大型機組啟動過程分析及優化措施

殷慶棟，魏穎莉，劉斌杰

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司，石家莊 050021）

1 概述

近年來，隨著我國經濟的迅速發展，電網峰谷差越來越大，調峰問題成為電網運行中亟待解決的重要問題之一，而在火電機組承擔調峰任務的過程中，會涉及到通過火電機組的啟動和停機來調節負荷，如何能更好地掌握各種機組的啟動時間、啟動費用，對于電廠的經濟運行將會起到積極作用。機組啟動是一個復雜且不穩定的過程，啟動過程中，機組工質溫度和各部件溫度會隨著傳熱、流動等過程變化。

目前，河北省南部電網的主流大容量機組主要有SG－2080／25.4、SG－2028／17.5、B＆WB－2028／17.5、B＆WB－1025／17.5、DG－1025／17.4等多種類型，以下選取了4種類型機組進行分析，以掌握這幾種典型機組的啟動規律，為電網調度的優化提供可靠的依據。

2 機組啟動方式的劃分依據

機組的啟動方式可分為冷態啟動、溫態啟動、熱態啟動以及極熱態啟動4種，不同生產廠家、不同型號的機組其劃分依據也不盡相同。以SG－2080／25.4和SG－2028／17.5機組為例：同樣是上海鍋爐廠制造的600 MW機組，前者為超臨界參數，后者為亞臨界機參數。由于在主蒸汽參數、制造材料以及結構設計等方面的差異，導致其啟動方式的劃分依據分別為汽輪機第1級金屬溫度和高壓內缸調節級金屬溫度，且溫度分界點也差別較大。各類機組啟動方式的劃分溫度依據見表1。較為特殊的是SG－2080／25.4機組，由于其參數更高，啟動過程的劃分也較其他類型多一種方式，即有2種溫態啟動方式，溫態啟動1（120～280℃）和溫態啟動2（280～415℃），溫態啟動2也有資料稱為半熱態啟動。研究各種啟動方式以及在各種方式下的啟動時間和啟動費用，對提高電廠的經濟性和優化電網調度有著十分重要的意義。

表1 各類機組啟動方式的劃分依據 ℃

3 啟動過程分析

3.1 啟動時間

一般來說，機組啟動時間是指從鍋爐點火到機組并網成功的時間，各類機組不同啟動方式下的啟動時間統計見表2。具體的啟動過程步驟包括：點火前準備、鍋爐點火、升溫升壓、汽輪機沖轉到額定轉速、并網成功［1］。鍋爐冷態啟動前，首先通過給水泵給鍋爐上水，進行系統冷態清洗，清洗后的爐水通過大溢流閥排出系統外，水質合格后，關閉大溢流排污閥。在此期間要將省煤器放氣閥打開，排除省煤器中的空氣，以免流動不均造成受熱面的氧腐蝕。其次冷態啟動時還要進行3～4 h中、高速暖機。

表2 各類機組不同啟動方式下的啟動時間統計 h

由表2可以看出，機組類型不同，其啟動時間也不同。上述4種類型機組在熱態或極熱態啟動時，啟動時間差別不大，這是因為熱態、極熱態啟動往往是機組處于旋轉備用或機組非停時采用的方式，在這2種狀態下，機組的停爐時間較短，汽輪機側高中壓缸金屬級溫度較高，機組啟動速度較快，啟動時間較短。在冷態啟動狀態下，超臨界機組SG－2080／ 25.4相比其他類型的亞臨界機組啟動時間長2～3 h，主要有兩方面的原因：超臨界機組主蒸汽溫度高、壓力大，要達到啟動的滿足條件，機組需要吸收更多的熱量，所需要的時間也就相應長些；超臨界機組與亞臨界機組最大的區別在于超臨界機組采用了直流鍋爐，因此超臨界機組有一個轉直流過程。隨燃燒率和負荷的增加，進入汽水分離器的汽水混合物的干度也逐漸提高，在鍋爐負荷提高到本生點以上后，進入汽水分離器的將全部是蒸汽，鍋爐進入直流運行模式，這也會延長超臨界機組的啟動時間［2］。掌握機組的啟動時間，能給調度部門提供必要的依據，更有利于機組在不同狀態下的啟動。

3.2 啟動費用

機組的啟動成本與機組的容量、機組啟動效率、機組性能等多種因素有關。一般來說，機組的啟動成本主要由消耗成本和固定成本構成［3］。消耗成本包括機組啟動過程中的耗煤量、耗油量、耗電量、無鹽水消耗量費用等；固定成本則是指在啟動過程中所發生的員工工資及設備折舊費等需要分攤的固定費用。各類機組不同啟動方式下的啟動費用統計見表3。

表3 各類機組不同啟動方式下的啟動費用統計 萬元

從表3可以看出，4種機組在熱態或極熱態狀態下的啟動費用差別較小，最大差值僅為5萬元，這是因為在這2種狀態下，機組的溫度較高，啟動僅需要較短時間即可完成，無論是消耗成本還是固定成本都不高。

機組的啟動費用與機組容量和機組蒸汽參數息息相關。大容量、高參數機組的啟動費用相對要高。以冷態啟動方式為例，SG－2080／25.4和SG－2028／ 17.5機組的啟動費用相比B＆WB－1025／17.5和DG－1025／17.4機組要高出40萬元以上，前2種機組的啟動費用幾乎為后2種機組的2倍。這是因為前2種機組的容量為2 028 t／h，是后2種機組容量1 025 t／h的2倍左右。但需要指出的是，啟動成本雖與機組容量相關，但不是簡單意義上的正比關系，還與機組啟動效率等有直接關系。

機組啟動費用還與機組參數有直接關系。SG－2080／25.4機組在冷態和溫態啟動時費用相比SG－2028／17.5機組要高出約21萬元和13萬元。在兩者容量基本相同的情況下，SG－2080／25.4機組為超臨界機組，其主蒸汽壓力為25.4 MPa，而SG－2028／ 17.5類型的亞臨界機組，其主蒸汽壓力為17.5 MPa，這是導致啟動費用不同的主要原因。

4 啟動優化措施及效果

機組的啟動過程是一個比較復雜、持續時間較長的生產過程，其間，鍋爐燃燒效率大幅降低，甚至需要投油燃燒，汽輪機的內效率也保持在一個較低水平，機組整體運行的經濟性相對較低，發電經濟指標大幅升高。因此，深挖機組啟動過程中的優化措施，對減少機組啟停過程中的能源消耗，縮短機組的啟停時間及啟動費用，將會起到十分積極的作用。

4.1 采用等離子點火技術

等離子點火技術利用電能產生等離子炬直接點燃煤粉，是目前理想的技術途徑，應用等離子點火技術可以節約鍋爐點火期間的大量燃油，并且可以使電除塵器及早投入，大大減少粉塵的排放，避免環境污染，給電廠帶來顯著的經濟效益和社會效益［4］。

鍋爐冷態啟動時，采用油槍點火和等離子點火啟動時間無太大區別，主要是以控制鍋爐升溫、升壓速率為主。熱態啟動時，由于可以直接投入制粉系統運行，較油槍相比更有利于鍋爐升溫、升壓，啟動時間比采用油槍點火明顯縮短。

以上述SG－2080／25.4鍋爐為例，應用等離子點火之后，從鍋爐點火到并網需要耗煤約100 t，如果采用油槍點火，按照共投入8支油槍計算，從鍋爐點火到并網需要耗柴油約50 t。加上等離子陰陽極的損耗，以現在市場價格計算顯然等離子費用明顯低于燃油費用，可大幅降低啟動費用。另外采用等離子點火啟動，點火即啟動了制粉系統，為并網后啟動其他制粉系統奠定了基礎，啟動更安全。隨著機組容量的增大，等離子點火的優勢將越來越明顯。

4.2 使用鄰爐加熱技術

鄰爐加熱技術對鍋爐冷態啟動的節能效果十分明顯，鄰爐加熱裝置的投入影響著鍋爐整個啟動過程中的安全性與經濟性。鍋爐點火前，爐底充分加熱投入能夠在啟動初期就建立穩定的水循環，均勻加熱各受熱面，能較快的提高爐溫，對點火初期的燃燒十分有利，因此可縮短點火啟動時間，節約廠用電及啟動用油，是電廠普遍采用的啟動過程優化方式。

據統計，2臺600 MW（SG－2080／25.4）機組鍋爐按照平均每年每臺冷態啟動3次計算，使用鄰爐加熱技術后，每年可節約燃油230 t，節約廠用電10萬k Wh，可大幅降低啟動費用［5］，經濟效益十分可觀。同時還可避免由于受熱面膨脹不均勻而造成的鍋爐爆燃概率，大大提高啟動的安全性。

4.3 單側風機運行技術

鍋爐點火按要求應將全部風機啟動，但是由于啟動時負荷較低，往往單側風機單獨運行也能滿足要求。某廠DG－1025／17.4機組采取相關安全措施后，在鍋爐吹掃、點火以及升溫升壓、汽輪機沖轉和發電機并網的全過程中，保持1臺二次風機和引風機運行，一次風機的運行臺數則以滿足制粉系統需求為前提。由于風機運行臺數的減少，可以節約大量廠用電，以啟動時間9 h計，可節約電量2萬k Wh，節省啟動費用超過1萬元。

4.4 凝結水系統優化技術

機組啟動初期，不合格疏水水質排入凝汽器系統，導致凝結水水質較長時間不能達到合格要求，需要通過大量換水工作來提高水質。某廠SG－2080／ 25.4機組并網后，因為凝結水水質不合格，導致鍋爐用水僅靠低流量的鍋爐上水泵供應，在長達數小時的凝結水換水過程中，機組只能通過燃燒大量燃油來維持負荷，造成了燃油和廠用電的大量浪費，增加了機組的啟動成本。因此，提前對凝結水進行大流量換水工作，減少并網后的等待時間，有利于減少啟動成本，對優化啟動過程起到十分重要的作用。

5 結束語

機組的啟動過程是一項非常復雜的工作，機組的啟動時間、啟動費用等因素對電廠及電網的安全穩定運行起著十分重要的作用。不同類型機組在不同的啟動方式下啟動時間和費用均有區別，應根據機組的實際情況采取相應的啟動優化措施，以便掌控機組的啟動時間，利于機組在不同狀態下的啟動。在現實生產中，機組的每次啟動均面臨不同的設備狀態和不同的操作人員，即使同一機組也會存在啟動時間不相同的情況，啟動能耗也有所差異的現象。因此，對機組的啟停方式進行優化和進行必要的設備改造，挖掘機組在啟動時的節能潛力，將是一項十分重要而且長期的工作。

［1］ 任 杰，馮桐剛，李文東.超臨界鍋爐啟動系統技術特點分析比較［J］.內蒙古電力技術，2008，26（4）：27－29.

［2］ 樊泉桂，裴躍輝.600 MW超臨界鍋爐啟動系統的技術分析［J］.鍋爐技術，2006，（37）增刊：16－19.

［3］ 賀廣中，周英彪，鄔田華.一種基于收益的火電機組啟動成本分析方法［J］.節能，2006，（1）：24－25.

［4］ 龔 鵬，毛永清.等離子點火技術在超超臨界機組中的應用［J］.電站系統工程，2011，27（5）：31－34.

［5］ 邢希東，馬成偉，吳寶忠.大容量火電機組啟停過程中節能措施［J］.熱電技術，2011，（1）：21－25.