聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)分析及優(yōu)化探討

王艷青　盛會(huì)霞

摘 要：本文以西門(mén)子9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)主機(jī)設(shè)備特性和冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中各主要參數(shù)變化的分析，找出影響機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程延長(zhǎng)的主要因素，并提出優(yōu)化方案，以縮短機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，提高機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán)；汽輪機(jī)；冷態(tài)啟動(dòng)；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TM611.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）04-0074-03

Analysis and Optimization of Cold Starting of Combined Cycle Unit

WANG Yanqing SHENG Huixia

（ZhengZhou Gas Turbin Power Co.，Ltd ，Zhengzhou Henan 450001）

Abstracts： This paper taken the SIEMENS 9F gas steam combined cycle unit as an example to analyze the cold start process of the combined cycle unit. Through the analysis of the changes of the main characteristic parameters of the host device and the cold start process， found out the main factors affecting the start-up process extension， and put forward the optimization scheme， to shorten the cold start time， improved the safety and economy of the process of cold start.

Keywords： combined cycle；steam turbine；cold start；optimization

燃?xì)怆姀S(chǎng)與常規(guī)燃煤電廠(chǎng)相比，具有啟動(dòng)快、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其啟動(dòng)時(shí)間相比于常見(jiàn)火電要快得多，可以做到早起晚停，滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)峰需求。西門(mén)子9F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱態(tài)和溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)間一般為1～1.5h，但冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間一般在7h左右。某燃?xì)怆姀S(chǎng)安裝兩套西門(mén)子引進(jìn)的GUD1S.94.3A燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)的年機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)5次/臺(tái)。但隨著本區(qū)域裝機(jī)容量的快速增多，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的次數(shù)明顯增多，冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程的優(yōu)化也顯得更加重要。

1 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)概述

西門(mén)子GUD1S.94.3A燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，單軸布置，其汽輪機(jī)采用三壓再熱雙缸凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)以汽輪機(jī)中壓缸計(jì)算軸溫為準(zhǔn)，當(dāng)該溫度在100℃以下的機(jī)組啟動(dòng)即為冷態(tài)啟動(dòng)，溫度在200℃以上的啟動(dòng)即為熱態(tài)啟動(dòng)，之間溫度區(qū)域?yàn)闇貞B(tài)啟動(dòng)。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間一般比熱態(tài)啟動(dòng)要長(zhǎng)很多，且會(huì)受到多種因素的影響。

因燃機(jī)材質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其動(dòng)、靜葉片多為中空結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度的適應(yīng)性非?？欤瑱C(jī)組并網(wǎng)后，若不考慮鍋爐和汽輪機(jī)因素，燃機(jī)單循環(huán)時(shí)可以最快13MW/min的升負(fù)荷率加負(fù)荷。余熱鍋爐因受到高壓蒸汽管道、高壓汽包壁較厚的影響和金屬材料本身的特性限制，要保證金屬的熱應(yīng)力變化在許可范圍，蒸汽管道和汽包壓力升高速度不大于0.2MPa/min，溫升速度不大于35K/min，一旦升溫或升壓速度接近或者超過(guò)上述范圍，機(jī)組計(jì)算的升負(fù)荷率就會(huì)減至零，限制機(jī)組增加負(fù)荷，并需要等待更長(zhǎng)時(shí)間。因此，余熱鍋爐溫度和壓力的變化會(huì)影響機(jī)組加負(fù)荷的時(shí)間。

汽輪機(jī)進(jìn)汽沖轉(zhuǎn)參數(shù)需要滿(mǎn)足高壓缸進(jìn)汽溫度390℃、壓力8.0MPa，中壓缸進(jìn)汽溫度390℃。汽輪機(jī)的溫升速度主要受到其葉片和較厚的缸壁熱應(yīng)力限制，前期低轉(zhuǎn)速下通入少量的高中壓過(guò)熱蒸汽對(duì)汽輪機(jī)葉片和缸體緩慢預(yù)熱，也就是汽輪機(jī)中速（870r/min）暖機(jī)。中速暖機(jī)完成后，才允許汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)升速至額定轉(zhuǎn)速并逐漸帶負(fù)荷至額定負(fù)荷，并允許通入溫度更高、流量更多的過(guò)熱蒸汽，繼續(xù)加熱汽輪機(jī)直至達(dá)到額定溫度，其升溫過(guò)程被嚴(yán)格限制在1K/min的升溫速率[1]。

機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程在汽輪機(jī)未并入系統(tǒng)之前為燃機(jī)單循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)旁路進(jìn)入凝汽器，機(jī)組輸出的負(fù)荷只有在相同氣耗下聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷的60%，其氣耗率和廠(chǎng)用電率都很高。

按照聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行特性，其冷態(tài)啟動(dòng)整個(gè)過(guò)程可以劃分為三個(gè)階段：①機(jī)組啟動(dòng)前準(zhǔn)備階段；②燃機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火、并網(wǎng)至單循環(huán)運(yùn)行，余熱鍋爐汽水系統(tǒng)升溫升壓階段；③汽輪機(jī)開(kāi)始進(jìn)汽、中速暖機(jī)和汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速接帶負(fù)荷繼續(xù)升至額定溫度階段。

2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一般冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程

2.1 機(jī)組啟動(dòng)前準(zhǔn)備階段。

輔助系統(tǒng)投入啟動(dòng)前狀態(tài)或正常運(yùn)行狀態(tài)，為機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備，包括以下系統(tǒng)。①潤(rùn)滑油、密封油、定冷水和控制油系統(tǒng)投入正常運(yùn)行；燃機(jī)、汽輪機(jī)盤(pán)車(chē)系統(tǒng)，盤(pán)車(chē)投入時(shí)間不低于24h。②閉冷水、凝結(jié)水系統(tǒng)，余熱鍋爐系統(tǒng)省煤器、蒸發(fā)器和汽包等受熱面注水完成；天然氣供應(yīng)系統(tǒng)和輔助蒸汽系統(tǒng)正常投入運(yùn)行；軸封及真空系統(tǒng)、給水泵系統(tǒng)、旁路除氧系統(tǒng)、開(kāi)式水及循環(huán)水系統(tǒng)等各輔助系統(tǒng)投入。

各輔助系統(tǒng)投入正常運(yùn)行，并確認(rèn)發(fā)變組、勵(lì)磁及拖動(dòng)等電氣系統(tǒng)正常備用。各設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)反饋正常，機(jī)組即具備啟動(dòng)條件。

2.2 燃機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火、并網(wǎng)至單循環(huán)運(yùn)行階段

2.2.1 機(jī)組程序啟動(dòng)及鍋爐吹掃，燃機(jī)點(diǎn)火升至滿(mǎn)速。經(jīng)由系統(tǒng)啟動(dòng)程序（CJA）將燃機(jī)啟動(dòng)后，燃機(jī)程序啟動(dòng)開(kāi)始，燃機(jī)拖動(dòng)裝置SFC帶動(dòng)轉(zhuǎn)子升速進(jìn)行鍋爐清吹約8min，之后燃機(jī)轉(zhuǎn)子惰走至300r/min左右燃機(jī)點(diǎn)火。

燃機(jī)點(diǎn)火成功后，由機(jī)組啟動(dòng)拖動(dòng)裝置SFC繼續(xù)帶動(dòng)燃機(jī)轉(zhuǎn)子升速至2 250r/min左右自持轉(zhuǎn)速后退出，燃機(jī)繼續(xù)升速至滿(mǎn)速。燃燒切換至正常模式后就可以進(jìn)行發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。余熱鍋爐受熱面溫度隨燃機(jī)排氣溫度的升高而逐漸升高。

2.2.2 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，燃機(jī)單循環(huán)帶低負(fù)荷運(yùn)行。機(jī)組滿(mǎn)足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)接帶負(fù)荷，燃機(jī)單循環(huán)帶負(fù)荷運(yùn)行。在增加燃機(jī)負(fù)荷的同時(shí)，一方面隨余熱鍋爐受熱面溫度的上升，蒸汽壓力溫度逐漸升高；另一方面，不合格汽水混合物由疏水管道或定排排污排出，等待蒸汽參數(shù)和品質(zhì)都滿(mǎn)足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)要求。此過(guò)程中，蒸汽壓力和溫度上升率需要滿(mǎn)足升速率限值要求，并會(huì)影響燃機(jī)升負(fù)荷率[2]。

2.3 汽輪機(jī)中速暖機(jī)和接帶負(fù)荷升至額定溫度階段

隨著余熱鍋爐蒸汽參數(shù)升高，在過(guò)熱蒸汽參數(shù)包括溫度、壓力及蒸汽品質(zhì)達(dá)到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)要求后，就可以釋放蒸汽品質(zhì)。過(guò)熱蒸汽開(kāi)始進(jìn)入汽輪機(jī)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子升速至870r/min后正式進(jìn)入中速暖機(jī)。過(guò)熱蒸汽流入汽輪機(jī)加熱葉片和缸體，缸體和葉片溫度逐漸升高。汽輪機(jī)中速暖機(jī)的時(shí)間由控制器根據(jù)高中壓進(jìn)汽參數(shù)和凝汽器真空（背壓）等數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

當(dāng)中速暖機(jī)的計(jì)算時(shí)間遞減降至零后，即汽輪機(jī)暖機(jī)完成，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子升速至滿(mǎn)速，經(jīng)3S離合器與發(fā)電機(jī)并列，汽輪機(jī)正常接帶負(fù)荷，進(jìn)一步增加機(jī)組的輸出負(fù)荷。爐側(cè)高壓主蒸汽和再熱蒸汽的溫度設(shè)定點(diǎn)逐漸升至額度溫度，汽輪機(jī)的缸溫、軸溫也隨之逐漸升高至額度值。

3 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程分析及優(yōu)化

3.1 機(jī)組啟動(dòng)前準(zhǔn)備階段分析及優(yōu)化

3.1.1 機(jī)組啟動(dòng)前準(zhǔn)備階段分析。機(jī)組啟動(dòng)前準(zhǔn)備階段所用的時(shí)間并不算作機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，各系統(tǒng)設(shè)備要充分準(zhǔn)備，避免因設(shè)備異常引起的機(jī)組啟動(dòng)中止或延遲，保證機(jī)組順利啟動(dòng)。

3.1.2 啟動(dòng)前準(zhǔn)備階段優(yōu)化方案。①機(jī)組啟動(dòng)前準(zhǔn)備階段，首先應(yīng)保證各個(gè)主要設(shè)備或閥門(mén)狀態(tài)信號(hào)正常，各手動(dòng)閥門(mén)恢復(fù)至啟動(dòng)前要求位置。②輔助系統(tǒng)投運(yùn)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行核查，且需確認(rèn)設(shè)備保護(hù)連鎖投入正常。若是機(jī)組停運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)（超過(guò)兩周），再次啟動(dòng)前，應(yīng)該對(duì)輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行短期試運(yùn)行檢查及保護(hù)連鎖試驗(yàn)，尤其是密封油、潤(rùn)滑油和液壓油系統(tǒng)，確保設(shè)備可用且連鎖保護(hù)可靠。

3.2 燃機(jī)單循環(huán)運(yùn)行及汽水系統(tǒng)升溫升壓階段分析及優(yōu)化

3.2.1 機(jī)組啟動(dòng)初期燃機(jī)排氣溫度變化和鍋爐升溫升壓分析。燃機(jī)轉(zhuǎn)子從點(diǎn)火轉(zhuǎn)速300r/min升至滿(mǎn)速需約5min，其后燃機(jī)由擴(kuò)散燃燒向預(yù)混燃燒方式切換。受燃機(jī)燃燒方式和燃燒特性影響，燃機(jī)點(diǎn)火初期燃機(jī)排氣溫度會(huì)快速升高至450℃左右，其后降低穩(wěn)定在280℃（OTC，即經(jīng)修正的燃機(jī)排氣溫度），但時(shí)間短且燃機(jī)排氣流量低，再經(jīng)過(guò)燃機(jī)排氣擴(kuò)壓段的混合，爐側(cè)煙氣的溫度是均勻上升的，對(duì)余熱鍋爐側(cè)溫度及受熱面幾乎沒(méi)有影響。

燃機(jī)點(diǎn)火后運(yùn)行約10min，鍋爐高壓系統(tǒng)開(kāi)始升溫升壓。若是燃機(jī)滿(mǎn)速后直接并網(wǎng)，燃機(jī)OTC將快速升至350℃左右維持穩(wěn)定。高壓系統(tǒng)溫度升至100℃以上產(chǎn)生蒸汽后，溫度和壓力會(huì)迅速升高，由最低溫度快速升至250℃以上（8min左右時(shí)間內(nèi)）。隨著高壓旁路的開(kāi)啟，再熱系統(tǒng)開(kāi)始升溫升壓，因進(jìn)入蒸汽前再熱器幾乎處于干燒狀態(tài)，其溫度較高，進(jìn)入旁路蒸汽后其溫度會(huì)迅速升高至250℃以上（6min左右時(shí)間內(nèi)）才會(huì)趨緩，壓力也達(dá)到1.5MPa左右。再熱蒸汽升溫升壓太快，壓差大，蒸汽迅速流動(dòng)至中壓旁路前，管道疏水不暢時(shí)中壓旁路開(kāi)啟，極易導(dǎo)致水沖擊。

等待爐側(cè)高壓蒸汽溫度升至350℃、壓力為3MPa左右，燃機(jī)允許繼續(xù)增加負(fù)荷，并保證蒸汽的升溫升壓率在許可范圍，否則，程序會(huì)停止增加機(jī)組負(fù)荷，等待直到升溫升壓率降至要求范圍以下才會(huì)繼續(xù)增加負(fù)荷。燃機(jī)點(diǎn)火后，各管道及過(guò)熱器疏水開(kāi)啟，直至過(guò)熱度升至30K后疏水閥自動(dòng)關(guān)閉，直至高壓和再熱蒸汽參數(shù)和蒸汽品質(zhì)滿(mǎn)足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)要求。

3.2.2 燃機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火后鍋爐升溫升壓階段優(yōu)化。機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)初期，蒸汽升溫升壓速率較快，需要緩慢增加機(jī)組負(fù)荷，確保升壓率為0.2MPa/min，否則程序會(huì)停止增加機(jī)組負(fù)荷，太快的升溫升壓率會(huì)對(duì)金屬造成傷害——引起金屬蠕變。為避免余熱鍋爐初期的升溫升壓速率超限制，在燃機(jī)滿(mǎn)速運(yùn)行約15min后再并網(wǎng)，蒸汽溫度溫升率會(huì)相對(duì)趨緩，蒸汽升溫過(guò)程溫升速率可以滿(mǎn)足35K/min要求。

點(diǎn)火后要檢查確認(rèn)各管道和受熱面疏水開(kāi)啟，初期蒸汽參數(shù)低，應(yīng)避免疏水不暢導(dǎo)致的水沖擊，過(guò)熱度小于50K或高壓蒸汽壓力在2MPa以下時(shí)，保持各疏水閥常開(kāi)，在暖管的同時(shí)，也可以將管道中的銹垢和雜質(zhì)及時(shí)排出。等參數(shù)繼續(xù)升高，旁路開(kāi)啟，蒸汽正常流動(dòng)后可以開(kāi)啟凝結(jié)水母管放水，也可以排走品質(zhì)差的汽水。通過(guò)汽水取樣系統(tǒng)及時(shí)了解汽水品質(zhì)變化，調(diào)整排污，使汽水品質(zhì)合格。

通過(guò)延長(zhǎng)疏水時(shí)間和開(kāi)啟凝結(jié)水母管放水，可以避免疏水不暢可能導(dǎo)致的管道水沖擊，并能使汽水品質(zhì)盡快合格，由此造成的汽水損失是值得的。若能使蒸汽品質(zhì)在蒸汽參數(shù)滿(mǎn)足條件時(shí)即已合格，可以減少機(jī)組單循環(huán)時(shí)間1h左右，極大地加快啟動(dòng)速度，盡早進(jìn)入汽輪機(jī)中速暖機(jī)。

3.3 汽輪機(jī)開(kāi)始中速暖機(jī)和升至額定溫度階段分析及優(yōu)化

3.3.1 汽輪機(jī)暖機(jī)過(guò)程分析。汽輪機(jī)進(jìn)入中速暖機(jī)后，中速暖機(jī)的時(shí)間因汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)和凝汽器真空（背壓）的不同會(huì)有較大差異。自汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子升速至870r/min開(kāi)始，計(jì)算的暖機(jī)時(shí)間一般為200r/min至360r/min不等，依實(shí)際分鐘遞減，直至倒計(jì)時(shí)至零，暖機(jī)完成。進(jìn)汽初期，高壓軸溫因高溫汽體進(jìn)入直接加熱而快速上升，約1h升至250℃，之后溫升趨緩，直至暖機(jī)結(jié)束升至300℃左右，缸溫約1h內(nèi)升至200℃，后溫升相對(duì)稍緩，至暖機(jī)結(jié)束升至280℃左右。中壓缸因進(jìn)汽量小，溫升較緩慢。暖機(jī)過(guò)程要密切監(jiān)視各參數(shù)變化，參數(shù)異常時(shí)要及時(shí)停止暖機(jī)過(guò)程。

汽輪機(jī)中速暖機(jī)開(kāi)始后，汽水品質(zhì)會(huì)因?yàn)槠啓C(jī)內(nèi)存留的銹垢、雜質(zhì)等隨蒸汽排出混入汽水系統(tǒng)而再次變差。

汽輪機(jī)滿(mǎn)速并列后，爐側(cè)高壓主蒸汽和熱再蒸汽的溫度設(shè)定點(diǎn)由390℃逐漸升至額度溫度560℃左右。汽輪機(jī)的缸溫也隨著進(jìn)汽溫度的升高而逐漸升高至額度溫度。汽輪機(jī)進(jìn)汽量緩慢增加，聯(lián)合循環(huán)總負(fù)荷也逐漸增加，汽輪機(jī)各缸體和轉(zhuǎn)子溫度在汽輪機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行約4h后達(dá)到額定值。此時(shí)，若機(jī)組帶至滿(mǎn)負(fù)荷，其效率也將得到最大值。

3.3.2 汽輪機(jī)暖機(jī)過(guò)程優(yōu)化。汽輪機(jī)中速暖機(jī)時(shí)間激活后，就可以通過(guò)設(shè)置的真空旁路閥調(diào)節(jié)凝汽器真空（背壓），使汽輪機(jī)透平內(nèi)蒸汽流動(dòng)略微減緩，以縮短汽輪機(jī)的計(jì)算暖機(jī)時(shí)間，調(diào)整真空后，暖機(jī)的計(jì)算時(shí)間會(huì)由初期的360min快速下降至180min左右，此后依實(shí)際分鐘遞減，倒計(jì)時(shí)至零，暖機(jī)完成。一般控制凝汽器絕對(duì)真空值（背壓）在20～25kPa，但不應(yīng)超過(guò)25kPa，避免真空波動(dòng)達(dá)到真空保護(hù)值而觸發(fā)跳閘。

汽輪機(jī)中速暖機(jī)開(kāi)始后，應(yīng)保持凝結(jié)水母管放水和爐側(cè)定期排污，保持汽水系統(tǒng)換水排污，可以盡早使汽水品質(zhì)滿(mǎn)足汽輪機(jī)正常運(yùn)行要求。

中速暖機(jī)結(jié)束，將抽真空系統(tǒng)恢復(fù)至正常狀態(tài)，汽輪機(jī)升至滿(mǎn)速開(kāi)始接帶負(fù)荷后，過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽溫度依汽輪機(jī)升溫要求調(diào)整，以1K/min的速率逐漸升溫，直至到達(dá)額度溫度，約需要3h，汽輪機(jī)缸溫軸溫升溫較蒸汽溫度稍有滯后，約需要4h。汽輪機(jī)升溫過(guò)程要密切監(jiān)視各蒸汽溫度和汽輪機(jī)溫度變化，防止有溫度異常波動(dòng)的情況，同時(shí)監(jiān)視各軸瓦溫度和振動(dòng)變化。

中速暖機(jī)調(diào)整真空并保持汽水系統(tǒng)適當(dāng)排污換水，統(tǒng)計(jì)顯示優(yōu)化后的中速暖機(jī)時(shí)間都在200min以?xún)?nèi)，相當(dāng)于節(jié)約暖機(jī)時(shí)間將近3min，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)組啟動(dòng)前及啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行階段分析，可以在保證機(jī)組運(yùn)行安全的前提下通過(guò)適當(dāng)調(diào)整控制，將冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間壓縮至4.5h左右，比優(yōu)化前降低3～4h，在保證主機(jī)設(shè)備安全性的同時(shí)，提高冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化后的典型啟動(dòng)過(guò)程參數(shù)曲線(xiàn)可作為日常冷態(tài)啟動(dòng)的參考。

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