聯合循環機組冷態啟動預暖系統研究

馮 磊，張立建，撒蘭波

(上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海 200240)

燃氣-蒸汽聯合循環機組啟?？臁⒄{峰能力強，在電網中適合承擔調峰任務。近年來，由于機組平均利用小時數持續下降，燃氣機組冷態啟動次數顯著增多。以9 F燃氣機組為例，燃氣輪機30 min左右可以升滿負荷，而汽輪機冷態啟動至帶滿負荷大約需要6～8 h。在冷態啟動過程中，由于汽輪機金屬溫度低，為避免熱應力過大影響機組安全，蒸汽溫度不能上升太快[1]。為此，燃氣輪機需要長時間低負荷運行，等待汽輪機暖機，這導致燃氣輪機燃燒效率低、排放高。另外，暖機階段汽輪機進汽量很小，余熱鍋爐的蒸汽大部分未做功就直接從旁路排走，造成能源損失。

汽輪機快速啟動問題一直都是制造廠、科研單位和電站關注的焦點。提升汽輪機冷態啟動速度主要有兩種手段：一是通過精確的熱應力在線監控和壽命管理技術優化啟動過程，但啟動優化技術近年已經逐漸發展至瓶頸，很難進一步大幅縮短啟動時間；二是開機前用外來汽源預暖汽輪機，將冷態啟動變為溫態啟動。20世紀80年代，這種預暖技術在國外電廠中得到應用，可顯著縮短汽輪機冷態啟動時間，并節省大量的啟動鍋爐燃油及廠用電[2]。20世紀90年代國內電廠開始引入該技術，GE公司[3-4]、東方汽輪機廠[5]、哈爾濱汽輪機廠[6-7]的火電機組都曾在改造時增設預暖系統。但是該技術在火電廠中應用并不廣泛，因為火電機組一般不需要快速啟動。相比之下，經常參與電網調峰的聯合循環機組對快速啟動的需求更為迫切，但目前尚未見預暖技術應用于聯合循環領域。

本文闡述了一種新型聯合循環預暖系統及方法，特別適用于帶離合器的聯合循環單軸機組。這種預暖技術采用汽輪機倒拖燃氣輪機的方式，增加了進汽量，預暖時間顯著縮短。為優化設計方案，利用有限元方法預測了不同蒸汽參數、暖機轉速下的預暖效果。本文的研究可以為提高聯合循環機組靈活性提供參考。

1 聯合循環冷態預暖系統

圖1顯示了聯合循環汽輪機預暖系統示意圖。其設計理念為：在機組啟動之前，先引入一股外來蒸汽預暖汽輪機，將機組提升至一定溫度，然后燃氣輪機點火進行正常啟動，從而將冷態啟動變為溫態啟動，縮短了啟動時間。預暖系統包括暖機汽源以及同軸布置且依次連接的燃氣輪機、發電機、自動同步離合器和汽輪機，汽輪機包括高壓缸、中壓缸和低壓缸。暖機蒸汽從母管出來分兩路：一路從高壓閥組前的主蒸汽管道接入，蒸汽流經高壓缸后從高排通風管路排入凝汽器，構成高壓暖機回路；另一路從中壓閥組前的再熱蒸汽管道接入，流經中低壓缸后排入凝汽器，構成中壓暖機回路。暖機結束后，切斷暖機蒸汽，然后汽輪機按溫態啟動方式正常啟動。

圖1 聯合循環汽輪機預暖系統示意圖

暖機蒸汽輸送管道上設有輸送閥(關斷閥)，暖機結束后用于隔斷暖機蒸汽。輸送管道的低點布置一個疏水閥，用來排走凝結水。在輸送管道上設置了溫度、壓力測點，實時監測蒸汽參數品質。高壓支路和中壓支路管道上分別設置截止閥，用于控制管路的通斷。由于機組正常運行時高壓截止閥和中壓截止閥接觸高溫蒸汽，為安全起見均采用串聯的2個截止閥。中壓截止閥前設置1個調節閥，用于調節中壓支路的暖機蒸汽流量。這是因為中壓調節汽門口徑太大，蒸汽量較小時無法精確調節流量。而高壓調節汽門口徑相對小一些，可以滿足暖機蒸汽流量調節功能，故高壓支路不用另設調節閥。

對于中低壓合缸機組來說，限制啟動速度的瓶頸主要在于中壓轉子，因為中壓轉子直徑較大，很難暖透。為提升暖機速度，需在暖機過程中設法增大進汽量，尤其是中壓缸進汽量。由于暖機時汽輪機帶動發電機、燃氣輪機一起轉動，這增加了汽輪機的進汽量，暖機速度得到顯著提升。

2 離合器低速安全嚙合技術

對于9F級聯合循環單軸機組，發電機與汽輪機之間通過自動同步(Synchro-Self-Shifting，SSS)離合器連接(如圖1所示)。該類型機組的優點是靈活性好，燃氣輪機既可單循環運行，又可與汽輪機共同帶負荷發電。該類機組采用具有低速保護功能的繼動式自動同步離合器(如圖2所示)，其特點是燃氣輪機檢修時汽輪機仍然可以盤車運行，從而避免在重力作用下長時間靜置，造成轉子彎曲。

然而，離合器的存在增加了預暖系統的復雜性。因為預暖前燃氣輪機在120 r/min轉速下盤車運行，此時若通入暖機蒸汽沖轉汽輪機，當汽輪機轉速超越燃氣輪機轉速，且棘爪彈起時，離合器在較大轉速差下嚙合，可能會損壞。因此暖機時要先用靜態變頻啟動裝置(Static Frequency Converter，SFC)將燃氣輪機轉速提升至800 r/min，然后汽輪機進汽，沖轉至800 r/min，轉速同步后SFC退出，汽輪機倒拖燃氣輪機、發電機轉動。

圖2 自動同步離合器結構示意圖

這樣操作仍然有一個潛在風險：汽輪機轉速達到700 r/min以上，才能保證離合器棘爪完全彈出，如果SFC在汽輪機沖轉到700 r/min之前跳閘，燃氣輪機會迅速惰走，二者轉速可能在350～700 r/min區間相遇。這種情形無法保證棘爪完全彈出，會導致離合器嚙合瞬間轉速差非常大，或者打壞棘爪。

為避免SFC跳閘帶來的風險，可以采取以下兩種措施：

1)若汽輪機轉速小于350 r/min，發電機或SFC跳閘后立刻切斷汽輪機蒸汽，燃氣輪機和汽輪機一起惰走，轉速不會相交，如圖3(a)所示；

2)若汽輪機轉速大于350 r/min，發電機跳閘后汽輪機加速沖轉，轉速相交于700 r/min以上，離合器可以安全嚙合，其過程如圖3(b)所示。

(a) 汽輪機轉速<350 r/min

(b) 汽輪機轉速≥350 r/min

圖3 跳閘工況下燃氣輪機與汽輪機轉速同步示意圖

3 預暖系統操作流程

預暖系統的操作流程如圖4所示，其流程為：(1)向汽輪機軸封供汽，建立真空后，利用SFC將燃氣輪機轉速提升至1 000 r/min；(2)向汽輪機通入暖機蒸汽，將汽輪機轉速沖至800 r/min；(3)SFC逐漸退出，燃氣輪機轉速惰走至800 r/min，當汽輪機轉速超過燃氣輪機轉速時，離合器嚙合；(4)當汽輪機中壓轉子加熱至一定溫度后，切斷暖機蒸汽，結束暖機，燃氣輪機和汽輪機恢復至盤車狀態。

圖4 預暖步驟示意圖

暖機蒸汽流量可以根據機組的阻尼力矩和熱力學公式進行簡易計算。因為在同一轉速下升速與降速的阻尼力矩相等，所以阻尼力矩可以根據機組的停機惰走曲線來反推。圖5顯示了某電廠聯合循環單軸機組的實測停機惰走曲線。

圖5 聯合循環單軸機組停機惰走曲線

當轉速惰走至800 r/min時，整個軸系所受的阻尼力矩與800 r/min預暖工況時相同，從而有：

Tf=J·β

(1)

式中：Tf為阻尼力矩，J為轉動慣量，β為角加速度。

軸功率為：

P=Tf*π*n/30

(2)

式中：n為轉速，r/min。

當蒸汽做的功與阻尼力矩消耗的功相等時，就可以維持轉速不變，即：

P=ΔH*Q

(3)

式中：ΔH為焓降，kJ/kg，Q為蒸汽質量流量，kg/s。

根據公式(1)～(3)可以計算不同品質蒸汽在800 r/min轉速下暖機時所需要的流量。進出口焓降越高，需要的蒸汽流量越少。高排蒸汽(350 ℃、3 MPa)和啟動鍋爐蒸汽(320 ℃、1.2 MPa)所需要的流量相近，大約需要20 t/h，低壓補汽(240 ℃、0.5 MPa)需要30 t/h。

4 暖機效果預測及參數化研究

每個電廠實際情況不同，能提供的暖機蒸汽參數、流量都不一樣。為弄清蒸汽參數對暖機效果的影響，本文通過有限元方法計算了幾種典型汽源參數下轉子的溫度變化。

暖機速度取決于蒸汽溫度和轉子表面的傳熱系數，可以通過數值方法按照傳熱學第三類邊界條件進行瞬態計算。轉子表面的傳熱系數計算如下[8]：

(4)

式中：r0為轉子半徑，ω為旋轉速度，υ為蒸汽運動黏度系數，cp為蒸汽定壓比熱容，λ為蒸汽熱導率。

蒸汽參數對暖機速度影響如圖6所示。從圖6可以看出，在800 r/min轉速下暖機，使用高排蒸汽(350 ℃、3 MPa)和輔助蒸汽(320 ℃、1.2 MPa)大約1 h就可以將轉子暖至220 ℃，兩種汽源暖機效果差異不大。如果使用低壓補汽(240 ℃、0.5 MPa)，暖機大約需要3 h才能完成。可見蒸汽參數，尤其是蒸汽溫度對暖機速度影響很大。

圖6 蒸汽參數對暖機速度影響

暖機轉速對暖機速度的影響如圖7所示。從圖7可以看到，使用同一種汽源時(鄰機高排蒸汽)，暖機轉速對暖機速度影響很大。800 r/min轉速下暖機只需要大約1 h，而500 r/min轉速下暖機需要3 h，300 r/min轉速下暖機則需要更長時間。這是因為不同暖機轉速進汽量相差很多，而轉子表面傳熱系數與進汽量相關。

圖7 暖機轉速對暖機速度的影響

綜上所述，暖機蒸汽品質越高、轉速越高，預暖效果越好。利用鄰機高排蒸汽在800 r/min轉速下暖機，預暖1 h左右即可達到要求，與冷態啟動時間相比，節約了3 h。

5 結 論

為了縮短聯合循環機組冷態啟動時間，本文開發了一套冷態快速啟動預暖系統。本文首次提出汽輪機倒拖燃氣輪機的預暖方法，制定了安全的預暖操作流程。從收益上來說，預計利用鄰機高排蒸汽預暖汽輪機只需要1 h，可以比冷態啟動時間少2～3 h。同時采用該系統可以提高機組的快速調峰能力，降低啟動成本和污染排放。并且，通過參數化研究發現：

1)蒸汽參數對暖機速度影響非常明顯，較高的暖機蒸汽溫度可以顯著縮短預暖時間；

2)高暖機轉速下進汽量大，轉子表面傳熱系數高，預暖時間大幅縮短。