M701F4燃氣-蒸汽聯合循環機組熱態啟動優化

王會勤

摘要：燃氣輪機具有啟停快速在電網中充當調峰任務的角色，目前絕大多數燃氣機組均采用日開夜停方式運行，當接收調令開機時，如何能以最短的時間快速安全啟動成為了每個燃氣輪機電廠在探索和改進的重點方向。在我廠的實際運行中通過增加輔汽向空排、引入軸封電加熱器以及調整開機參數等一些列技術改進措施縮短了聯合循環機組啟動時間，優化了機組啟動過程。

Abstract： Gas Turbine plays the role of peak load regulation in the power grid. At present， the vast majority of gas-fired units are operated by day-start and night-stop mode. How to start quickly and safely in the shortest time has become the key direction of every gas turbine power plant in the exploration and improvement.? In the actual operation of our plant， a series of technical improvements such as the addition of auxiliary steam to the air exhaust， the introduction of shaft seal electric heaters and the adjustment of startup parameters have shortened the startup time of the combined cycle unit and optimized the unit startup process.

關鍵詞：燃氣機組;啟停快速;快速安全啟動;縮短啟動時間

0? 引言

燃氣-蒸汽聯合循環機組具有熱效率高、清潔環保、啟停快速等優點，尤其是近些年隨著燃氣機組容量增多其在電網中的調峰作用也越來越明顯。大部分機組均采用晝開夜停的方式運行啟停較為頻繁。浙能常山天然氣發電公司現有一套M701F4單軸燃氣機組總裝機容量458MW。配套外界汽源——輔助鍋爐為SZS50-1.4/300-Q型，額定蒸發量50t/h，供氣壓力1.4MPa。設計初期由于我廠為單機運行，所以機組在冷、熱態啟動過程中均需采用輔助鍋爐來提供啟動初期所必須的輔助蒸汽，且在機組熱態啟動過程中由于需要控制輔助蒸汽與高壓缸金屬段壁溫差小于115℃，會耗費較長時間提高輔助蒸汽溫度。同時在三菱機組原先的設計理念中還有很多需要滿足的條件達到后機組才能啟動，這些都是我們可以著手努力優化改進的地方。

1? M701F4機組啟動過程分析

我廠機組自2014年投產以來年運行小時數1000h，年平均機組啟停次數為70次，其中熱態啟動次數占比較大為80%。以熱態啟動為例我們將三菱M701F4機組主要啟動過程歸結如下：①輔助系統投運，包括冷卻水系統，儀用空氣，控制油，罩殼風機，氣體小間風機等;②輔助蒸汽母管暖管，提升輔助蒸汽母管溫度大于260℃;③機組真空系統投運抽真空同時余熱鍋爐上水;④機組啟動條件滿足，點擊啟動后機組升速至全速并網;⑤并網后，機組升速率至暖機負荷（冷態50MW，溫態72MW，熱態120MW）進行暖機;⑥暖機結束后，汽輪機進汽負荷升至225MW，直至負荷加滿;在機組熱態啟動中經歷以上六個主要階段后，一般機組啟動耗時均在130min（輔助蒸汽暖管過程，真空建立過程和機組升速至3000rpm/min過程，分別耗時約70min，30min，30min左右）。分析以上啟動步驟，其中第一條輔助系統投運主要是一些輔機啟動對機組啟動時間縮短無影響。在機組升速以及并網、暖機、升負荷等過程均是按照邏輯設定正常進展。所以我們把能縮短機組啟動時間的控制過程主要放在2、3兩步中：提高輔汽母管溫度拉升速度以及縮短機組真空滿足條件。

2? 初步優化改進措施

機組熱態啟動時的外界蒸汽汽源采用的是輔助鍋爐來供給，由于輔助鍋爐布置與主機較遠，沿途疏水比較浪費時間，這些都是制約機組在熱態啟動時的啟動時間，而在確保機組共軸封安全的前提下必須滿足輔汽溫度大于260℃。進行初步的原因排查中我們發現：①僅僅靠沿途疏水開啟拉升輔汽母管溫度，溫升率很慢，必須增大暖管流量。②同時由于輔助鍋爐距離主廠房距離較遠，避免不了存在溫降。即使是溫度拉升速率提高，最后送入軸封集箱后蒸汽溫度仍舊偏低。

故針對以上兩種原因我們制定了如表2、圖1措施。

在這些初步的改進措施執行后，我們對改進效果也進行了檢驗。輔助蒸汽溫度拉升由于有大流量20T/h暖管排空，溫升率較之前提高200%。同時由于在軸封蒸汽集箱前加裝電加熱器，可以在輔助蒸汽溫度升高至160℃后，即可投入電加熱器送入軸封，完全能夠滿供軸封溫度大于260℃這一安全要求。因此拉升輔汽母管溫度目前已經從原來的70min縮短至50min，縮短了20min的前期準備耗時。

3? 深度優化措施

3.1 采用無輔助鍋爐啟動

為了進一步縮短整個機組啟動耗時，我們決定采取用余熱鍋爐高中壓余熱供汽提供軸封供汽。主要是考慮余熱鍋爐高壓系統溫度壓力較高，且供給輔助蒸汽管路較短，有利于快速疏水暖管，同時還能減少啟動鍋爐耗氣。經過專業討論和實際論證，形成了無啟動鍋爐啟動方案，無啟動鍋爐啟動方案包括以下幾個方面：

①增加余熱鍋爐蓄熱。在每日機組停機后，立即關閉爐側和機側的疏水相關閥門，同時在機組熄火后手動關閉高中壓旁路，保證汽包壓力高于正常停機設定壓力，為次日機組啟動提供更多熱量。

②初期采用中壓汽包壓力供汽暖管，輔保證助蒸汽壓力0.8MPa，過熱度在20℃以上，軸封用汽量在5T/h。待中壓壓力降低至1MPa后，通過高壓旁路將高壓汽包蓄熱通過再熱器—輔汽管路繼續疏水暖管。

③輔助蒸汽溫度大于160℃后，投入軸封電加熱器，將蒸汽溫度快速提高至260℃，而后送入軸封。

④此方式由于鍋爐過熱器蓄熱量有限，需優先保證軸封用汽，故需將機組2000rpm/min后的低壓缸冷卻蒸汽開度由30%降低到19.6%進行強制優化。

3.2 降低啟動條件真空要求

以往的機組開機過程中，等待機組真空達到允許值后，機組方可啟動。該機組啟動允許條件中，凝汽器真空需達到-88kPa。為了進一步縮短機組啟動時間，經多次試驗后，僅將啟動允許條件的真空值由-88kPa修改為-80kPa，真空保護跳機值仍保持原-76kPa不變，達到了既保證機組安全同時滿足機組啟動的要求。

修改之前我們也同廠家相關技術人員進行過咨詢，確認后才進行改動。通過這樣的參數修改后可以在機組進行抽真空的同時，進行機組啟動前的復位等相關工作。根據操作快慢的不同，將機組的啟動時間縮短約5min。

3.3 優化機組暖機參數

該機組冷態、溫態、熱態暖機負荷為50MW，72MW，120MW。汽機進汽條件中，蒸汽壓力、溫度都與暖機負荷有較大的關系，提高暖機負荷還可以進一步縮短機組暖機時間。尤其是溫態啟動過程，當汽輪機高壓缸入口金屬溫度在230℃-400℃之間，機組都屬于溫態啟動，但是燃氣輪機的負荷暖機值都是72MW，低負荷下溫升慢，導致進汽時間延長。因此認為當機組處于溫態模式下，其所對應的不同缸溫也應該采用不同的暖機負荷在78MW-120MW之間函數變動。同時其升負荷速率也改為介于冷態2.5MW/min與熱態4.0MW/min之間函數變動。

通過以上三種進一步改進優化后，機組啟動耗時進一步縮短熱態啟動時間。

4? 成果與效益

4.1 熱態啟動時間得到縮短

在對本單位機組關于縮短啟動時間這一問題進行了諸如以上主要措施后，我廠機組從2019年開始持續沿用以上技術改進，目前機組安全穩定運行，同時機組啟動耗時大大減小，如圖2。

4.2 機組在熱態啟動時無輔助鍋爐啟動，實現機組快速啟動，產生的經濟效益：

①少開一次輔助鍋爐，節約天然氣4000立方，按照市場價2.88元/m3計算直接節省費用11520元。

②機組熱態啟動時，新增的軸封加熱器與輔助鍋爐啟動耗電可節約720kWh以上。

③輔助鍋爐作為主機的備用爐，其少啟動次數一次可以節約設備折舊、維護費用，每次2萬元。

④機組快速啟動機組提前40分鐘進汽，機組可多發電40MW每次。

以2019年機組熱態無輔助鍋爐啟動核算，機組單電費節約和天然氣節約費用在70萬元。輔助鍋爐節省檢修費用，69*2萬/次=138萬，每年節約145.7萬元。

5? 結論

在通過合適位置增加軸封加熱器，優化開機參數，對于MF701F4同軸機組在沒有外界汽源的情況下，實現了溫熱態快速啟動;另外輔助鍋爐一般對于單套機組作為的電廠是唯一的外界汽源，采用此種方式，大大提高了機組的可靠性。對于軸封加熱器的投入時間和機組暖機參數的優化，仍然有很大的提升空間，需要我們不斷探索研究。

參考文獻：

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