聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動分析及優(yōu)化探討

王艷青　盛會霞

摘 要：本文以西門子9F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為例，對聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動過程進行分析。通過對主機設備特性和冷態(tài)啟動過程中各主要參數(shù)變化的分析，找出影響機組啟動過程延長的主要因素，并提出優(yōu)化方案，以縮短機組冷態(tài)啟動時間，提高機組冷態(tài)啟動過程的安全性和經(jīng)濟性。

關鍵詞：聯(lián)合循環(huán)；汽輪機；冷態(tài)啟動；優(yōu)化

中圖分類號：TM611.31 文獻標識碼：A 文章編號：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

燃氣電廠與常規(guī)燃煤電廠相比，具有啟動快、負荷適應性強的特點，其啟動時間相比于常見火電要快得多，可以做到早起晚停，滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求。西門子9F級聯(lián)合循環(huán)機組熱態(tài)和溫態(tài)啟動時間一般為1～1.5h，但冷態(tài)啟動時間一般在7h左右。某燃氣電廠安裝兩套西門子引進的GUD1S.94.3A燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，設計的年機組冷態(tài)啟動5次/臺。但隨著本區(qū)域裝機容量的快速增多，機組冷態(tài)啟動的次數(shù)明顯增多，冷態(tài)啟動過程的優(yōu)化也顯得更加重要。

1 機組冷態(tài)啟動概述

西門子GUD1S.94.3A燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，單軸布置，其汽輪機采用三壓再熱雙缸凝汽式汽輪機。機組啟動狀態(tài)分類以汽輪機中壓缸計算軸溫為準，當該溫度在100℃以下的機組啟動即為冷態(tài)啟動，溫度在200℃以上的啟動即為熱態(tài)啟動，之間溫度區(qū)域為溫態(tài)啟動。冷態(tài)啟動時間一般比熱態(tài)啟動要長很多，且會受到多種因素的影響。

因燃機材質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)特點，其動、靜葉片多為中空結(jié)構(gòu)，對溫度的適應性非?？欤瑱C組并網(wǎng)后，若不考慮鍋爐和汽輪機因素，燃機單循環(huán)時可以最快13MW/min的升負荷率加負荷。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上述范圍，機組計算的升負荷率就會減至零，限制機組增加負荷，并需要等待更長時間。因此，余熱鍋爐溫度和壓力的變化會影響機組加負荷的時間。

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

機組冷態(tài)啟動過程在汽輪機未并入系統(tǒng)之前為燃機單循環(huán)運行狀態(tài)，所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過旁路進入凝汽器，機組輸出的負荷只有在相同氣耗下聯(lián)合循環(huán)負荷的60%，其氣耗率和廠用電率都很高。

按照聯(lián)合循環(huán)機組運行特性，其冷態(tài)啟動整個過程可以劃分為三個階段：①機組啟動前準備階段；②燃機啟動點火、并網(wǎng)至單循環(huán)運行，余熱鍋爐汽水系統(tǒng)升溫升壓階段；③汽輪機開始進汽、中速暖機和汽輪機額定轉(zhuǎn)速接帶負荷繼續(xù)升至額定溫度階段。

2 聯(lián)合循環(huán)機組一般冷態(tài)啟動過程

2.1 機組啟動前準備階段。

輔助系統(tǒng)投入啟動前狀態(tài)或正常運行狀態(tài)，為機組啟動準備，包括以下系統(tǒng)。①潤滑油、密封油、定冷水和控制油系統(tǒng)投入正常運行；燃機、汽輪機盤車系統(tǒng)，盤車投入時間不低于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；天然氣供應系統(tǒng)和輔助蒸汽系統(tǒng)正常投入運行；軸封及真空系統(tǒng)、給水泵系統(tǒng)、旁路除氧系統(tǒng)、開式水及循環(huán)水系統(tǒng)等各輔助系統(tǒng)投入。

各輔助系統(tǒng)投入正常運行，并確認發(fā)變組、勵磁及拖動等電氣系統(tǒng)正常備用。各設備和系統(tǒng)狀態(tài)信號反饋正常，機組即具備啟動條件。

2.2 燃機啟動點火、并網(wǎng)至單循環(huán)運行階段

2.2.1 機組程序啟動及鍋爐吹掃，燃機點火升至滿速。經(jīng)由系統(tǒng)啟動程序（CJA）將燃機啟動后，燃機程序啟動開始，燃機拖動裝置SFC帶動轉(zhuǎn)子升速進行鍋爐清吹約8min，之后燃機轉(zhuǎn)子惰走至300r/min左右燃機點火。

燃機點火成功后，由機組啟動拖動裝置SFC繼續(xù)帶動燃機轉(zhuǎn)子升速至2 250r/min左右自持轉(zhuǎn)速后退出，燃機繼續(xù)升速至滿速。燃燒切換至正常模式后就可以進行發(fā)電機并網(wǎng)。余熱鍋爐受熱面溫度隨燃機排氣溫度的升高而逐漸升高。

2.2.2 發(fā)電機并網(wǎng)，燃機單循環(huán)帶低負荷運行。機組滿足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)接帶負荷，燃機單循環(huán)帶負荷運行。在增加燃機負荷的同時，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)都滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)要求。此過程中，蒸汽壓力和溫度上升率需要滿足升速率限值要求，并會影響燃機升負荷率[2]。

2.3 汽輪機中速暖機和接帶負荷升至額定溫度階段

隨著余熱鍋爐蒸汽參數(shù)升高，在過熱蒸汽參數(shù)包括溫度、壓力及蒸汽品質(zhì)達到汽輪機沖轉(zhuǎn)要求后，就可以釋放蒸汽品質(zhì)。過熱蒸汽開始進入汽輪機，汽輪機轉(zhuǎn)子升速至870r/min后正式進入中速暖機。過熱蒸汽流入汽輪機加熱葉片和缸體，缸體和葉片溫度逐漸升高。汽輪機中速暖機的時間由控制器根據(jù)高中壓進汽參數(shù)和凝汽器真空（背壓）等數(shù)據(jù)計算得出。

當中速暖機的計算時間遞減降至零后，即汽輪機暖機完成，汽輪機轉(zhuǎn)子升速至滿速，經(jīng)3S離合器與發(fā)電機并列，汽輪機正常接帶負荷，進一步增加機組的輸出負荷。爐側(cè)高壓主蒸汽和再熱蒸汽的溫度設定點逐漸升至額度溫度，汽輪機的缸溫、軸溫也隨之逐漸升高至額度值。

3 機組冷態(tài)啟動過程分析及優(yōu)化

3.1 機組啟動前準備階段分析及優(yōu)化

3.1.1 機組啟動前準備階段分析。機組啟動前準備階段所用的時間并不算作機組啟動時間，各系統(tǒng)設備要充分準備，避免因設備異常引起的機組啟動中止或延遲，保證機組順利啟動。

3.1.2 啟動前準備階段優(yōu)化方案。①機組啟動前準備階段，首先應保證各個主要設備或閥門狀態(tài)信號正常，各手動閥門恢復至啟動前要求位置。②輔助系統(tǒng)投運，對設備狀態(tài)信號進行核查，且需確認設備保護連鎖投入正常。若是機組停運時間較長（超過兩周），再次啟動前，應該對輔機設備進行短期試運行檢查及保護連鎖試驗，尤其是密封油、潤滑油和液壓油系統(tǒng)，確保設備可用且連鎖保護可靠。

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

3.2.1 機組啟動初期燃機排氣溫度變化和鍋爐升溫升壓分析。燃機轉(zhuǎn)子從點火轉(zhuǎn)速300r/min升至滿速需約5min，其后燃機由擴散燃燒向預混燃燒方式切換。受燃機燃燒方式和燃燒特性影響，燃機點火初期燃機排氣溫度會快速升高至450℃左右，其后降低穩(wěn)定在280℃（OTC，即經(jīng)修正的燃機排氣溫度），但時間短且燃機排氣流量低，再經(jīng)過燃機排氣擴壓段的混合，爐側(cè)煙氣的溫度是均勻上升的，對余熱鍋爐側(cè)溫度及受熱面幾乎沒有影響。

燃機點火后運行約10min，鍋爐高壓系統(tǒng)開始升溫升壓。若是燃機滿速后直接并網(wǎng)，燃機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，溫度和壓力會迅速升高，由最低溫度快速升至250℃以上（8min左右時間內(nèi)）。隨著高壓旁路的開啟，再熱系統(tǒng)開始升溫升壓，因進入蒸汽前再熱器幾乎處于干燒狀態(tài)，其溫度較高，進入旁路蒸汽后其溫度會迅速升高至250℃以上（6min左右時間內(nèi)）才會趨緩，壓力也達到1.5MPa左右。再熱蒸汽升溫升壓太快，壓差大，蒸汽迅速流動至中壓旁路前，管道疏水不暢時中壓旁路開啟，極易導致水沖擊。

等待爐側(cè)高壓蒸汽溫度升至350℃、壓力為3MPa左右，燃機允許繼續(xù)增加負荷，并保證蒸汽的升溫升壓率在許可范圍，否則，程序會停止增加機組負荷，等待直到升溫升壓率降至要求范圍以下才會繼續(xù)增加負荷。燃機點火后，各管道及過熱器疏水開啟，直至過熱度升至30K后疏水閥自動關閉，直至高壓和再熱蒸汽參數(shù)和蒸汽品質(zhì)滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)要求。

3.2.2 燃機啟動點火后鍋爐升溫升壓階段優(yōu)化。機組冷態(tài)啟動初期，蒸汽升溫升壓速率較快，需要緩慢增加機組負荷，確保升壓率為0.2MPa/min，否則程序會停止增加機組負荷，太快的升溫升壓率會對金屬造成傷害——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，在燃機滿速運行約15min后再并網(wǎng)，蒸汽溫度溫升率會相對趨緩，蒸汽升溫過程溫升速率可以滿足35K/min要求。

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

通過延長疏水時間和開啟凝結(jié)水母管放水，可以避免疏水不暢可能導致的管道水沖擊，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)滿足條件時即已合格，可以減少機組單循環(huán)時間1h左右，極大地加快啟動速度，盡早進入汽輪機中速暖機。

3.3 汽輪機開始中速暖機和升至額定溫度階段分析及優(yōu)化

3.3.1 汽輪機暖機過程分析。汽輪機進入中速暖機后，中速暖機的時間因汽輪機進汽參數(shù)和凝汽器真空（背壓）的不同會有較大差異。自汽輪機轉(zhuǎn)子升速至870r/min開始，計算的暖機時間一般為200r/min至360r/min不等，依實際分鐘遞減，直至倒計時至零，暖機完成。進汽初期，高壓軸溫因高溫汽體進入直接加熱而快速上升，約1h升至250℃，之后溫升趨緩，直至暖機結(jié)束升至300℃左右，缸溫約1h內(nèi)升至200℃，后溫升相對稍緩，至暖機結(jié)束升至280℃左右。中壓缸因進汽量小，溫升較緩慢。暖機過程要密切監(jiān)視各參數(shù)變化，參數(shù)異常時要及時停止暖機過程。

汽輪機中速暖機開始后，汽水品質(zhì)會因為汽輪機內(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。

汽輪機滿速并列后，爐側(cè)高壓主蒸汽和熱再蒸汽的溫度設定點由390℃逐漸升至額度溫度560℃左右。汽輪機的缸溫也隨著進汽溫度的升高而逐漸升高至額度溫度。汽輪機進汽量緩慢增加，聯(lián)合循環(huán)總負荷也逐漸增加，汽輪機各缸體和轉(zhuǎn)子溫度在汽輪機帶負荷運行約4h后達到額定值。此時，若機組帶至滿負荷，其效率也將得到最大值。

3.3.2 汽輪機暖機過程優(yōu)化。汽輪機中速暖機時間激活后，就可以通過設置的真空旁路閥調(diào)節(jié)凝汽器真空（背壓），使汽輪機透平內(nèi)蒸汽流動略微減緩，以縮短汽輪機的計算暖機時間，調(diào)整真空后，暖機的計算時間會由初期的360min快速下降至180min左右，此后依實際分鐘遞減，倒計時至零，暖機完成。一般控制凝汽器絕對真空值（背壓）在20～25kPa，但不應超過25kPa，避免真空波動達到真空保護值而觸發(fā)跳閘。

汽輪機中速暖機開始后，應保持凝結(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)滿足汽輪機正常運行要求。

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

中速暖機調(diào)整真空并保持汽水系統(tǒng)適當排污換水，統(tǒng)計顯示優(yōu)化后的中速暖機時間都在200min以內(nèi)，相當于節(jié)約暖機時間將近3min，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)語

通過對機組啟動前及啟動過程進行階段分析，可以在保證機組運行安全的前提下通過適當調(diào)整控制，將冷態(tài)啟動時間壓縮至4.5h左右，比優(yōu)化前降低3～4h，在保證主機設備安全性的同時，提高冷態(tài)啟動過程的經(jīng)濟性。優(yōu)化后的典型啟動過程參數(shù)曲線可作為日常冷態(tài)啟動的參考。

參考文獻：

[1]張衡.300MW亞臨界機組無外來輔助蒸汽冷態(tài)啟動探索[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（4）：136.

[2]劉萬琨.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.