数:(1)高压蒸汽入口最高参数,流量大于240t/h,汽压3.0~3.5MPa,汽温280~300°C;(2)中压过热器入口参数,流量大于30t/h,汽压1.0~1.5MPa,汽温230~250°C;(3)低压过热器入口参数,流量大于51t/h,汽压0.3MPa,汽温180~200°C。M701F型联合循环的冲管有2种方式:机组带负荷和空负荷。在惠州1号机组的冲管采用的空负荷冲管。实际冲管时,高压压力大于3.0MPa,温度为298~301°C。2.2.4机组升负荷过程中蒸汽对机组的影响联合循环机组在吹管结束后进行恢复管道、旁路和主汽门调试、机组连锁试验等,完成电气的各种并网的试验,然后准备机组带负荷。首先进行假同期试验,然后机组同期并网,机组目标负荷为20MW。汽轮机的高、中压不进汽,低压进入冷却蒸汽。监视机组的燃烧振荡及其他的各项参数,如果发现异常进行必要的调整。M701F联合循环机组在并网成功后,其升负荷过程与常规运行有一定的区别,它是逐步提升负荷,同时进行燃烧调整和各项试验,一般在蒸汽品质没有达到要求之前,蒸汽通过排空和走旁路,只有燃气轮机带负荷。机组采用负荷限定模式(LOADCONTROL)运行,目标负荷为40MW、60MW、90MW、120MW、160MW、180MW等。当蒸汽品质达到标准要求后,汽轮机进汽带负荷,同样机组逐步提高机组的目标负荷为200MW、340MW和满负荷。蒸汽进入汽轮机不但要求品质达到要求,同时参数也满足规定要求。汽轮机高压入口金属温度决定机组的启动模式、负荷的加载曲线和升负荷速度,启动方式由机组控制系统根据汽轮机高压入口金属温度自动决定(见表3)。2.2.5燃烧调整和燃烧分析燃烧调整是调整燃气轮机的控制参数,使燃气轮机能够稳定燃烧,保持机组的NOx低排放,提高机组效率,减少机组跳机机率等。燃气轮机调试同常规燃煤火电机组一个重要的区别就是燃烧调整,它是燃气轮机所特有的,对机组稳定运行非常重要。从机组点火到满负荷,机组都需要进行燃烧调整。由于不同的气候、不同燃料的组分、不同机组允许的加工误差、机组不同运行工况下燃烧参数等种种原因,新机组在启动过程中要进行燃烧调整。老机组由于机组性能老化和机组结垢等原因,也需要进行燃烧调整。燃烧调整分为自动调整和手动调整。手动调整是在机组启动过程中,根据机组的火焰振荡情况和烟气成分来人为调整(新机组启动);自动调整根据机组以前的历史数据、气候参数变化、机组负荷变化等等,由控制系统自动完成(一般机组投运以后)。燃烧调整的目的是在规定的燃料的情况下,测试机组在各种运行工况下的火焰稳定性进行调整,使其满足要求,保证机组能够正常运行。M701F燃烧调整主要调整2个方面:燃料与空气的比率(燃空比)调整和燃料的分配调整。(1)燃气轮机要稳定燃烧必须有适当的燃空比范围,使机组能够稳定燃烧,不发生“贫油”和“富油”熄火,同时保持最佳燃烧效率。M701F型燃气轮机燃空比的调整是通过压气机进口IGV的角度来调整机组进入燃气轮机的空气量;通过旁路阀调整进入燃烧区的空气量;通过燃料控制阀调整进入燃气轮机的燃料量。通过以上3个方面的参数配合取得最佳燃空比,使机组的燃烧稳定,排气温度在不同负荷下都维持在较高的范围内,使联合循环效率高。M701F用安装在燃烧室上面的燃烧压力波动监视器(CPFM)和燃气轮机叶片通道温度(BPT)来监控燃气轮机的燃烧情况的。MHI提供了一套性能优良的CPFM系统,能够监视20个燃烧室的燃烧情况,根据CPFM提供的各个频率下燃烧室的振动情况来控制IGV、旁路阀和燃料阀的开度。(2)燃烧调整的另一个方面是通过调整燃料的分配情况来控制燃气轮机的排气成分,降低NOx排量。M701F采用的DLN燃烧器,由2组喷嘴组成:1个值班喷嘴和8个主燃料喷嘴。值班喷嘴在中间,其燃烧形式为扩散燃烧,燃烧火焰非常稳定,但是由其产生的NOx含量高;8个主燃料喷嘴分布一圈,其燃烧方式为预混燃烧,燃烧不太稳定,但燃烧过程中产生的NOx含量低。为了在不同工况下使机组能够稳定燃烧且使NOx排放低,必须有适当的值班燃料和主燃料的分配比例。这方面的调整是通过监控联合循环的尾气排放来调整燃料的分配。2.2.6运行参数设定M701F联合循环机组提供的是电超速保护(EOST),没有机械式危急遮断装置。机组采用3取2的转速逻辑控制方式。超速试验就是检验机组在超速的情况下,机组的EOST系统能否正常动作,且在超速过程中机组的振动等各项指标是否正常。M701F燃气轮机设置有2道超速保护,即:主保护3300+15−30r/min,相当于额定转速的110+0.5−1.0%;备用保护3330+0−15r/min,相当于额定转速的111+0−0.5%。M701F燃气-蒸汽联合循环机组的超速试验要求机组在200MW处运行,且汽轮机需要在负荷10%以上运行4h以上。选择“NORMALSTOP”后,在控制盘上选择“OSTTESTON”用调速器升高速度。按压INCREASEPB增加速度上限。试验过程中密切监视运行参数:转轴振动,轴承温度,LP排气温度等。确认达到设定的保护转速后机组“OVERSPEEDTRIP”信号是否发出,机组是否跳闸,否则机组转速达到3330r/min时手动打闸停机。跳机后确认所有燃料调节阀门、蒸汽主汽门(截止阀)及蒸汽调节汽门关闭。2.2.7机组带恒负荷本试验用于验证出现掉负荷情况下调速器的调节特性。当机组在稳定运行时断开发电机刀闸,确认燃气轮机速度突然升高,然后在调速器作用下趋于稳定,没有发生严重超速现象。该试验应该分别在50%、75%、100%负荷下进行。要求试验前机组带恒定负荷运行最少1h;厂用电从单元变压器切换到厂用变压器;手动断开发电机刀闸;观察转轴速度的瞬态过程,速度稳定到额定速度后试验结束。2.2.8要保持正常运行负荷的稳定联合循环机组的一个有利的特点就是能够在较为宽广的负荷下稳定运行,本试验的目的就是确认在指定最小负荷(30%负荷)条件下运行工况是否稳定。分析评估所有数据是否都在允许极限值之内。在降负荷之前,维持发电机负荷在50%左右(200MW