660 MW超超臨界汽輪機(jī)組中壓缸冷態(tài)啟動(dòng)過程優(yōu)化

宗緒東，葛凌峰，馮普鋒，袁 晨，李 沖

（1.華電國際技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014；2.華電國際十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277103）

0 引言

某發(fā)電廠8 號、9 號機(jī)組為660 MW 高效超超臨界抽凝供熱機(jī)組，型號為C660/612-28/0.5/600/620，配置30%汽輪機(jī)最大連續(xù)功率（Turbine Maximum Continous Rating，TMCR）高、低壓旁路。機(jī)組具有中壓缸啟動(dòng)和高、中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)模式，推薦采用中壓缸啟動(dòng)。汽輪機(jī)的啟動(dòng)是汽輪機(jī)狀態(tài)變化最為劇烈的工況，合理選擇啟動(dòng)方式，使汽輪機(jī)在合理的壽命損耗范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、快速地啟動(dòng)，已成為當(dāng)今大容量汽輪機(jī)啟動(dòng)技術(shù)的重要研究課題［1］。中壓缸啟動(dòng)相對于高壓缸啟動(dòng)、高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)，操作風(fēng)險(xiǎn)大，如果操作不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)很多影響機(jī)組安全的問題。文獻(xiàn)［2-6］針對國內(nèi)東汽引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)600 MW 等級亞臨界、超臨界汽輪機(jī)組中壓缸啟動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化研究，對于更高參數(shù)的超超臨界汽輪機(jī)組，中壓缸啟動(dòng)過程面臨的問題更加突出。

1 660 MW超超臨界機(jī)組中壓缸冷態(tài)啟動(dòng)方式及存在問題

1.1 中壓缸冷態(tài)啟動(dòng)方式及過程

機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷調(diào)節(jié)由汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）控制，高、低壓旁路減壓閥調(diào)節(jié)由分散式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）控制。機(jī)組冷態(tài)中壓缸啟動(dòng)主要分高壓缸盤車預(yù)暖、中壓缸沖轉(zhuǎn)及高壓缸正暖、并列帶負(fù)荷切缸3 個(gè)過程，冷態(tài)啟動(dòng)從高壓缸預(yù)暖至帶額定負(fù)荷需要16.2 h，系統(tǒng)流程及冷態(tài)啟動(dòng)曲線如圖1、圖2所示。

圖1 660 MW超超臨界機(jī)組系統(tǒng)流程

圖2 660 MW超超臨界機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線

高壓缸盤車預(yù)暖。鍋爐點(diǎn)火、高壓旁路投入后，檢查高壓缸各抽汽電動(dòng)閥、逆止門、高壓排汽逆止門關(guān)閉，高壓排汽逆止門前、后及高壓導(dǎo)汽管自動(dòng)疏水閥及隔離門開啟，開啟高壓缸倒暖調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉高壓排汽通風(fēng)閥。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)倒暖調(diào)節(jié)閥開度，控制進(jìn)入高壓缸的加熱蒸汽量，將高壓內(nèi)缸下壁溫度加熱到150 ℃后進(jìn)行悶缸。

中壓缸沖轉(zhuǎn)及高壓缸正暖。掛閘后，高中壓主汽門、高壓排汽通風(fēng)閥開啟，高壓調(diào)速汽門、高壓排汽逆止門關(guān)閉，由中壓調(diào)速汽門控制沖轉(zhuǎn)升速至500 r/min 后進(jìn)行摩擦檢查；摩擦檢查結(jié)束后，中壓調(diào)速汽門控制繼續(xù)升速，手動(dòng)控制高壓調(diào)速汽門開度進(jìn)行高壓缸正暖，至1 500 r/min 進(jìn)行中速暖機(jī)；繼續(xù)升速至2 500 r/min 進(jìn)行高速暖機(jī)，然后升速至3 000 r/min暖機(jī)。

并列帶負(fù)荷切缸。機(jī)組并網(wǎng)帶初負(fù)荷后，正暖自動(dòng)切除，高壓調(diào)速汽門關(guān)閉。負(fù)荷60 MW，檢查高、中壓缸第一級金屬溫度達(dá)320 ℃及以上，中壓調(diào)速汽門全開，進(jìn)行高中壓缸切換操作。點(diǎn)“切缸”按鈕后，高壓調(diào)速汽門逐漸開大，手動(dòng)控制高、低旁減壓閥開度。當(dāng)高壓排汽逆止門打開后高壓排汽通風(fēng)閥關(guān)閉，由中壓調(diào)速汽門進(jìn)汽切換為高、中壓調(diào)速汽門共同進(jìn)汽，負(fù)荷由高壓調(diào)速汽門控制，逐漸帶負(fù)荷至參數(shù)額定。

1.2 超超臨界機(jī)組中壓缸冷態(tài)啟動(dòng)存在問題及原因分析

高壓缸盤車預(yù)暖時(shí)間長、高壓缸加熱不均勻。8號、9 號機(jī)組采用高壓旁路減壓后蒸汽作為預(yù)暖汽源，高壓缸預(yù)暖必須等到鍋爐點(diǎn)火后、再熱冷段蒸汽參數(shù)滿足后才能進(jìn)行。從鍋爐點(diǎn)火到再熱蒸汽冷段滿足高壓缸預(yù)暖條件時(shí)間至少需要5 h；而高壓缸預(yù)暖的時(shí)間大約需要5～6 h。因此，高壓缸預(yù)暖結(jié)束后汽輪機(jī)再啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間必然延長5 h。主要原因是8 號、9 號機(jī)組高壓缸預(yù)暖汽源選擇不合理以及高壓缸預(yù)暖調(diào)節(jié)門采用手動(dòng)操作且啟動(dòng)初期主再熱蒸汽溫度難以控制等因素所致。

高中壓缸切換時(shí)汽輪機(jī)發(fā)生水沖擊。進(jìn)行高中壓缸切換時(shí)，如果高壓缸金屬溫度與主蒸汽溫度偏差大，會(huì)引起水沖擊，造成汽輪機(jī)振動(dòng)或設(shè)備損壞。2018 年11 月7 日9 號機(jī)組大修后啟動(dòng)，機(jī)組并網(wǎng)后切缸過程中高壓缸排汽管道發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，造成二抽管道一疏水管斷裂，機(jī)側(cè)冷段管道膨脹指示器變形，剛性吊架管卡背帽松脫；機(jī)側(cè)13.7 m 層冷段西側(cè)管道被撞扁，機(jī)組被迫停機(jī)消缺。經(jīng)分析，沖轉(zhuǎn)高壓缸正暖，高壓調(diào)速汽門操作由運(yùn)行人員手動(dòng)控制，高壓調(diào)速汽門開度不合理（僅開啟5%），高壓缸正暖不充分，造成高壓缸金屬溫度偏低；切缸時(shí)高壓調(diào)速汽門迅速開大，由于高壓缸金屬溫度遠(yuǎn)低于主蒸汽溫度，產(chǎn)生大量的疏水，從而引發(fā)水沖擊。

高中壓缸切換時(shí)高壓排汽逆止門頻繁開關(guān)、振動(dòng)大。高中壓缸切換時(shí)不能投入自動(dòng)，冷態(tài)啟動(dòng)切缸過程中高壓排汽逆止門處頻繁振動(dòng)且聲音異常。主要原因：切缸指令發(fā)出后，開高壓調(diào)速汽門、高壓排汽逆止門指令1 min執(zhí)行完畢。由于高、低旁減壓閥為手動(dòng)操作，受運(yùn)行操作水平的限制，很難匹配到位。指令執(zhí)行完畢后，高壓排汽逆止門仍處于關(guān)閉狀態(tài)，該過程稱之為“假切缸”。手動(dòng)操作易造成高壓排汽壓力與高壓旁路后壓差在正、負(fù)值之間波動(dòng)，高壓排汽逆止門頻繁開關(guān)、振動(dòng)增大，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成高壓排汽逆止門損壞。

高中壓缸切換時(shí)高壓排汽溫度超限甚至保護(hù)動(dòng)作。進(jìn)行高中壓缸切換時(shí)，如果操作不當(dāng)會(huì)造成高壓排汽溫度超限，嚴(yán)重時(shí)高壓排汽溫度高保護(hù)動(dòng)作、機(jī)組跳閘，曾有某660 MW 超臨界機(jī)組發(fā)生過上述事件［7］。這是由于高壓調(diào)速汽門開啟及高低旁減壓閥操作不匹配，高壓排汽逆止門打不開，高壓缸摩擦鼓風(fēng)損失增加，無法被蒸汽帶走，造成高壓排汽溫度超限。

高中壓缸切換時(shí)負(fù)荷大幅度波動(dòng)甚至逆功率保護(hù)動(dòng)作。進(jìn)行高中壓缸切換時(shí)，如果操作不當(dāng)會(huì)造成機(jī)組負(fù)荷將大幅度波動(dòng)，甚至導(dǎo)致機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作、機(jī)組跳閘，曾有某660 MW 超臨界機(jī)組發(fā)生過上述事件［8］。主要原因是切缸高壓排汽逆止門開啟后，高壓排汽通風(fēng)閥未及時(shí)關(guān)閉；高壓調(diào)速汽門開啟速度與高壓旁路減壓閥關(guān)閉速度不匹配造成的。

2 超超臨界機(jī)組中壓缸啟動(dòng)優(yōu)化方案及實(shí)施效果

2.1 高壓缸盤車預(yù)暖汽源改造及控制邏輯優(yōu)化

2.1.1 高壓缸盤車預(yù)暖汽源改造

8 號、9 號機(jī)組輔汽聯(lián)箱通過母管連接，輔汽聯(lián)箱汽源穩(wěn)定，其工作壓力為0.5～1.2 MPa，溫度為320～370 ℃，供汽壓力、溫度相對穩(wěn)定。增加一路輔汽聯(lián)箱預(yù)暖汽源：從輔汽聯(lián)箱備用接口引一路管道接至高壓缸預(yù)暖調(diào)節(jié)電動(dòng)門前管道并增加一個(gè)手動(dòng)、電動(dòng)隔離門、逆止門，在隔離門前后增加疏水手動(dòng)門、氣動(dòng)門；將原再熱蒸汽冷段至高壓缸倒暖電動(dòng)門增加一個(gè)手動(dòng)門、電動(dòng)門作為高壓缸預(yù)暖備用汽源；高壓排汽逆止門前、后增加疏水管道、閥門，改造方案如圖3所示（紅色為增加部分）。

圖3 660 MW超超臨界機(jī)組高壓缸預(yù)暖汽源改造

2.1.2 高壓缸盤車預(yù)暖邏輯優(yōu)化

在DCS 中修改組態(tài)，實(shí)現(xiàn)高壓缸盤車預(yù)暖自動(dòng)控制，保障預(yù)暖時(shí)高壓缸金屬溫度平穩(wěn)上升，各項(xiàng)參數(shù)在規(guī)程允許范圍。

設(shè)計(jì)預(yù)暖允許邏輯，并在畫面顯示是否允許進(jìn)行預(yù)暖。當(dāng)判斷高壓排汽逆止門處于關(guān)閉狀態(tài)，再熱器（高壓旁路后）壓力≥0.3 MPa，方可投入。

將倒暖電動(dòng)調(diào)節(jié)閥手動(dòng)手操器改為自動(dòng)控制手操器，并能設(shè)定高壓缸內(nèi)上壁第一級金屬溫升速率設(shè)定值。

在DCS 畫面點(diǎn)擊預(yù)暖按鈕后進(jìn)入預(yù)暖狀態(tài)，只有在預(yù)暖狀態(tài)才可操作暖管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

實(shí)時(shí)計(jì)算高壓內(nèi)缸第一級金屬溫升率、高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上下溫差、高壓內(nèi)缸外壁上下溫差、外缸內(nèi)壁上下溫差，并在畫面顯示；自動(dòng)控制高壓內(nèi)缸第一級金屬溫升率≤1 ℃，高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上下溫差、內(nèi)缸外壁上下溫差≤30 ℃，高壓外缸內(nèi)壁上下溫差≤40 ℃。

實(shí)時(shí)計(jì)算高壓排汽逆止門前、后壓差并在畫面顯示，自動(dòng)控制前、后壓差始終為負(fù)值，高壓排汽壓力應(yīng)始終＜0.7 MPa。

將高壓內(nèi)缸第一級金屬溫度預(yù)暖目標(biāo)值由150 ℃改為180 ℃，盤車預(yù)暖時(shí)當(dāng)目標(biāo)值達(dá)到，自動(dòng)關(guān)閉倒暖調(diào)節(jié)門。

2.2 沖轉(zhuǎn)中高壓缸正暖控制邏輯優(yōu)化

原規(guī)程規(guī)定沖轉(zhuǎn)中速暖機(jī)結(jié)束后高中壓缸金屬溫度應(yīng)≥320 ℃，由于在中速暖機(jī)結(jié)束前高、中壓缸進(jìn)汽流量偏低，該目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，且造成暖機(jī)時(shí)間延長。因此在DEH 中修改組態(tài)，實(shí)現(xiàn)中壓缸沖轉(zhuǎn)、高壓缸正暖自動(dòng)控制，以機(jī)組全速暖機(jī)結(jié)束后，高、中壓內(nèi)缸第一級金屬溫度≥320 ℃為控制目標(biāo)。

設(shè)置閉鎖保護(hù)邏輯，所有條件滿足后方可投入正暖，在DEH 畫面點(diǎn)擊“正暖”按鈕后進(jìn)入正暖自動(dòng)控制狀態(tài)，自動(dòng)控制高壓調(diào)速汽門開度。

大小修后或長時(shí)間停機(jī)備用冷態(tài)啟動(dòng)（高、中壓缸第一級金屬溫度＜150 ℃），沖轉(zhuǎn)時(shí)高、中壓缸溫差較大（高壓缸預(yù)暖后達(dá)到180 ℃），在沖轉(zhuǎn)至中速暖機(jī)結(jié)束前，應(yīng)自動(dòng)控制高、中壓調(diào)門開度（中調(diào)門開度大），保證中速暖機(jī)后高、中壓缸內(nèi)上壁金屬溫差＜20 ℃；中速暖機(jī)升速至全速暖機(jī)結(jié)束，自動(dòng)控制高、中壓高調(diào)門開度。

沖轉(zhuǎn)前高、中壓缸第一級金屬溫度在150～320 ℃之間，沖轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)自動(dòng)控制高、中壓調(diào)門開度，高、中壓調(diào)門開度相差不大。

沖轉(zhuǎn)過程中，實(shí)時(shí)計(jì)算高壓內(nèi)缸第一級金屬溫升率、高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上下溫差、高壓內(nèi)缸外壁上下溫差、高壓外缸內(nèi)壁上下壁溫差，并在DEH畫面顯示；自動(dòng)控制高、中壓缸第一級內(nèi)壁金屬溫升率≤1.5 ℃/min，高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上下溫差、內(nèi)缸外壁上下溫差≤30 ℃，高壓外缸內(nèi)壁上下溫差≤40 ℃。

2.3 并列帶負(fù)荷后高中壓缸控制邏輯優(yōu)化

切缸過程操作原則為迅速使全部高壓旁路蒸汽切換至高壓缸，同時(shí)避免高壓缸出現(xiàn)悶缸運(yùn)行，整個(gè)操作過程控制在2 min 內(nèi)［9］。在DEH、DCS 中修改組態(tài)，高中壓缸切換時(shí)高壓調(diào)速汽門、高低旁減壓閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并合理匹配，保證缸切換平穩(wěn)進(jìn)行。

點(diǎn)“切缸”按鈕后切換到閥位控制模式，自動(dòng)設(shè)置高調(diào)門閥位到預(yù)設(shè)值，自動(dòng)控制高調(diào)門開啟速率，保證各金屬溫升率、高壓排汽溫度不超限。此時(shí)高壓旁路減壓閥應(yīng)自動(dòng)關(guān)小穩(wěn)定主汽壓力。在進(jìn)行汽輪機(jī)進(jìn)汽方式切換過程中，自動(dòng)開大低旁減壓閥控制再熱蒸汽壓力，由沖轉(zhuǎn)時(shí)的1.1 MPa 降至0.5 MPa左右，保證高壓排汽逆止門的順利打開［10］。

當(dāng)總閥位指令達(dá)到預(yù)設(shè)值后，此時(shí)高壓排汽逆止門前壓力大于高壓旁路后壓力，判斷高壓排汽逆止門打開，聯(lián)動(dòng)關(guān)閉高壓排汽通風(fēng)閥，此時(shí)高壓排汽溫度應(yīng)下降。

切缸時(shí)從高調(diào)門開啟至高壓排汽逆止門打開，整個(gè)過程時(shí)間應(yīng)控制≤2 min。

升負(fù)荷過程中，高、低壓旁路減壓閥在自動(dòng)方式下逐漸關(guān)小，維持主、再熱蒸汽壓力穩(wěn)定，保證負(fù)荷穩(wěn)步上升。

負(fù)荷99 MW，低旁減壓閥自動(dòng)全關(guān)，繼續(xù)關(guān)閉高壓旁路減壓閥，在高壓旁路減壓閥全關(guān)后，切缸轉(zhuǎn)換升負(fù)荷結(jié)束。

2.4 機(jī)組優(yōu)化改造實(shí)施效果

2020 年10 月，對9 號機(jī)組高壓缸預(yù)暖汽源進(jìn)行了改造，對預(yù)暖邏輯、沖轉(zhuǎn)及正暖邏輯、切缸邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，冷態(tài)啟動(dòng)，預(yù)暖、正暖、切缸各環(huán)節(jié)均順利進(jìn)行，整個(gè)啟動(dòng)過程平穩(wěn)、順暢，未出現(xiàn)異常問題。

本次啟動(dòng)縮短鍋爐點(diǎn)火到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)間5 h，機(jī)組啟動(dòng)初期廠用電平均2.5 萬kW，共節(jié)約廠用電12.5萬kWh，節(jié)約成本5.25萬元。

正暖、切缸邏輯優(yōu)化后，縮短低負(fù)荷暖機(jī)2 h，節(jié)約標(biāo)煤400 t，標(biāo)煤單價(jià)800元/t，節(jié)約成本32萬元。

機(jī)組啟動(dòng)初期每小時(shí)節(jié)約除鹽水300 t，啟動(dòng)過程節(jié)約除鹽水1 500 t，除鹽水6 元/t，節(jié)約成本1.05萬元。

本次啟動(dòng)機(jī)組提前并網(wǎng)5 h，機(jī)組并網(wǎng)后負(fù)荷按照300 MW 計(jì)算，可以多發(fā)電150 萬kWh，按0.05元/kWh利潤計(jì)算，產(chǎn)生7.5萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

綜合計(jì)算，經(jīng)優(yōu)化改造后單次冷態(tài)啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益提高約45.8萬元。

3 結(jié)語

通過對660 MW 超超臨界汽輪機(jī)組中壓缸冷態(tài)啟動(dòng)過程中經(jīng)常可能出現(xiàn)的高壓缸盤車預(yù)暖時(shí)間長、高壓缸加熱不均勻、高中壓缸切換時(shí)汽輪機(jī)發(fā)生水沖擊、高中壓缸切換時(shí)高壓排汽逆止門頻繁開關(guān)、振動(dòng)大、高壓排汽溫度超限甚至保護(hù)動(dòng)作以及負(fù)荷大幅度波動(dòng)甚至逆功率保護(hù)動(dòng)作等影響機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性的異常問題進(jìn)行分析，提出針對性優(yōu)化改造方案并實(shí)施，問題得到圓滿解決，該方案在國內(nèi)同類型機(jī)組有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。