1 000 MW二次再熱機組汽輪機冷態啟動沖轉參數優化

徐 江，薛小宇

(國家能源集團泰州發電有限公司，江蘇泰州 225327)

超超臨界二次再熱機組的應用實現了高效節能，具有優越性，與一次再熱機組相比，汽輪機增加了一個再熱汽缸，由于二次再熱循環系統的復雜性，研究并確定更為合理的機組啟動參數是一個技術難點。在機組調試期間出現了汽輪機低速暖機時中壓調節閥振動大的問題，中壓調節閥振動大會出現油動機漏油并可能導致汽輪機軸承振動大等后果，嚴重影響機組啟動時的設備安全。筆者根據2臺超超臨界二次再熱機組現場實際運行情況，對機組冷態啟動過程中出現的低速暖機時中壓調節閥振動大和低速暖機時間長進行分析，對多次冷態啟動時的參數進行對比，以優化冷態啟動沖轉參數。

1 機組概況

2臺1 000 MW二次再熱超超臨界汽輪發電機組，選用某汽輪機廠引進的西門子汽輪機，型式為超超臨界、二次中間再熱、五缸四排汽、單背壓、反動凝汽式汽輪機，型號為N1000-31/600/610/610。機組采用高、中、低壓三級串聯旁路系統，容量為100%鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)高壓旁路，50%BMCR中壓旁路和65%BMCR低壓旁路。

1.1 機組啟動方式

汽輪機系統配置圖見圖1。該汽輪機系統有5個汽缸，即超高壓缸、高壓缸、中壓缸和2個低壓缸，配置2個超高壓主汽閥、2個超高壓調節閥、2個高壓主汽閥、2個高壓調節閥、2個中壓主汽閥、2個中壓調節閥。采用超高壓缸、高壓缸和中壓缸聯合啟動方式，超高壓缸、高壓缸和中壓缸的調節閥同時進汽，通過高、中、低壓三級旁路系統流通多余蒸汽，在數字電液(DEH)控制系統的自動控制下實現機組在3 000 r/min下穩定運行。主蒸汽為串聯流程，即主蒸汽由超高壓缸→一次再熱器→高壓缸→二次再熱器→中壓缸→低壓缸→凝汽器。

VHP—超高壓缸；HP—高壓缸；IP—中壓缸；LP—低壓缸；VHP ESV—超高壓主汽閥；VHP CV—超高壓調節閥；HP ESV—高壓主汽閥；HP CV—高壓調節閥；IP ESV—中壓主汽閥；IP CV—中壓調節閥；RH1—一次再熱器；RH2—二次再熱器

圖1 二次再熱汽輪機系統配置

汽輪機各調節閥開啟順序見圖2。

圖2 汽輪機調節閥開啟順序

汽輪機控制系統控制超高壓缸、高壓缸及中壓缸的進汽閥門，超高壓調節閥首先開啟，控制汽輪機沖轉，當蒸汽體積流量指令到a點(20%)時，高壓缸和中壓缸的調節閥同時開啟，調節汽輪機高、中壓缸的進汽量，使汽輪機沖轉及并網帶負荷。

1.2 X準則

汽輪機啟動過程中，啟動工質需要滿足一定的條件，用來判斷主汽閥、調節閥是否可以開啟，汽輪機是否可以升速到額定轉速以及是否可以并網，該條件在該汽輪機控制系統中被稱為X準則[1]，其中：X1、X2準則判斷打開超高壓主汽閥進行預暖該閥門腔室的時機；X4、X5、X6準則自動判斷汽輪機沖轉蒸汽溫度；X7準則判斷汽輪機轉子和汽缸低速暖機是否完成；X8準則判斷汽輪機高、中壓轉子和汽缸高速暖機是否完成可以進行并網操作[2]。

1.3 旁路運行模式

旁路運行模式按照機組從最初的啟動點火到沖轉并網、帶滿負荷，再到機組停運檢修的不同階段，分為A1、A2、A3、B、C、D、E這幾種模式，其中：A模式為機組啟動模式，A1模式為旁路全關模式，A2模式為旁路閥開度控制模式，A3為升壓模式，A3模式經歷汽輪機沖轉直至旁路全關；B模式為汽輪機正常運行模式，旁路在自動跟蹤方式，從A3模式到B模式的判斷邏輯為高壓旁路開度<5%；C模式為汽輪機跳閘或發電機跳閘模式，而鍋爐未進行主燃料跳閘(MFT)時，旁路進入壓力控制模式；D模式為鍋爐MFT后的旁路控制模式，目標壓力設定為14 MPa；E模式為機組停機檢修模式，MFT后可以根據實際情況設定高壓旁路壓力目標值。

2 沖轉參數優化

2.1 汽輪機沖轉過程

當主蒸汽、再熱蒸汽的壓力、溫度達到沖轉要求時，汽輪機超高壓調節閥先開啟，隨后高壓缸和中壓缸的調節閥開啟，汽輪機開始沖轉。冷態啟動曲線見圖3。啟動程序控制機組升速到低速暖機轉速870 r/min，并在暖機過程中滿足X7準則。當滿足X7準則后，升速到3 000 r/min時開始高速暖機，直到滿足X8準則后進行并網操作。

圖3 機組冷態啟動曲線

2.2 暖機出現的問題

汽輪機暖機轉速至870 r/min時，中壓調節閥開度較小、振動較大，有明顯的節流聲音。原因是機組在空負荷運行時，為了防止超高壓缸和高壓缸的排汽溫度過高而引起保護動作，DEH控制系統增加了超高壓缸和高壓缸的進汽量，減小了中、低壓缸的進汽量，中壓調節閥開度小導致振動大。同時由于進汽量較小，中壓缸溫升較慢，低速暖機效果差，難以滿足X7準則，直接影響汽輪機升速至3 000 r/min。

2.3 沖轉參數優化

機組冷態啟動優化前后的沖轉參數見表1。優化前：在低速暖機過程中，中壓缸內缸測點溫度從81.0 ℃升至250.0 ℃耗時262 min，溫升速率為0.645 K/min，中壓轉子溫度目標值為249.5 ℃；機組定速在3 000 r/min時，超高壓缸、高壓缸和中壓缸的調節閥開度分別為5.1%、6.6%、2.1%，中壓調節閥振動較大，此次啟動高速暖機時間為122 min。優化后：在低速暖機過程中，中壓缸內缸測點溫度從87.2 ℃升至251.5 ℃耗時147 min，溫升速率為1.12 K/min；機組定速3 000 r/min時，超高壓缸、高壓缸和中壓缸的調節閥開度分別為6.0%、8.3%、9.0%，中壓調節閥振動大情況基本消失，但機組轉速在870 r/min低速暖機時，中壓調節閥振動大情況依然存在，此次高速暖機時間為100 min。

表1 機組冷態啟動優化前后的沖轉參數

由表1可得：(1)降低冷態啟動蒸汽初參數和凝汽器真空度，可以增加沖轉的蒸汽流量，從而加速暖機[3]；(2)蒸汽流量增大后，在機組轉速穩定在3 000 r/min時，中壓調節閥開度明顯變大，振動大情況基本消失，但機組轉速在870 r/min低速暖機時中壓調節閥振動大的情況依然存在。

為了徹底解決該問題，繼續對冷態啟動沖轉參數進行優化，降低汽輪機沖轉蒸汽初參數：主蒸汽壓力為6.0 MPa、溫度為400～420 ℃，一次再熱蒸汽壓力為2.0～2.5 MPa、溫度為380～420 ℃，二次再熱蒸汽壓力為0.5 MPa、溫度為380～420 ℃。采用優化后的沖轉參數進行2次冷態啟動試驗，試驗沖轉參數見表2，調節閥開度見表3，中壓缸內缸測點溫度滿足X7準則所需時間對比見表4。

表2 優化后試驗的沖轉參數

表3 調節閥開度

表4 暖機時間對比

2.4 優化后運行注意事項

采用降低蒸汽參數的啟動方式較好地解決了汽輪機在低速暖機時中壓調節閥振動大的問題，也提高了低速暖機效率，對其他X準則的滿足未造成不良影響。該優化的缺點是機組并網后，要及時調整鍋爐燃燒工況，將蒸汽參數提高。該機組采用定-滑-定壓力控制方式，在300 MW及以下負荷主蒸汽壓力設定為10 MPa，可以設置偏置±2 MPa，在這種壓力設置曲線下，在汽輪機旁路進入B模式時主蒸汽壓力必須高于8 MPa，即在高壓旁路全關時，主蒸汽壓力必須高于8 MPa。若壓力低，為保證主蒸汽壓力高于8 MPa，汽輪機超高壓調節閥會不斷關小來調節主蒸汽壓力，極端情況下可能會出現超高壓調節閥全關導致逆功率保護動作跳機。因此，在機組并網后必須及時調整鍋爐燃燒工況，提高蒸汽參數，同時關注高壓旁路開度，避免出現在主蒸汽壓力低于8 MPa時高壓旁路全關的工況(高壓旁路開度低于5%時邏輯判斷高壓旁路為全關)。

3 結語

筆者對該二次再熱機組汽輪機進行優化冷態啟動汽輪機沖轉蒸汽初參數后，并進行相關試驗及分析，得到以下結論：

(1)低速暖機時汽輪機中壓調節閥開度明顯變大，中壓調節閥振動大情況得到顯著改善，提高了機組沖轉時的安全性。

(2)中低壓缸蒸汽流量增大，低速暖機時間由最初的262 min縮短至130 min左右，低速暖機效率明顯提高，高速暖機時間也縮短了30 min左右；汽輪機從沖轉到具備并網條件的時間由以前的384 min縮短到240 min以內，大幅縮短啟動時間，給機組啟動不確定因素預留了較長時間，保證了機組并網時間的準確性。