汽輪機啟動方式與旁路的應用

儲繼禮

摘 要：大型汽輪機的啟動過程復雜，控制得當與否，對汽輪機壽命及機組啟動順利與否影響很大。而在機組的啟動過程中，通過合理運用高低壓旁路，對機組的啟動成功具有事半功倍的作用。文章通過介紹北侖電廠二期機組啟動方式與旁路的應用，希望給相似的機組有點參考意義。

關鍵詞：汽機；啟動；旁路

中圖分類號：TK264. 21 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）11-0048-03

1 概 述

北侖發(fā)電廠二期3×660 MW亞臨界燃煤機組，汽機采用日本TOSHIBA公司的亞臨界一次中間再熱、單軸、四缸、四排汽、沖動、雙背壓、冷凝式汽輪機。鍋爐采用日本IHI公司設計制造的亞臨界、一次再熱、自然循環(huán)、單汽包、尾部平行分流、倒U型半露天布置輻射式鍋爐，采用平衡通風、前后墻對沖燃燒技術。機組經(jīng)過近幾年不斷改造升級配備完整的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)以及干、濕電除塵系統(tǒng)，已優(yōu)于燃氣輪機的排放標準，達到了國家最嚴格環(huán)保要求。儀控設備采用美國Emerson公司制造的Ovation控制系統(tǒng)，汽輪機數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)（DEH）以及高低旁路等控制都統(tǒng)一集合在Ovation系統(tǒng)中，大大方便了機組的啟停操作和監(jiān)視。

二期機組設計上的一個重要特點是可以在帶旁路或不帶旁路的方式下實現(xiàn)機組整組啟動。機組設計有可控制流量的主汽門前大流量疏水閥，設計流量為5% BMCR，以滿足汽輪機沖轉要求。

大型汽輪機的啟動過程復雜，控制得當與否，對汽輪機壽命及機組啟動順利與否影響很大。而在機組的啟動過程中，通過合理運用高低壓旁路，對機組的啟動成功具有事半功倍的作用。

2 啟動方式

機組的啟動根據(jù)汽機狀態(tài)劃分可分為冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、極熱態(tài)啟動四種。具體劃分依據(jù)為：

①冷態(tài)：汽機高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度150～290 ℃。

②溫態(tài)： 汽機高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度290～350 ℃。

③熱態(tài)： 汽機高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度350～400 ℃。

④極熱態(tài)： 汽機高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度>400 ℃。

根據(jù)機組啟動沖轉時帶不帶旁路啟動，二期機組的啟動方式理論上又可分為冷態(tài)不帶旁路啟動、冷態(tài)帶旁路啟動、溫態(tài)不帶旁路啟動、溫態(tài)帶旁路啟動、熱態(tài)不帶旁路啟動、熱態(tài)帶旁路啟動、極熱態(tài)不帶旁路啟動、極熱態(tài)帶旁路啟動八種啟動方式。

2.1 冷態(tài)啟動

機組的冷態(tài)啟動一般發(fā)生在大、中、小修及長時間機組停役后，一般停機時間超過七天。二期機組設計冷態(tài)啟動總次數(shù)為100次，對汽機壽命損耗為1.0%。

我們先來分析一下二期機組的二次比較典型的冷態(tài)啟動，一次為冷態(tài)不帶旁路啟動，另一次則為冷態(tài)帶旁路啟動。

2.1.1 冷態(tài)不帶旁路啟動

二期機組冷態(tài)不帶旁路啟動的典型啟動曲線如圖1所示。

本次啟動為#3機組為小修后首次啟動，汽機高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度低于100 ℃，為典型的冷態(tài)啟動，采用了冷態(tài)不帶旁路的啟動方式。因各種試驗很多，整個開機進程受到試驗進程的制約，但從整個開機進程來看控制得比較好也比較順利。是一次比較理想的機組啟動。

2.1.2 冷態(tài)不帶旁路啟動

二期機組冷態(tài)帶旁路啟動的典型啟動曲線，如圖2所示。

本次為#5機春節(jié)調停消缺后的一次機組啟動，汽機高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度低于100 ℃，屬于冷態(tài)開機，采用了帶旁路啟動方式。

本次啟動在汽機沖轉前投運了高低壓旁路，高旁開度5%，低旁33%，整個汽機房聲音刺耳。在啟動過程中，由于#3主機高壓差脹一直偏高，最高達到5.6 mm，采取了提高軸封汽汽溫；緩慢增加負荷，增加在各負荷段暖機時間；并采用較低的主蒸汽溫度，為了控制差脹，在300 MW負荷時，主蒸汽汽溫從480 ℃提升至540 ℃，用了5 h。

綜觀二期機組的這兩次冷態(tài)啟動，在啟動方式上的區(qū)別為帶不帶旁路啟動，但從啟動進程來看，旁路的投運對機組的啟動產(chǎn)生了影響。

IHI公司對二期鍋爐在冷態(tài)啟動時的升溫升壓率有嚴格的控制要求，具體為爐水溫度<100 ℃時控制最大溫升率為28 ℃/h；爐水溫度>100 ℃時控制最大溫升率為55 ℃。同時嚴格控制汽包上下壁溫差（小于90 ℃）及內(nèi)外壁溫差（小于55 ℃）在限額內(nèi)。因此在機組啟動過程中存在機爐相互協(xié)調配合問題，而汽輪機在冷態(tài)啟動中，要求盡量減少熱應力，以加強對汽機的壽命管理。旁路的投運容易引起主汽溫上升較快，這對冷態(tài)啟動時，汽輪機的熱應力及差脹控制帶來不利影響。

根據(jù)以上分析，并綜合我廠二期機組歷來冷態(tài)啟動經(jīng)驗，二期機組的冷態(tài)啟動宜采用不帶旁路方式。但這并不是絕對的，在實際操作中，由于鍋爐在升溫升壓階段蒸汽流量低，鍋爐側主汽溫往往會比汽機側高出30 ℃左右，而汽機DEH控制系統(tǒng)根據(jù)汽機側的溫度計算來決定暖機時間，而汽機一旦沖轉，汽機側溫度很快上升至接近鍋爐側汽溫，因而造成自動沖轉各階段暖機時間不夠充分的情況。為避免這種情況，可在機組沖轉前，投運一下旁路，使汽機側溫度上升，然后關閉旁路，將再熱器完全泄壓后再沖轉。

2.2 二期機組的溫態(tài)啟動

機組的溫態(tài)啟動多發(fā)生于機組短時間停運消缺或短時間的系統(tǒng)調停后。溫態(tài)啟動的方式界于冷態(tài)和熱態(tài)之間，但接近于機組冷態(tài)啟動。二期機組設計溫態(tài)啟動對汽機壽命損耗分別為：1.0%，啟動總次數(shù)為1 000次。二期機組的溫態(tài)帶旁路啟動典型啟動曲線，如圖3所示。

二期機組溫態(tài)啟動的重點在于：在汽機溫態(tài)啟動過程中不使主機金屬部件過度冷卻，以延長汽機壽命；控制高、低壓差脹的縮小（負差脹），以防汽機發(fā)生動靜摩擦。汽機沖轉，主、再熱汽溫度至少有50℃以上的過熱度且主、再熱汽溫度分別比高、中壓缸內(nèi)壁金屬溫度高50℃。

因此二期機組溫態(tài)啟動的關鍵是控制主、再熱蒸汽溫度與汽機高、中壓內(nèi)缸金屬溫度相匹配。旁路投運時一般采用手動方式，主要用于提高主汽溫，由于主汽溫的目標值并不太高，所需燃燒率較低，旁路開度較小，蒸汽流量也并不是很高，待主蒸汽參數(shù)達到?jīng)_轉要求后，沖轉前可手動緩慢關閉旁路，同時可以通過開大主蒸汽管道的疏水閥來減少旁路撤出后的影響。

2.3 二期機組的熱態(tài)、極熱態(tài)啟動

熱態(tài)、極熱態(tài)啟動一般都發(fā)生在機組短時間因故障而跳閘停運，在故障隔離或消除后，機組的恢復性啟動。因此在機組熱態(tài)、極熱態(tài)啟動過程中，應掌握快的原則。

二期運規(guī)嚴格規(guī)定：旁路系統(tǒng)故障禁止機組極熱態(tài)啟動。因此二期機組極熱態(tài)啟動時必須帶旁路啟動。

機組在熱態(tài)、極熱態(tài)狀態(tài)下的啟動，二期機組應盡可能地帶旁路啟動。通過旁路來參與汽溫和鍋爐燃燒率的控制。汽機沖轉前，鍋爐應維持足夠的燃燒率及蒸發(fā)量。通過調節(jié)高、低壓旁路流量來調整主、再汽參數(shù)。

同時做好機組啟動的各項準備工作，協(xié)調好各輔機啟動時間，盡快地沖轉、升速、并網(wǎng)并帶負荷至與汽機高壓缸第一級內(nèi)缸內(nèi)上壁溫度相對應的負荷水平。控制各金屬部件的溫升率、上、下缸溫差和高、低壓差脹不超過限值。

二期機組的極熱態(tài)帶旁路啟動典型啟動曲線，如圖4所示。

二期機組在旁路投自動方式下，進行熱態(tài)和和極熱態(tài)啟動會遇到高排蒸汽溫度超限的問題。其根本原因在于旁路投自動的情況下，低壓旁路閥會自動將再熱汽壓力控制在700 kPa。這相當于高壓缸背壓高，主蒸汽在高壓缸內(nèi)做功少了，出口焓偏高，出口溫度自然偏高。所以旁路一般手動控制。

在機組極熱態(tài)啟動過程中，應掌握快的原則。待機組缺陷消除后，應馬上進行爐膛吹掃，吹掃結束，MFT復歸后即開始鍋爐點火。鍋爐點火應盡快投運一臺磨煤機，通過調節(jié)煤量來控制燃燒率，主、再熱蒸汽溫度應高于汽機高、中壓內(nèi)缸金屬溫度50 ℃。蒸汽過熱度大于50 ℃，投運高、低壓旁路。在整個開機過程中，準備工作一定要充分，充分利用開機過程中的每一間隙，統(tǒng)籌地安排好沖轉、并網(wǎng)、升負荷的各項準備工作，以使機組負荷盡快帶至與高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度相對應水平。

對機組啟動而言，根據(jù)機組啟動時所處的狀態(tài)選擇合適的啟動方式至關重要，但確定合理的沖轉參數(shù)，對機組啟動順利與否起著決定性作用。對旁路的投運而言，在冷態(tài)啟動時，必要時可通過旁路來調整主、再熱汽參數(shù)，以使機組有個合理的沖轉參數(shù)。在汽機沖轉前，撤出旁路系統(tǒng)運行，使機組采用不帶旁路啟動的方式。

3 結 語

①對二期機組而言，冷態(tài)、溫態(tài)啟動時宜采用不帶旁路啟動方式，而在機組熱態(tài)、極熱態(tài)啟動時，必須采用帶旁路啟動方式。

②在冷態(tài)啟動過程中，應嚴格控制溫升率以減少熱應力，延長汽機的壽命。在機組熱態(tài)、極熱態(tài)啟動中在機組啟動過程中，應掌握快的原則，不使主機金屬部件過度冷卻，以延長汽機的壽命。統(tǒng)籌地安排好沖轉、并網(wǎng)、升負荷的各項準備工作，以使機組負荷盡快帶至與高壓缸第一級內(nèi)上缸金屬溫度相對應水平。

③在機組啟動階段可以靈活地通過旁路的投撤來調整主再熱汽參數(shù)，以適應不同狀態(tài)下機組啟動要求。

④目前隨著技改不斷深入，環(huán)保的嚴格要求，節(jié)能上的自我加壓，點火油槍均已改小，在汽包達到一定壓力時可以啟動微油磨煤機，在加上要求機組無論調停還是大中小修后的啟動都要進行鍋爐過熱器、再熱器以及蒸汽管道沖管，因此冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)以及極熱態(tài)啟動都帶旁路已經(jīng)是大勢所趨。但上述結論對尚未技改的機組仍然有很好的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 鄭蕾，賈欣.試析300 MW機組汽機旁路系統(tǒng)的類型及容量選擇[J].城市 建設理論研究，2013，（3）.