M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環機組溫態啟動過程優化

摘要：以三菱M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環機組為研究對象，通過對機組溫態啟動部分參數進行優化，實現縮短溫態啟動時間、提高溫態啟動經濟性的目的，對同類型聯合循環發電機組有一定借鑒意義。

關鍵詞：M701F4，溫態啟動，暖機負荷，優化

Optimization?of Warm Mode Start-Up Process of M701F4

Gas-Steam Combined Cycle Unit

LIU Zhongjie

（Zhejiang Datang International Shaoxing Jiangbin thermal power generation co.，ltd， Zhejiang Shaoxing， 312366）

Abstract：?MITSUBISHI M701F4 gas-steam combined cycle unit is taken as the research object. By optimizing some?factors?of?the?warm mode start-up， the purpose of shortening the start-up time and improving the economy of the start-up?process?can be achieved， which has certain reference significance for the same type?gas-steam combined cycle units.

Key words：M701F4，warm mode start-up，warm up load，optimization

0 引言

燃氣-蒸汽聯合循環機組具有啟動快速、熱效率高、環境污染小等突出優點，近幾年在我國得到了快速發展。同時由于燃氣發電價格成本高、電網峰谷差值大等因素，在國內大部分地區尤其是南方地區如廣東、浙江的燃氣機組多采取兩班制運行的方式，啟停頻繁。對于M701F4聯合循環機組而言，汽輪機高壓缸入口金屬溫度在230-395℃之間時為溫態，一般在停機時間為30-144小時（即停機1天到6天）之間。溫態啟動的停機時間區間長導致溫態啟動次數較多，以某電廠為例其兩臺M701F4型機組2016年溫態啟動次數達46次之多，對溫態啟動的啟動過程進行優化十分必要。

1 溫態啟動暖機負荷問題的提出

對于M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環機組，汽輪機進汽的條件包括高中壓蒸汽壓力（高壓蒸汽壓力大于4.7MPa，中壓進汽壓力大于1.0MPa）、高中壓蒸汽過熱度（均大于56℃）、高壓主蒸汽溫度和高壓缸入口金屬溫度匹配（經過高壓主蒸汽壓力修正后的溫度差值在-56℃和110℃之間）、中壓主蒸汽溫度和中壓缸葉片持環溫度金屬溫度匹配（經過中壓主蒸汽修正后的溫度差值大于-56℃）共四個條件。對于溫態啟動來說，最后滿足的條件為高中壓蒸汽溫度和金屬溫度的匹配度，在缸體溫度確定的條件下意味著高中壓蒸汽溫度需要提高到一定數值。

汽輪機高壓缸入口金屬溫度在230-395℃之間時認為機組處于溫態。溫態暖機負荷邏輯統一設定為72MW，即暖機負荷不考慮環境溫度和汽輪機缸體金屬溫度，在大氣溫度低、汽輪機缸體金屬溫度高的情況下會出現暖機時間長，經濟性差的問題。

以某次溫態啟動（溫態啟動例一）為例，當時環境溫度1.88℃，機組停運34小時，在72MW下的暖機負荷下，暖機時間為60分鐘，較額定暖機時間（35分鐘）長25分鐘，機組長時間停留在暖機負荷下嚴重影響了機組啟動的經濟性。相關數據如下：

汽輪機剛剛從熱態進入溫態時，汽輪機缸體金屬溫度仍然很高，要求與其匹配的高中壓蒸汽進汽溫度也很高。上例中較低的環境溫度下（1.88℃）燃機排煙溫度為373.8℃，而最后滿足進汽條件的高、中壓主蒸汽溫度分別為370.5℃、349.9℃，排煙溫度和高中壓主蒸汽溫度接近導致蒸汽溫度上升緩慢，暖機時間長。在環境溫度更低、汽輪機缸體溫度更高的情況下，暖機時間會進一步增加，某次溫態啟動（環境溫度-0.2℃、高壓缸入口金屬溫度386℃）的暖機時間為73分鐘。

2 溫態啟動暖機負荷的初步優化

經過和制造廠家溝通，溫態啟動暖機負荷從72MW提高到80MW，負荷優化后機組機組溫態啟動（溫態啟動例二）相關數據和溫態啟動例一比較如下：

暖機負荷優化后的這次啟動（溫態啟動例二），環境溫度較修改前提高了3.36℃，由于暖機負荷從72MW提高到80MW，燃機排煙溫度提高12.5℃（從373.8℃提高到386.3℃）。這次啟動停機時間較原來更短，缸體金屬溫度更高（修改前停機34小時，修改后停機29小時;修改前高壓缸入口金屬溫度為382.7℃，中壓透平葉片持環溫度為376.8℃，修改后高壓缸入口金屬溫度為393.7℃，中壓透平葉片持環溫度為388.22℃），暖機時間縮短11分鐘，暖機負荷修改后效果十分明顯。但本次啟動暖機時間較之溫態啟動額定暖機時間（35分鐘）仍然多出13分鐘，需要進一步進行優化。

3 溫態啟動暖機負荷的再次優化

由于在機組停運時間短、汽輪機缸體溫度高的情況下80MW的暖機負荷仍然偏低，兼顧整個溫態范圍內的缸體溫度，設定溫態啟動暖機負荷和高壓缸入口金屬溫度曲線，并根據暖機負荷的不同對高中壓調閥速率、汽輪機進汽期間的升負荷率進行了修改：

3.1溫態啟動暖機負荷的優化

依據不同汽輪機高壓缸入口金屬溫度來設定不同的暖機負荷，制定溫態啟動暖機負荷曲線如下：

溫態啟動暖機負荷繼續優化后機組溫態啟動（溫態啟動例三）相關數據和溫態啟動例一比較如下：

暖機負荷優化后的這次啟動（溫態啟動例三），環境溫度較修改前下降了4.77℃，由于暖機負荷從72MW提高到111MW，燃機排煙溫度提高55.3℃。在高壓缸入口金屬溫度和中壓透平持環溫度基本一致的情況下，暖機時間縮短26分鐘，較80MW負荷下暖機時間縮短14分鐘，低于額定暖機時間（35分鐘）。

3.2溫態啟動暖機負荷優化后的機組升負荷率調整

按照M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環機組初始設計，汽輪機進汽期間的機組升負荷率為3MW/min，即從汽輪機進汽時負荷72MW到機組啟動完成（機組負荷225MW）需用時51分鐘。本次對進汽期間的機組升負荷率同步進行了修訂，機組升負荷率隨高壓缸入口金屬溫度的升高而升高。溫態啟動時汽輪機進汽期間的機組升負荷率曲線如下：

由于溫態啟動例三中高壓缸入口金屬溫度為363℃，其升負荷率為4.17MW/min，從汽輪機進汽時負荷111MW到機組啟動完成負荷225MW共用時27分鐘，較原設計值51分鐘節省24分鐘。

3.3溫態啟動暖機負荷優化后的高中壓主汽調節閥開啟速率調整

按照M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環機組初始設計，汽輪機進汽時高中壓主汽調節閥同時開啟，在機組負荷達到225MW時汽輪機高中低壓主汽調節閥開啟完畢，兩者同步需用時51分鐘。在溫態啟動暖機負荷優化、升負荷率優化后，需要對高中壓主汽調節閥開啟速率同步進行調整，否則會導致機組負荷達到225MW后高中壓主汽調節閥尚未開啟完畢，高中壓主汽調閥完全開啟前機組將閉鎖機組繼續增加負荷，影響機組運行的經濟性。

汽輪機高中壓主汽調節閥開啟速率根據汽輪機高壓缸入口金屬溫度設定，原則為機組負荷達到225MW時高中壓主汽調節閥開啟完畢。修改前的高中壓主汽調節閥開啟速率固定為1.85，修改后的高中壓主汽調節閥開啟速率在1.85和7.2之間，曲線如下：

4 溫態啟動暖機負荷優化后經濟性比較

經過暖機負荷優化后，對機組自并網到機組啟動完成（機組負荷225MW，高中壓主汽調節閥開啟完畢）期間的相關數據進行對比：

比較溫態啟動暖機負荷優化前后，按照天然氣2.21元/Nm3、上網電價0.507元/kWh計算，自并網至機組啟動完成（機組負荷225MW、汽輪機高中壓主汽調節閥完全開啟）發電量、耗氣量、廠用電量比較，縮短啟動時間50分鐘，節約費用3.68萬元。若考慮到環境溫度相差4.77℃，折合到同等狀況下啟動節省費用會更多。

由于暖機負荷優化后，汽輪機進汽時的機組升負荷率取決于高壓缸入口金屬溫度，溫度越高，升負荷率越高，進汽時間越短，溫態啟動的經濟性越好。

相同汽輪機缸體溫度下，環境溫度較低時燃機排煙溫度越低造成暖機時間偏長，暖機負荷優化效果更明顯。

在環境溫度9.8℃、高壓缸入口金屬溫度384℃時，暖機負荷優化后啟動時間縮短35分鐘，節省費用2.78萬元;在環境溫度16.8℃、高壓缸入口金屬溫度393℃時，暖機負荷優化后啟動時間縮短30分鐘，節省費用2.2萬元;

5?溫態啟動暖機負荷優化后安全性檢查

暖機負荷優化后，機組暖機負荷、高中壓主汽調節閥開啟速率、機組升負荷率均有所提高，對余熱鍋爐和汽輪機本體產生影響。溫態啟動例三的啟動過程中相關安全參數如下：

結合上表數據分析，溫態啟動暖機負荷優化后，余熱鍋爐和汽輪機本體相應參數均在允許范圍內且距離限值有較大裕度，機組啟動安全并未收到影響。分析其他幾次優化后的溫態啟動，各參數均在安全范圍內。

5 結語

M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環機組通過修改邏輯，優化溫態啟動暖機負荷、汽輪機高中壓主汽調節閥開啟速率、汽輪機進汽期間升負荷率，在保證機組運行安全的情況下溫態啟動的時間明顯縮短，啟動經濟性明顯提高，啟動過程的氣耗和供電煤耗明顯下降，對同類型機組有一定借鑒意義。

參考文獻

焦樹建. 燃氣-蒸汽聯合循環.【M】，北京：機械工業出版社，2000

廣東惠州天然氣發電有限公司.大型燃氣-蒸汽聯合循環發電設備與運行：機務分冊.北京.機械工業出版社，2013

作者簡介：劉忠杰（1983-），男，漢族，大學本科學歷，工程師，浙江大唐國際紹興江濱熱電有限責任公司，主要從事燃氣輪機運行技術管理工作。