利用供熱管路優化提升機組啟動速度的研究應用

摘要：聯合循環熱電聯產機組熱態啟動過程中，存在主汽升溫慢且容易超壓的問題，影響機組調峰性能。本文通過供熱管路優化，在機組啟動階段對外供熱，加快主汽升溫速度。通過壓力控制優化，并增加供熱流量限制和超壓保護功能，確保熱網流量和鍋爐壓力穩定。優化改造后，機組提早投入溫度匹配，調峰性能提高，并減少了蒸汽工質浪費，取得了較好經濟效益。

關鍵詞：調峰運行;熱態啟動;供熱管路優化

目前，隨著社會經濟的快速發展，電網用電結構發生明顯變化，電網調峰調度要求日趨嚴峻。聯合循環發電機組憑借啟動速度快的優點，更加頻繁地參與到電網調峰運行中，具有良好的社會效益和經濟效益[1]。

但是，受天然氣供應限制，聯合循環發電機組一般采用“兩班制”方式運行。機組經夜間停機冷卻，余熱鍋爐汽水參數過低，無法滿足機組熱態啟動時溫度匹配要求。而蒸汽較長的升溫過程，導致機組整體啟動時間過長，調峰性能差。為提高聯合循環熱電聯產機組調峰運行的響應能力，研究機組熱態啟動時快速提升蒸汽參數的方法，并對此進行優化存在必要性。

1 存在問題

采用“兩班制”方式運行的機組，在熱態啟動前，汽輪機壁溫往往較高。為避免高溫汽輪機受冷后產生過大的熱應力，在機組熱態啟動前，一般需控制高壓主蒸汽溫度高于高壓內缸內壁金屬溫度50℃-100℃的正溫差[2]。而本文研究機組經夜間6-9小時的停機冷卻后，高壓主汽溫度與汽輪機高壓缸內壁金屬溫度差最大會達到200℃，過大的溫差無法滿足汽輪機溫度匹配要求。

機組啟動階段，受汽水物理動態特性影響，蒸汽參數提升需要耗費較長時間。在煙氣與汽水熱交換過程中，汽水溫度和焓的變化速度明顯低于壓力和流量的變化速度[3]。所以，在達到溫度匹配要求前，余熱鍋爐極易產生超壓風險。

而研究機組缺少對蒸汽壓力的調節手段。燃氣輪機的最低排氣溫度限制、未配置旁路煙囪和較小的向空排汽管路等因素導致蒸汽壓力無法良好控制。

為保證蒸汽的快速升溫及控壓要求，目前只能通過新蒸汽對空排汽，并減溫減壓至凝汽器的方式解決。這種升溫控壓方式，壓力調節效果差，升溫速度慢，而且會造成蒸汽工質的嚴重浪費。

2 方案選擇

本文研究機組為聯合循環熱電聯產發電機組，配置“一拖一、多軸”燃氣-蒸汽聯合循環發電機組。同時，機組對外實現高壓、中壓和低壓三種不同方式供熱。

根據機組配置、供熱蒸汽參數和機組啟動蒸汽參數的比對研究，制定了一套利用供熱管路優化提升機組啟動速度的方案。在機組熱態啟動過程中，當余熱鍋爐蒸汽參數達到低壓供熱要求時，就開始對外供熱，以此加快蒸汽升溫速度，縮短機組啟動時間。同時，通過熱網回收機組啟動過程中蒸汽工質，提高機組運行經濟性。

3 優化改造

為較好利用供熱管路實現蒸汽快速升溫的目的，本文通過以下2點進行了優化控制：

1、利用供熱管路提升蒸汽升溫速度;

2、蒸汽升壓速度和供熱流量的合理控制。

3.1 利用供熱管路提升蒸汽升溫速度

為實現機組啟動階段對外進行低壓供熱要求，對廠內供熱管網結構進行優化。在高壓供熱管路與供壓供熱管路之間增裝一套高壓轉低壓系統，見圖3.1。在機組啟動階段，鍋爐產生的新蒸汽只要滿足低壓供熱蒸汽參數要求，即通過高壓供熱管路，經高壓轉低壓系統，對外實現低壓供熱。

相較于以往的疏水升溫方式，優化后的高壓主汽利用供熱管網加快對外流速，從300℃升溫至500℃，時間由24.8分鐘縮短至12.8分鐘，效果明顯，見圖3.2。隨后，汽輪機可盡快實現溫度匹配要求，加快機組的并網發電速度。

3.2 蒸汽升壓速度和供熱流量的合理控制

在機組啟動階段，為避免蒸汽快速升壓導致余熱鍋爐超壓，需要對余熱鍋爐的背壓進行有效控制。雖然，優化后可以利用供熱管路實現蒸汽的泄壓，控制蒸汽壓力。但是，仍需兼顧熱網壓力和流量的要求，避免供熱流量突變的問題發生。

所以，結合高壓轉低壓系統，設計了一套“兩級調壓”控制邏輯，既可實現余熱鍋爐的背壓控制要求，又保證供熱壓力穩定。所謂“兩級調壓”控制邏輯，就是利用高壓主汽供熱管道調壓閥控制閥后壓力，間接控制鍋爐背壓。同時，利用新增的高壓至低壓供熱壓力調節閥控制進入供熱管路的壓力，實現供熱壓力的穩定控制。

同時，增加低壓供熱限流量控制保護邏輯，保證供熱穩定和機組運行安全[4]。利用高壓主汽供熱管道調壓閥參與低壓供熱限流量控制，通過手動設置流量限制值和閥后壓力限制值，調節對象經PID運算和小值比較后，可計算得到高壓主汽供熱管道調壓閥最大開度，實現最大供熱流量保護，防止流量突變，邏輯見圖3.3。

為了防止啟動后期限流量后鍋爐超壓，增加余熱鍋爐超壓保護邏輯。當鍋爐高壓汽包壓力高于9.5MPa時，控制系統自動撤出限流量控制，增加了一種保護手段，保證系統安全性。

經過“兩級調壓”控制優化、低壓供熱限流量控制保護和鍋爐超壓保護，機組啟動階段的供熱流量突變問題得到較好解決，熱網穩定性得到提高，限流量控制優化前后效果見圖3.4。

4 效果檢查

通過供熱管路改造及控制邏輯優化，機組熱態啟動過程中的蒸汽升溫速度慢且容易超壓的問題得到了較好解決，機組整體啟動速度加快，電網調峰能力得到提升。

期間，熱網較好地接收了以往浪費的汽水工質，經濟效益明顯。每次啟動可實現對外低壓供熱約45噸左右。按低壓供熱價格200元/噸，除鹽水價格10元/噸，損失系數1.05計算，每次啟動增加供熱收益達8527.5元。

5 結論

在聯合循環熱電聯產機組熱態啟動過程中，通過供熱管路優化控制，取得較好的成果，總結如下：

1、機組啟動過程中，余熱鍋爐內高溫煙氣與汽水熱交換劇烈。由于汽水熱交換的物理動態特性差異較大，導致升壓較快，升溫較慢。如控制不當，存在余熱鍋爐主汽超壓風險。

2、國產聯合循環熱電聯產機組存在設計缺陷。在機組熱態啟動過程中，可利用供熱管網特點，將高壓主汽轉成低壓供熱蒸汽，加快蒸汽升溫速度，并可防止超壓。

3、優化余熱鍋爐升壓控制，通過“兩級調壓”可保證供熱管路壓力穩定，并間接實現余熱鍋爐背壓控制。利用限流控制保護，保障熱網流量穩定。

4、通過余熱鍋爐供熱管路優化改造，使主汽升溫時間縮短約12分鐘，提高機組啟動速度。并通過熱網回收蒸汽工質，每次啟動可創造收益8527.5元，經濟效益明顯。

參考文獻

[1] 田甜.燃氣電站在電網調峰中的技術經濟性研究[D].華北電力大學，2015：5.

作者簡介：胡軍，工程師，從事電廠熱控專業管理工作，浙江浙能鎮海發電有限責任公司，

浙江浙能鎮海發電有限責任公司，寧波?315200