西門子V94.2型燃氣—蒸汽聯合啟動分析及優化措施

徐洪

摘 要：本文介紹了西門子V92.4型燃氣-蒸汽聯合循環機組啟動情況，分析了機組冷態、溫態啟動過程耗時存在差異的原因，并針對性的提出了縮短啟動過程時間的優化措施，以達到節能降耗，提高機組經濟性的目的。

關鍵詞：聯合循環；機組啟動；優化；經濟性

中圖分類號：TK478 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0105-02

1 概述

隨著天然氣資源的開發和應用，我國電力系統中燃氣-蒸汽聯合循環發電機組呈現快速發展的勢頭，由于其熱效率高、環保、啟停迅速及建設周期短等特點，越來越受到電力行業的青睞。江蘇華電儀征熱電有限公司建有3×254MW燃氣-蒸汽聯合循環發電機組。每套機組包括1臺西門子V94.2型燃氣輪機、1臺蒸汽輪機、2臺發電機和1臺無補燃雙壓余熱鍋爐及輔助設備。目前由于燃氣輪機（下文簡稱燃機）在電力系統中大多擔任調峰任務，公司2016年共啟停111次。因而研究如何優化機組的啟動過程，縮短機組的啟動時間，提高機組啟動效率和經濟性顯得極為重要。

2 西門子V94.2型燃機啟動過程簡介及分析

西門子V94.2型燃氣-蒸汽聯合循環啟動過程大致為：通過各系統間的相互關系，將各系統設備按順序啟動，在滿足余熱鍋爐上水條件后上水至啟動水位。滿足燃機啟動條件后啟動燃機，此時發電機由SFC變頻啟動裝置（下文簡稱SFC）帶動，作為啟動電機拖動燃機升速至900RPM進行清吹。10分鐘清吹結束后降速至420RPM左右進行升速點火，當轉速達到2100RPM時SFC退出，燃機到達3000RPM后自動經同期并網，燃機啟動至并網全過程僅需21分鐘。

燃機并網后通過提高燃機負荷的方式提高排氣溫度，從而對余熱鍋爐加熱提高蒸汽參數。汽輪機啟動通常可分為冷態啟動、溫態啟動和熱態啟動三種，高壓內缸內壁金屬溫度小于200℃為冷態啟動，高壓內缸內壁金屬溫度200℃-390℃范圍內為溫態啟動，高壓內缸內壁金屬溫度大于390℃時為熱態啟動。根據汽輪機的實際情況，選擇相應的蒸汽參數以滿足汽輪機的沖轉條件。冷態啟動時，汽輪機需在600RPM進行暖機，熱態啟動可直接升速至3000RPM進行同期并網[1]。

通過對公司2016年機組的啟動統計，全年三套機組共啟動111次。其中冷態啟動22次，溫態啟動86次，熱態啟動3次。由于機組的調峰特性，聯合循環一般為晝起夜停的運行方式，因而，溫態啟動所占比例高達77.5%。為進一步分析機組啟動的差異，通過統計燃機走步至汽機并網的耗時，比較及分析得出：排除啟動失敗，冷態啟動正常耗時在100分鐘至130分鐘不等，溫態啟動耗時在80分鐘至110分鐘不等。冷態啟動由于需進行暖機，啟動時間通常略長于溫態、熱態啟動。

3 機組啟動耗時差異的原因分析

燃氣-蒸汽聯合循環機組在啟動過程中，由于涉及到燃氣輪機、余熱鍋爐和汽輪機之間的相互配合，因此總的啟動耗時存在一定差異，啟動耗時差異的原因主要有一下幾點[2]：

（1）因設備原因導致的啟動失敗。通過統計發現，由于SFC故障、燃機盤車故障、燃機同期裝置故障等原因延誤機組啟動及并網的情況時有發生。設備故障通常對機組的啟動時間有較大影響，甚至會導致機組的啟動失敗，影響正常的頂峰任務。（2）冷態啟動需進行相關試驗。根據《防止電力生產事故的二十五項重點要求及編制釋義》要求，在機組停運達到一定時間后，需在冷態啟動后按要求進行相關的試驗，如危急遮斷器注油試驗、AST電磁閥試驗等。為確保機組的安全運行，相關試驗是必不可少的過程，因此，進行試驗是啟動耗時差異的原因之一。（3）汽輪機沖轉參數的差異。根據汽輪機啟動對蒸汽參數的要求，冷態啟動蒸汽壓力2.0-2.5MPa，溫度300-350℃。溫態啟動沖轉參數主要決定于汽機缸壁溫度，要求鍋爐蒸汽溫度比汽機高壓內缸下壁溫度高50-100℃，并且至少要有50℃的過熱度。鍋爐和汽輪機由于受到金屬設備熱應力的限制，不宜升速太快。往往冷態啟動時長略長于溫態、熱態啟動。（4）機組啟動運行人員溫升、溫差控制的差異。機組啟動對蒸汽、鍋爐及汽輪機各部件的溫升、溫差有嚴格要求。當溫升過快，或相關部件溫差過大時，必須降低機組的加負荷速度。在對2016年的所有啟動統計分析中，并未發現超溫升的現象。但是存在由于人員溫升、溫差控制導致啟動耗時的差異。（5）操作不當造成的啟動失敗。在啟動過程中，存在由于人員操作不當，燃機啟動點火后觸發相關保護，導致啟動失敗的情況發生。燃機啟動失敗通常對機組啟動時間有較大的影響。

4 機組啟動的分析及優化

4.1 燃機啟動的分析及優化

燃機的啟動從走步到并網完全由T3000順控自動控制，人為干預的因素極少，優化空間有限。但在整個過程中，清吹時間所占比例約達50%，通過優化清吹時間，可以有效縮短啟動時間。清吹的目的是為了吹掉可能漏進燃機中的燃料，避免發生爆燃。可以通過機組的實際情況，檢測并計算出相應的清吹時間，從而加快啟動的時間。提高燃機啟動的成功率可以有效的減少機組啟動的耗時，從而提高機組的經濟性。啟動前加強對相關設備的檢查與校驗，可以大大增加設備的可靠性，從而提高啟動成功率。為確保燃機啟動的成功率，在機組啟動前，需要充分做好啟動準備工作。

（1）啟動前對機組進行全面檢查，對點火器閥，發電機空氣冷卻器，潤滑油冷卻器等就地閥門位置進行確認，確保設備運轉正常。（2）啟動前對燃機防喘放氣閥、預混及擴散球閥等進行活動性試驗，防止因相關設備原因導致啟動延時。（3）加強盤面及就地保護裝置的檢查，對設備保護進行相應的復歸。防止因檢查疏漏影響機組啟動。（4）合理安排輔助設備的啟動時間，縮短大容量輔機空載運行時間。

4.2 汽輪機啟動的分析及優化

根據晝起夜停運行方式的特點，從燃機并網到汽機并網時間的長短，對整個聯合循環的經濟性有很大影響。因此，保證機組順利啟動，并使汽輪機盡快具備沖轉條件是加快啟動時間，提高經濟性的關鍵[3]。

（1）對于冷態啟動，鍋爐應該提前上水，并在條件允許的情況下，利用相鄰機組的供熱蒸汽加熱爐水，以減少鍋爐啟動時間。對于溫態啟動，在鍋爐停運前，盡量保持汽包有較高的水位，關閉相關放水閥，及時關閉煙囪擋板保溫保壓，這樣可以保證在啟動前鍋爐有一定的水位，推遲凝泵、給水泵的啟動時間。（2）啟動前對汽輪機及輔機進行全面檢查，確認各系統就地閥門狀態，復歸相應的設備保護，檢查各輔機系統參數是否滿足機組啟動要求，對軸封、旁路系統等管道進行充分疏水，防止發生因管道振動過大影響機組正常啟動的情況。（3）由于三套機組全部停運情況較少，通常可以利用相鄰機組供熱系統提前對汽輪機軸封系統進行暖管，并且在燃機啟動前供軸封建立凝汽器真空。此方法可以大大縮短汽輪機啟動時間，盡可能的減少燃機低負荷運行時間。（4）燃機并網后，需嚴格根據汽輪機缸溫，鍋爐汽包壁溫差等參數的變化及時調整蒸汽參數，在確保不超溫的情況下，及時增加燃機負荷，使汽輪機盡快具備沖轉條件。（5）汽機沖轉時，選擇合理的升速率。冷態啟動低速暖機時，600RPM停留時間不宜過長，由于低速時汽輪機調門開度極小，暖機效果一般，根據汽輪機說明書要求，暖機5分鐘后即可繼續升速，暖機時間不應超過15分鐘。在暖機過程中應對機組進行全面檢查。（6）汽機并網后，根據汽缸金屬溫度、相對膨脹等只指標合理控制加負荷時間和速率，及時投入低壓補汽。并且提前做好廠用電切換和燃燒方式切換的準備，以保證機組的經濟運行。

5 結語

通過對西門子V94.2型燃氣-蒸汽聯合循環機組啟動情況的統計及分析，機組啟動過程具有一定優化潛力。在確保機組安全的前提下，通過優化燃機清吹時間，仔細排查設備隱患，合理安排輔機啟動順序，加強啟動過程監控，能明顯提高機組啟動成功率，縮短啟動時間，提升經濟性水平。

參考文獻

[1]趙楊，沙立成，雷一鳴，等.北京電網燃氣-蒸汽聯合循環機組調峰運行特性[J].華北電力技術，2015，（2）：60-65.

[2]吳文健，李鴻坤，顧正皓，等.燃氣—蒸汽聯合循環機組運行與維護關鍵技術研究綜述[J].浙江電力，2014，（10）：36-39.

[3]鄭李鵬.基于APDL的聯合循環汽輪機轉子熱應力計算及啟動優化的研究[D].浙江大學，2011.