關于提高M701F4燃氣—蒸汽聯合循環機組熱態啟動速度的研究

牛火平

摘 要：三菱M701F4燃機-蒸汽聯合循環機組在運行中長期日開夜停，通過運行人員不斷摸索和總結，將燃機啟動時間由啟動曲線的115 min縮短為75 min，不僅提高了運行人員的操作技能，同時也為公司創造了更多的經濟效益。

關鍵詞：燃氣-蒸汽機組；熱態啟動；啟動速度；燃機優化

中圖分類號：TM611.31 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.073

中海油珠海天然氣發電有限公司機組由東方汽輪機有限公司引進三菱技術，燃氣輪機由壓氣機17級、透平4級、20個干式低NOx燃燒器組成，壓比18，透平進口溫度1 427 ℃，排氣溫度608 ℃，蒸汽輪機LCC-145-10.9/2.3/1.3/566/566型（合缸）是東方吸收國內技術制造的最新優化機型，為三壓、一次中間再熱，雙缸雙排汽，雙抽凝汽式聯合循環汽輪機，余熱鍋爐BHDB-M701F4-Q1為三壓、再熱、自然循環，由東方日立鍋爐有限公司生產。燃氣輪機發電機的型號為QFR-320-2，額定出力為336.6 MW。蒸汽輪機發電機的型號為QF-150-2-15.75，額定出力為150 MW，聯合循環效率59.2%.

機組自投產以來，已進行熱態啟動50多次，按照東方所提供的啟動曲線，整個熱態啟動完成時間大約115 min。對于這種啟動方式，時間明顯偏長，不僅不能很好地滿足電網的調峰要求，而且浪費更多的天然氣。

本文通過分析造成熱態啟機時間過長的原因，并針對其進行逐一分析，提出了相應的改進措施，以縮短熱態啟機的時間，從而提高公司經濟效益。

1 三菱設計層面優化燃機啟動速度分析

1.1 縮短燃機清吹時間

在燃機啟動過程中，由SFC來拖動轉子，達到清吹轉速時，對殘留或漏入排氣通道以及鍋爐爐膛內的可燃氣體進行吹掃，以防止發生爆燃。當轉速大于500 rpm/min開始計時，當轉速升至700 rpm/min，維持此轉速持續清吹。

原設計：高速模式下清吹時間為550 s，低速模式下清吹時間為80 s。

現設計：高速模式下清吹時間為400 s，低速模式下清吹時間為80 s。

通過優化不難看出，燃機清吹時間縮短了近150 s，加快了燃機啟動速度。

1.2 提高天然氣溫度

對于干式低NOx燃燒型的燃機，為了維持燃燒穩定，要求保持或控制當量韋伯指數的變化，將其控制在±5%范圍內。韋伯指數發生變化，當量燃空比也跟著變化。在燃料熱值和密度發生變化時，通過調節天然氣溫度，設法保持當量韋伯指數基本不變，維持各工況下機組的運行穩定和高效率。要加快燃機啟動速度，可以提高天然氣溫度。燃料加熱器的熱源來自中壓省煤器出口的給水，通過加熱水溫，從而快速提高天然氣的溫度。

原設計：溫控閥開啟的時間為燃機并網后。

現設計：溫控閥開啟的時間為燃機轉速為2 250 rpm時。

由以上可以看出：熱態啟動時，燃料加熱器進口水溫約140 ℃左右，當燃機轉速為3 000 rpm/min，燃料加熱器溫控閥已經開至100%，天然氣溫度由40 ℃升至108 ℃，對加快熱態啟動速度效果明顯。

2 機組的熱態啟動時間分析

圖1為燃機和汽機啟動曲線。啟動曲線由三菱的燃機啟動曲線和東方的汽機啟動曲線組成，從中可以看出，燃機從發啟動令至FSNL（全速空載）需要30 min，燃機FSNL（全速空載）至燃機發電機并網需要2.5 min，燃機發電機并網后將其負荷加至125 MW需要5 min，汽機缸溫匹配時間需要25 min，汽機從開始沖轉至FSNL（全速空載）需要20 min，汽機FSNL（全速空載）至發電機并網需要2.5 min，汽機發電機并網后至整個機組負荷270 MW需要時間30 min。

綜上所述，整個雙軸聯合循環機組熱態啟動時間為115 min。

（a）燃機啟動曲線

（b）汽機啟動曲線

圖1 燃機與汽機啟動曲線

3 縮短熱態啟動時間措施研究

3.1 影響熱態啟動的因素

影響熱態啟動的因素主要有：①燃機清吹時間。燃機發啟動令到燃機點火前。②溫度匹配階段。燃機發電機并網后到滿足汽機沖轉。③汽機的沖轉階段。汽輪機沖轉到汽機發電機并網。④機組升負荷階段。從汽輪機發電機并網后到帶基本負荷。

從以上可以看出，除燃機發啟動令至燃機并網時間固定外，其余階段都是影響燃機熱態啟動的因素。

3.2 相關措施研究

3.2.1 降低汽機的缸溫

汽機的缸溫越低，則溫度匹配所需要的時間就越短。對于調峰機組，可以通過優化停機方式來降低汽機缸溫。

機組正常運行時，機組高中壓內缸高壓進汽處上半內壁金屬溫度為547 ℃，當燃機負荷降至100 MW時，高壓缸的缸溫可降至527 ℃。假設停機時間為7 h，第二天啟動時高壓缸的缸溫為478 ℃左右；假如將燃機負荷降至80 MW，并穩定運行20 min，通過降低排氣溫度來降低汽機缸溫，此時高壓缸的缸溫可降至510 ℃，同樣停機時間7 h，第二天啟動時高壓缸的缸溫為460 ℃，降低了近20 ℃，可以將燃機熱態啟動時間縮短8 min左右。

3.2.2 提高高壓主蒸汽溫度

高壓主蒸汽溫度越高，溫度匹配的時間就越短。在燃機啟動過程中，由于清吹造成排氣溫度迅速下降，余熱鍋爐的蒸汽管壁溫度也下降明顯，從而使主蒸汽溫度和再熱汽溫度下降。由于主蒸汽溫度的下降，延長了溫度匹配的時間。因此可通過優化達到加快啟動速度的目的。

鍋爐高、中、低壓過熱器出口電動閥在燃機啟動前一般開啟，主要防止在啟動過程中開啟引起汽包水位波動大而造成不必要的跳機。機組的旁路控制邏輯為：在燃機發啟動令后，高、中、低壓旁路開至10%最小開度，旁路的開啟不僅會造成工質的浪費，同時還會在燃機清吹時，使主蒸汽溫度大幅下降。

為防止溫度下降，可采取以下方法：燃機轉速為1 000 rpm時再開啟高、中、低壓過熱器出口電動閥；燃機啟動后關閉高、中壓旁路，當燃機轉速為1 000 rpm時再開啟溫度匹配，盡量提高燃機負荷。燃機負荷越高，相應的燃機排氣溫度也會升高，例如將燃機負荷加至125 MW比將燃機負荷加至100 MW時溫度匹配時間縮短大約12 min。

3.2.3 汽機沖轉參數和速率方面

汽機熱態沖轉應根據高壓缸調節級溫度和中壓缸進汽室金屬溫度來選擇相匹配的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，即兩者的溫差應符合汽機熱應力、熱變形和脹差的要求。

本機組熱態沖轉參數為：主蒸汽壓力7.8 MPa、主蒸汽溫度470±10 ℃（50 ℃以上過熱度）、再熱蒸汽溫度450±10 ℃。對于晝開夜停的機組，由于汽機的缸溫不同，選擇的沖轉參數也不盡相同，所以合理的沖轉參數是兼顧安全性和經濟性的最佳選擇。該機組是東方自主研發出來的，所以沖轉參數選擇一般采用正溫差啟動，即主蒸汽溫度高于汽機缸溫。

廠家說明書要求汽機熱態啟動沖轉速率為200 rpm/min。通過運行經驗，可以將汽機沖轉參數設為300 rpm/min，甚至更高些，這樣會將汽機沖轉的時間縮短4～6 min。

3.2.4 機組升負荷階段

汽機升負荷與高中壓旁路的配合燃機升負荷至125 MW進行溫度匹配，此時高壓主蒸汽壓力為7.8 MPa，高旁開度為42%，再熱蒸汽壓力為1.64 MPa，中旁開度為65%，當汽機并網升負荷，高旁應跟蹤壓力設定值，使高旁以高壓主蒸汽閥前的壓力為基準。隨著主蒸汽調節閥的開啟，主蒸汽壓力會隨之下降，應將高旁不斷關小，維持主蒸汽調節閥的壓力7.8 MPa不變。但在實際運行中，汽機升負荷時，主蒸汽調閥的開啟和高旁的相互配合不合理，即高壓旁路的關閉滯后于主蒸汽調節閥的開啟，造成主蒸汽壓力降低，汽機加負荷的時間延長。

當汽機旁路全關后，汽機升負荷主要是通過燃機加負荷來提高排氣溫度，進而提高主、再熱蒸汽的溫度和壓力。燃機升負荷的速率一般不受限制，主要是考慮汽機升負荷率，要關注汽機的脹差、軸向位移和振動等。在熱態啟機過程中，一般不會有很大變化，所以只要汽機能滿足要求，燃機加負荷的速率可以快些。在實際運行中，由于高旁配合的不合理，為盡快提高汽機負荷，當汽機主蒸汽壓力降低時，汽機負荷不能上升，常采用增加燃機負荷，提高主蒸汽的溫度和壓力來提高汽機負荷。但此方法會造成天然氣消耗增加，經濟效益降低。

熱態啟動時，汽機升負荷的速率為3 MW/min，假如將汽機負荷加至90 MW，需要的時間大約為27 min；如果將汽機升負荷速率增加5～6 MW/min，則整個加負荷時間需要16 min左右，從而就能將時間縮短10 min。

汽機并網后，盡快關閉高排通風閥。高排通風閥的邏輯為在啟機過程中，當汽機負荷為55 MW時，關閉高排通風閥。在汽機啟機過程中，當高壓缸主蒸汽閥和調節閥關閉后，會將高壓缸的剩余蒸汽排向凝汽器。汽機沖轉時因轉速低、蒸汽流量小，將高壓尾部長葉片產生的鼓風摩擦熱量帶走。當沖轉完成，汽機高壓缸有蒸汽流通，因此基本不會產生鼓風摩擦。所以汽機并網后，應盡快關閉高排通風閥。這樣不僅可以提升汽機負荷，還可以縮短機組整體啟動時間。通過優化后，機組的啟動時間明顯縮短，如表1所示。

4 結論

現階段，三菱M701F4雙軸聯合循環調峰機組還沒有較多運行經驗，運行人員通過不斷的摸索和探討，將雙軸聯合循環機組的啟動時間縮短在40 min左右。在保障機組安全的前提下，不僅提高了運行人員的操作技能，而且為公司創造出了更多的經濟效益，希望能為其他類似燃機電廠提供很好的借鑒作用。

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〔編輯：王霞〕