聯(lián)合循環(huán)機組凝汽器壓力對汽輪機冷態(tài)啟動暖機時間的影響

查文建

（浙能蕭山發(fā)電廠，杭州 311251）

聯(lián)合循環(huán)機組凝汽器壓力對汽輪機冷態(tài)啟動暖機時間的影響

查文建

（浙能蕭山發(fā)電廠，杭州 311251）

為提高機組啟動經(jīng)濟性，在保證暖機、沖轉(zhuǎn)、升負(fù)荷過程中各項參數(shù)符合要求的條件下，通過比較西門子SCC5-4000F型聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機不同的冷態(tài)啟動方式，同時結(jié)合西門子邏輯中定義的暖機時間計算公式，研究分析了凝汽器壓力對汽輪機冷態(tài)啟動暖機時間的影響，得出凝汽器壓力越高（但不能超過30 kPa），暖機時間越短的結(jié)論，并提出了在實際運行中應(yīng)注意的問題。

聯(lián)合循環(huán)機組；汽輪機；冷態(tài)啟動；暖機時間；凝汽器壓力

1 汽輪機暖機概況

西門子SCC5-4000F燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機組采用單軸布置方式，為了實現(xiàn)機組的快速啟動，在發(fā)電機與汽輪機之間布置了SSS（同步自換檔離合器），離合器的輸出端（燃?xì)廨啓C和發(fā)電機）能保持額定轉(zhuǎn)速運行，而離合器的輸入端（汽輪機）可以在盤車轉(zhuǎn)速下運行，實現(xiàn)汽輪機的沖轉(zhuǎn)、暖機、升速、離合器自動嚙合與發(fā)電機相連的過程。機組的DCS（分散控制系統(tǒng)）采用西門子SPPA-T3000系統(tǒng)。

機組啟動后，燃?xì)廨啓C與發(fā)電機先升速、并網(wǎng)，此時汽輪機處于盤車狀態(tài)，燃?xì)廨啓C逐漸帶負(fù)荷至汽輪機暖機負(fù)荷，汽輪機等待蒸汽滿足進汽條件。當(dāng)主蒸汽管路暖管已完成，蒸汽品質(zhì)合格后，運行人員點擊蒸汽品質(zhì)合格確認(rèn)按鈕，高、中壓調(diào)門開啟，汽輪機升速至900 r/min暖機。

在冷態(tài)啟動時，由于高、中壓汽缸處于較低溫度水平，首先高壓調(diào)門開啟對高壓缸進行暖缸，而中壓調(diào)門開度較小，接近關(guān)閉位置。當(dāng)高壓大軸中心溫度接近280℃，高壓缸暖缸完成，高壓調(diào)門略微關(guān)小，中壓調(diào)門開大，對中壓缸暖缸。通常調(diào)整真空手動破壞門開度，使凝汽器壓力維持在20 kPa左右，以增加汽輪機鼓風(fēng)摩擦熱量，提高中壓轉(zhuǎn)子溫度，加快暖機速度。當(dāng)汽輪機暖機標(biāo)準(zhǔn)符合后，點擊汽輪機額定轉(zhuǎn)速釋放按鈕，汽輪機升速至額定轉(zhuǎn)速，機組逐漸加載帶負(fù)荷。暖機階段，由于燃?xì)廨啓C處于單循環(huán)運行，氣耗率（標(biāo)況值）約0.415 m3/kWh，遠(yuǎn)高于機組聯(lián)合循環(huán)高負(fù)荷運行時0.195 m3/kWh的平均氣耗率，經(jīng)濟性較差。因此，在保證各項啟動參數(shù)符合要求的前提下，盡量縮短暖機時間將會直接提高機組啟動經(jīng)濟性。

2 汽輪機暖機的重要意義

汽輪機的啟動有冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)3種方式。機組啟動之前，當(dāng)中壓大軸計算溫度＜100℃時為冷態(tài)啟動。在冷態(tài)啟動中，汽缸、大軸金屬初始溫度較低。暖機結(jié)束后，汽輪機的加載過程較快，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min，SSS離合器嚙合后約5 min，汽輪機可以帶至56 MW負(fù)荷。同時，高壓調(diào)門開度由8.8%增至18.1%，中調(diào)門開度由7%增至29%。短時間內(nèi)大量高溫、高壓蒸汽進入汽輪機，為防止汽輪機各金屬部件產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，以下13個條件全部滿足才可認(rèn)為暖機完成：

（1）汽輪機暖機時間符合要求；

（2）中壓轉(zhuǎn)子溫度大于200℃或汽輪機SGC（子組控制步程序）第23步等待50 min；

（3）汽輪機冷態(tài)啟動保護沒有激活；

（4）低壓主汽管道暖管疏水完成；

（5）高、中、低壓調(diào)門閥位限制器輸出在105%；

（6）高壓主汽溫度小于高壓大軸的最高溫度、高壓主汽溫度小于高壓缸最高溫度、再熱汽溫度小于中壓大軸最高溫度、高壓主汽溫度過熱度大于30℃、再熱汽溫度過熱度大于30℃；

（7）高壓缸及高、中壓轉(zhuǎn)子溫度裕度最小值大于30℃；

1）封堵治理工程主要針對含煤地層的碳酸鹽巖類裂隙巖溶地下水井，主要是酸性的礦坑水對原水井的封堵材料和井壁管造成損壞而形成的污染，而對于由于含水地層原生污染物（如石膏）和地層構(gòu)造形成的污水通道無意義。

（8）SSS離合器燃?xì)廨啓C與汽輪機相對振動值小于240 μm；

（9）凝汽器壓力小于13 kPa；

（10）高壓主汽流量大于15%額定流量；

（11）高壓缸進口蒸汽過熱度大于0℃；

（12）高壓內(nèi)缸50%的溫度測點左右側(cè)溫差符合要求；

（13）高壓內(nèi)缸50%的上部、下部測點及高壓內(nèi)缸100%的測點溫度均大于高壓葉片前主蒸汽飽和溫度10℃以上。

暖機過程可以使汽輪機各部位金屬得到充分的預(yù)熱，減小汽缸法蘭內(nèi)外壁、法蘭與螺栓之間的溫度差，減小轉(zhuǎn)子表面與中心的溫度差，從而減小金屬內(nèi)部應(yīng)力，使汽缸、法蘭和轉(zhuǎn)子均勻膨脹，且脹差值在安全范圍內(nèi)變化，避免汽輪機在啟動過程中內(nèi)部產(chǎn)生動靜摩擦。同時提早滿足帶負(fù)荷的要求，縮短升至額定負(fù)荷時所需要的時間，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

3 暖機時間的理論計算及影響因素

汽輪機在冷態(tài)啟動暖機時有1個720 min倒計時至0的條件。在DCS邏輯中，暖機時間計算最核心的部分是積分器的運算。對于連續(xù)性系統(tǒng)，積分器輸出為720-∫k·xdt，暖機時間T為：

k·x為積分器輸入，積分時間以分鐘為時間單位，當(dāng)凝汽器2個壓力測點任一大于10 kPa時，積分器激活，積分器720-∫k·xdt輸出減小。當(dāng)蒸汽品質(zhì)確認(rèn)后，滿足中壓缸進汽絕對壓力＞1.5倍的凝汽器絕對壓力，且汽輪機轉(zhuǎn)速＞600 r/min條件時，k=2，否則k=1。x值與凝汽器壓力有關(guān)，對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。當(dāng)凝汽器壓力小于30 kPa時，x值隨凝汽器壓力增加而增大，當(dāng)凝汽器壓力大于30 kPa時，x值恒定為2。

圖1 不同凝汽器壓力對應(yīng)不同的積分輸入x=f（p）

當(dāng)中壓旁路（簡稱中旁）前壓力＞1.5 MPa且中旁開度＞45%且再熱蒸汽流量＞53 t/h時，將凝汽器壓力p分為3個區(qū)間，分別結(jié)合式（1）討論以下3種情況：

（1）當(dāng)p＜8.45 kPa時，積分器不激活，積分器720-∫k·xdt輸出不變。k·x小于1，Max（k·x，1）等于1，暖機時間維持720 min不變。

（2）當(dāng)8.45 kPa＜p＜10 kPa時，積分器不激活，積分器720-∫k·xdt輸出不變。若蒸汽品質(zhì)確認(rèn)后，滿足中壓缸進汽絕對壓力>1.5倍的凝汽器絕對壓力且汽輪機轉(zhuǎn)速>600 r/min的條件，k·x＞1，Max（k·x，1）大于1，計算暖機時間開始減少。

（3）若p>10 kPa，積分器激活，積分器720-∫k·xdt輸出減小，Max（k·x，1）大于1，計算暖機時間減少。

在暖機過程中若出現(xiàn)凝汽器壓力波動，暖機時間也會發(fā)生相應(yīng)變化，暖機時間甚至可能增加。而暖機時間此時增加的主要原因是分母Max（k·x，1）中的k·x因凝汽器壓力的降低而減小。

暖機階段，當(dāng)凝汽器壓力為20 kPa時，k=2，對應(yīng)x=1.7，則積分輸出也可以表示為720-∫3.4dt，暖機時間輸出為（720-∫3.4dt）/3.4。若凝汽器壓力階躍上升至20 kPa，并且維持在20 kPa不出現(xiàn)波動，暖機時間為212 min。假設(shè)凝汽器壓力小于且無限接近30 kPa，k=2，對應(yīng)x=2，暖機時間輸出為（720-∫3.4dt）/4，暖機理論時間為180 min。

4 兩種典型運行方式的分析對比

以下選取2次典型的冷態(tài)啟動實例進行對比，以此來進一步分析凝汽器壓力對暖機時間的影響。第一種啟動方式是蒸汽品質(zhì)確認(rèn)時對應(yīng)的凝汽器壓力小于8.45 kPa，相關(guān)主要參數(shù)的變化曲線如圖2所示；第二種啟動方式是蒸汽品質(zhì)確認(rèn)時對應(yīng)的凝汽器壓力大于10 kPa，相關(guān)主要參數(shù)的變化曲線如圖3所示。

圖2 啟動方式一（暖機時間為4 h 15 min）

（1）啟動方式一在暖機之前，高壓大軸中心溫度77.3℃，中壓大軸中心溫度44.5℃，啟動方式二在暖機之前，高壓大軸中心溫度75.9℃，中壓大軸中心溫度為48.9℃。兩種方式高中壓大軸中心溫度相差不大。暖機結(jié)束后，啟動方式一高壓大軸中心溫度334.7℃，中壓大軸中心溫度為195.5℃；啟動方式二高壓大軸中心溫度327.2℃，中壓大軸中心溫度為160.9℃。采用啟動方式二暖機結(jié)束，雖然高中壓大軸中心溫度比啟動方式一低，但仍然滿足沖轉(zhuǎn)要求。

（2）啟動方式二比啟動方式一縮短暖機時間38 min。其主要原因為：在蒸汽品質(zhì)確認(rèn)之前，啟動方式二的凝汽器壓力已大于10 kPa，積分器不處于跟蹤狀態(tài)，暖機時間已經(jīng)開始減少，在蒸汽品質(zhì)確認(rèn)時，暖機時間已降至664 min。而啟動方式一是在蒸汽品質(zhì)確認(rèn)之后，凝汽器壓力升至8.45 kPa以上，暖機時間才由720 min開始減少。啟動方式二暖機結(jié)束后高中壓大軸的溫度水平比啟動方式一低，對減少整個暖機時間的影響可忽略不計。

（3）在DCS邏輯中，汽輪機SGC第23步等待50 min與中壓大軸溫度200℃為“或”門關(guān)系，并未對高壓缸缸溫及高、中壓大軸溫度有明確要求，因此在暖機時間至0、調(diào)整凝汽器壓力小于13 kPa、暖機要求滿足后，運行人員可以點擊轉(zhuǎn)速釋放按鈕，使汽輪機升速至3 000 r/min。

（4）從圖2、圖3的啟動曲線中還可以直觀地看出凝汽器壓力的波動對暖機時間的影響。在第二種啟動方式中，由于存在相對較大的壓力波動而導(dǎo)致時間曲線的波動，這就要求在調(diào)節(jié)凝汽器壓力的過程中盡量平穩(wěn)，避免出現(xiàn)大幅波動，以節(jié)省整個暖機時間。

由此，得出如下縮短暖機時間的結(jié)論：在機組冷態(tài)啟動時，當(dāng)中壓旁路前壓力>1.5 MPa且中壓旁路開度>45%且再熱蒸汽流量>53 t/h時，立即調(diào)整真空手動破壞門開度，使凝汽器壓力>10 kPa，當(dāng)蒸汽品質(zhì)確認(rèn)后，進一步調(diào)節(jié)凝汽器壓力至20 kPa甚至更高一點。

圖3 啟動方式二（暖機時間為3 h 37 min）

5 實際運行中應(yīng)注意的問題

（1）理論計算表明，凝汽器壓力在30 kPa之內(nèi)，壓力越高，暖機時間越短。但是，當(dāng)凝汽器壓力超過30 kPa，汽輪機保護跳閘。因此暖機時，凝汽器壓力應(yīng)控制在30 kPa之內(nèi)，并且保持適當(dāng)?shù)脑６取?/p>

（2）凝汽器壓力過高，可能使汽輪機本體疏水不暢，導(dǎo)致汽輪機上下缸溫差加大。

（3）暖機過程中，凝汽器壓力越高，凝結(jié)水溫度越高，可以達(dá)到更好的除氧效果。但是，凝結(jié)水溫度的升高對凝結(jié)水泵（簡稱凝泵）密封產(chǎn)生負(fù)面效果，凝泵進口可能汽化，造成凝泵汽蝕，損壞設(shè)備。

（4）暖機處于汽輪機速度控制階段，凝汽器壓力升高，在維持暖機轉(zhuǎn)速的前提下，必然使調(diào)門開大，進汽量增加，從而產(chǎn)生較大的熱沖擊。

（5）暖機過程中，若凝汽器壓力為22 kPa，則在暖機結(jié)束后熱井水溫能達(dá)到65℃。此時由于暖機時間完成，汽輪機冷態(tài)啟動不激活，真空SGC立即啟動備用真空泵抽真空（凝汽器壓力大于12 kPa），直至凝汽器壓力小于6 kPa，停運備用真空泵。此過程中由于啟動2臺真空泵抽真空，導(dǎo)致凝汽器壓力下降較快，而熱井凝結(jié)水溫度下降較慢，熱井凝結(jié)水大量汽化，熱井水位大幅下降，存在凝泵跳閘的風(fēng)險。之后熱井大量補水，隨著凝汽器壓力和水溫的下降，出現(xiàn)虛假水位，熱井水位大幅上升，可能聯(lián)啟備用凝泵，存在汽輪機及中、低壓旁路跳閘的風(fēng)險。因此建議，在暖機時間完成、恢復(fù)真空的過程中，可將真空泵手動切至調(diào)試模式停運，以適當(dāng)減緩恢復(fù)真空的速度，同時對熱井水位應(yīng)有一個準(zhǔn)確的預(yù)判并提前控制，減小熱井水位波動幅度，保證機組的安全運行。

[1]張茂義.漏入空氣對凝汽器運行特性影響的研究[J].華東電力，2001（8）∶22-26.

[2]張衛(wèi)會，李勇.真空系統(tǒng)嚴(yán)密性試驗對凝汽器冷卻管受力的影響分析[J].汽輪機技術(shù)，2000，42（6）∶353-355.

[3]李勇，曹祖慶.凝汽器清潔率的概念及測試方法[J].汽輪機技術(shù)，1995，37（2）∶73-76.

（本文編輯：陸 瑩）

Influence of Combined Cycle Units Condenser Pressure on Warming-up Time of Turbine Cold-state Startup

ZHA Wenjian
（Zhejiang Energy Xiaoshan Power Plant，Hangzhou 311251，China）

In order to improve startup economy of units with all parameters in warming-up，rotation impulsing and load step-up permitted，the paper analyzes impact of condenser pressure on warming-up time of cold-state startup of steam turbine by comparing different cold-sate steam turbine startup modes of SCC5-4000F combined cycle units and combining formula for warming-up time calculation defined in Siemens logic.The paper draws a conclusion that condenser pressure is inversely proportional to warming-up time（not higher than 30 kPa）；moreover，it gives precautions in real operation.

combined cycle units；turbine；cold-state startup；warming-up time；condenser pressure

TK267

B

1007-1881（2015）05-0049-04

2014-11-17

查文建（1974），男，助理工程師，從事燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組集控運行工作。