660 MW超超臨界汽輪機組中壓缸冷態啟動過程優化

宗緒東，葛凌峰，馮普鋒，袁 晨，李 沖

（1.華電國際技術服務分公司，山東 濟南 250014；2.華電國際十里泉發電廠，山東 棗莊 277103）

0 引言

某發電廠8 號、9 號機組為660 MW 高效超超臨界抽凝供熱機組，型號為C660/612-28/0.5/600/620，配置30%汽輪機最大連續功率（Turbine Maximum Continous Rating，TMCR）高、低壓旁路。機組具有中壓缸啟動和高、中壓缸聯合啟動模式，推薦采用中壓缸啟動。汽輪機的啟動是汽輪機狀態變化最為劇烈的工況，合理選擇啟動方式，使汽輪機在合理的壽命損耗范圍內實現安全、經濟、快速地啟動，已成為當今大容量汽輪機啟動技術的重要研究課題［1］。中壓缸啟動相對于高壓缸啟動、高中壓缸聯合啟動，操作風險大，如果操作不當，會出現很多影響機組安全的問題。文獻［2-6］針對國內東汽引進日立技術生產600 MW 等級亞臨界、超臨界汽輪機組中壓缸啟動進行了優化研究，對于更高參數的超超臨界汽輪機組，中壓缸啟動過程面臨的問題更加突出。

1 660 MW超超臨界機組中壓缸冷態啟動方式及存在問題

1.1 中壓缸冷態啟動方式及過程

機組汽輪機轉速及負荷調節由汽輪機數字電液控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）控制，高、低壓旁路減壓閥調節由分散式控制系統（Distributed Control System，DCS）控制。機組冷態中壓缸啟動主要分高壓缸盤車預暖、中壓缸沖轉及高壓缸正暖、并列帶負荷切缸3 個過程，冷態啟動從高壓缸預暖至帶額定負荷需要16.2 h，系統流程及冷態啟動曲線如圖1、圖2所示。

圖1 660 MW超超臨界機組系統流程

圖2 660 MW超超臨界機組冷態啟動曲線

高壓缸盤車預暖。鍋爐點火、高壓旁路投入后，檢查高壓缸各抽汽電動閥、逆止門、高壓排汽逆止門關閉，高壓排汽逆止門前、后及高壓導汽管自動疏水閥及隔離門開啟，開啟高壓缸倒暖調節閥，關閉高壓排汽通風閥。通過手動調節倒暖調節閥開度，控制進入高壓缸的加熱蒸汽量，將高壓內缸下壁溫度加熱到150 ℃后進行悶缸。

中壓缸沖轉及高壓缸正暖。掛閘后，高中壓主汽門、高壓排汽通風閥開啟，高壓調速汽門、高壓排汽逆止門關閉，由中壓調速汽門控制沖轉升速至500 r/min 后進行摩擦檢查；摩擦檢查結束后，中壓調速汽門控制繼續升速，手動控制高壓調速汽門開度進行高壓缸正暖，至1 500 r/min 進行中速暖機；繼續升速至2 500 r/min 進行高速暖機，然后升速至3 000 r/min暖機。

并列帶負荷切缸。機組并網帶初負荷后，正暖自動切除，高壓調速汽門關閉。負荷60 MW，檢查高、中壓缸第一級金屬溫度達320 ℃及以上，中壓調速汽門全開，進行高中壓缸切換操作。點“切缸”按鈕后，高壓調速汽門逐漸開大，手動控制高、低旁減壓閥開度。當高壓排汽逆止門打開后高壓排汽通風閥關閉，由中壓調速汽門進汽切換為高、中壓調速汽門共同進汽，負荷由高壓調速汽門控制，逐漸帶負荷至參數額定。

1.2 超超臨界機組中壓缸冷態啟動存在問題及原因分析

高壓缸盤車預暖時間長、高壓缸加熱不均勻。8號、9 號機組采用高壓旁路減壓后蒸汽作為預暖汽源，高壓缸預暖必須等到鍋爐點火后、再熱冷段蒸汽參數滿足后才能進行。從鍋爐點火到再熱蒸汽冷段滿足高壓缸預暖條件時間至少需要5 h；而高壓缸預暖的時間大約需要5～6 h。因此，高壓缸預暖結束后汽輪機再啟動，啟動時間必然延長5 h。主要原因是8 號、9 號機組高壓缸預暖汽源選擇不合理以及高壓缸預暖調節門采用手動操作且啟動初期主再熱蒸汽溫度難以控制等因素所致。

高中壓缸切換時汽輪機發生水沖擊。進行高中壓缸切換時，如果高壓缸金屬溫度與主蒸汽溫度偏差大，會引起水沖擊，造成汽輪機振動或設備損壞。2018 年11 月7 日9 號機組大修后啟動，機組并網后切缸過程中高壓缸排汽管道發生強烈振動，造成二抽管道一疏水管斷裂，機側冷段管道膨脹指示器變形，剛性吊架管卡背帽松脫；機側13.7 m 層冷段西側管道被撞扁，機組被迫停機消缺。經分析，沖轉高壓缸正暖，高壓調速汽門操作由運行人員手動控制，高壓調速汽門開度不合理（僅開啟5%），高壓缸正暖不充分，造成高壓缸金屬溫度偏低；切缸時高壓調速汽門迅速開大，由于高壓缸金屬溫度遠低于主蒸汽溫度，產生大量的疏水，從而引發水沖擊。

高中壓缸切換時高壓排汽逆止門頻繁開關、振動大。高中壓缸切換時不能投入自動，冷態啟動切缸過程中高壓排汽逆止門處頻繁振動且聲音異常。主要原因：切缸指令發出后，開高壓調速汽門、高壓排汽逆止門指令1 min執行完畢。由于高、低旁減壓閥為手動操作，受運行操作水平的限制，很難匹配到位。指令執行完畢后，高壓排汽逆止門仍處于關閉狀態，該過程稱之為“假切缸”。手動操作易造成高壓排汽壓力與高壓旁路后壓差在正、負值之間波動，高壓排汽逆止門頻繁開關、振動增大，長時間運行會造成高壓排汽逆止門損壞。

高中壓缸切換時高壓排汽溫度超限甚至保護動作。進行高中壓缸切換時，如果操作不當會造成高壓排汽溫度超限，嚴重時高壓排汽溫度高保護動作、機組跳閘，曾有某660 MW 超臨界機組發生過上述事件［7］。這是由于高壓調速汽門開啟及高低旁減壓閥操作不匹配，高壓排汽逆止門打不開，高壓缸摩擦鼓風損失增加，無法被蒸汽帶走，造成高壓排汽溫度超限。

高中壓缸切換時負荷大幅度波動甚至逆功率保護動作。進行高中壓缸切換時，如果操作不當會造成機組負荷將大幅度波動，甚至導致機組逆功率保護動作、機組跳閘，曾有某660 MW 超臨界機組發生過上述事件［8］。主要原因是切缸高壓排汽逆止門開啟后，高壓排汽通風閥未及時關閉；高壓調速汽門開啟速度與高壓旁路減壓閥關閉速度不匹配造成的。

2 超超臨界機組中壓缸啟動優化方案及實施效果

2.1 高壓缸盤車預暖汽源改造及控制邏輯優化

2.1.1 高壓缸盤車預暖汽源改造

8 號、9 號機組輔汽聯箱通過母管連接，輔汽聯箱汽源穩定，其工作壓力為0.5～1.2 MPa，溫度為320～370 ℃，供汽壓力、溫度相對穩定。增加一路輔汽聯箱預暖汽源：從輔汽聯箱備用接口引一路管道接至高壓缸預暖調節電動門前管道并增加一個手動、電動隔離門、逆止門，在隔離門前后增加疏水手動門、氣動門；將原再熱蒸汽冷段至高壓缸倒暖電動門增加一個手動門、電動門作為高壓缸預暖備用汽源；高壓排汽逆止門前、后增加疏水管道、閥門，改造方案如圖3所示（紅色為增加部分）。

圖3 660 MW超超臨界機組高壓缸預暖汽源改造

2.1.2 高壓缸盤車預暖邏輯優化

在DCS 中修改組態，實現高壓缸盤車預暖自動控制，保障預暖時高壓缸金屬溫度平穩上升，各項參數在規程允許范圍。

設計預暖允許邏輯，并在畫面顯示是否允許進行預暖。當判斷高壓排汽逆止門處于關閉狀態，再熱器（高壓旁路后）壓力≥0.3 MPa，方可投入。

將倒暖電動調節閥手動手操器改為自動控制手操器，并能設定高壓缸內上壁第一級金屬溫升速率設定值。

在DCS 畫面點擊預暖按鈕后進入預暖狀態，只有在預暖狀態才可操作暖管電動調節閥。

實時計算高壓內缸第一級金屬溫升率、高壓內缸內壁上下溫差、高壓內缸外壁上下溫差、外缸內壁上下溫差，并在畫面顯示；自動控制高壓內缸第一級金屬溫升率≤1 ℃，高壓內缸內壁上下溫差、內缸外壁上下溫差≤30 ℃，高壓外缸內壁上下溫差≤40 ℃。

實時計算高壓排汽逆止門前、后壓差并在畫面顯示，自動控制前、后壓差始終為負值，高壓排汽壓力應始終＜0.7 MPa。

將高壓內缸第一級金屬溫度預暖目標值由150 ℃改為180 ℃，盤車預暖時當目標值達到，自動關閉倒暖調節門。

2.2 沖轉中高壓缸正暖控制邏輯優化

原規程規定沖轉中速暖機結束后高中壓缸金屬溫度應≥320 ℃，由于在中速暖機結束前高、中壓缸進汽流量偏低，該目標難以實現，且造成暖機時間延長。因此在DEH 中修改組態，實現中壓缸沖轉、高壓缸正暖自動控制，以機組全速暖機結束后，高、中壓內缸第一級金屬溫度≥320 ℃為控制目標。

設置閉鎖保護邏輯，所有條件滿足后方可投入正暖，在DEH 畫面點擊“正暖”按鈕后進入正暖自動控制狀態，自動控制高壓調速汽門開度。

大小修后或長時間停機備用冷態啟動（高、中壓缸第一級金屬溫度＜150 ℃），沖轉時高、中壓缸溫差較大（高壓缸預暖后達到180 ℃），在沖轉至中速暖機結束前，應自動控制高、中壓調門開度（中調門開度大），保證中速暖機后高、中壓缸內上壁金屬溫差＜20 ℃；中速暖機升速至全速暖機結束，自動控制高、中壓高調門開度。

沖轉前高、中壓缸第一級金屬溫度在150～320 ℃之間，沖轉時應自動控制高、中壓調門開度，高、中壓調門開度相差不大。

沖轉過程中，實時計算高壓內缸第一級金屬溫升率、高壓內缸內壁上下溫差、高壓內缸外壁上下溫差、高壓外缸內壁上下壁溫差，并在DEH畫面顯示；自動控制高、中壓缸第一級內壁金屬溫升率≤1.5 ℃/min，高壓內缸內壁上下溫差、內缸外壁上下溫差≤30 ℃，高壓外缸內壁上下溫差≤40 ℃。

2.3 并列帶負荷后高中壓缸控制邏輯優化

切缸過程操作原則為迅速使全部高壓旁路蒸汽切換至高壓缸，同時避免高壓缸出現悶缸運行，整個操作過程控制在2 min 內［9］。在DEH、DCS 中修改組態，高中壓缸切換時高壓調速汽門、高低旁減壓閥實現自動控制并合理匹配，保證缸切換平穩進行。

點“切缸”按鈕后切換到閥位控制模式，自動設置高調門閥位到預設值，自動控制高調門開啟速率，保證各金屬溫升率、高壓排汽溫度不超限。此時高壓旁路減壓閥應自動關小穩定主汽壓力。在進行汽輪機進汽方式切換過程中，自動開大低旁減壓閥控制再熱蒸汽壓力，由沖轉時的1.1 MPa 降至0.5 MPa左右，保證高壓排汽逆止門的順利打開［10］。

當總閥位指令達到預設值后，此時高壓排汽逆止門前壓力大于高壓旁路后壓力，判斷高壓排汽逆止門打開，聯動關閉高壓排汽通風閥，此時高壓排汽溫度應下降。

切缸時從高調門開啟至高壓排汽逆止門打開，整個過程時間應控制≤2 min。

升負荷過程中，高、低壓旁路減壓閥在自動方式下逐漸關小，維持主、再熱蒸汽壓力穩定，保證負荷穩步上升。

負荷99 MW，低旁減壓閥自動全關，繼續關閉高壓旁路減壓閥，在高壓旁路減壓閥全關后，切缸轉換升負荷結束。

2.4 機組優化改造實施效果

2020 年10 月，對9 號機組高壓缸預暖汽源進行了改造，對預暖邏輯、沖轉及正暖邏輯、切缸邏輯進行了優化，冷態啟動，預暖、正暖、切缸各環節均順利進行，整個啟動過程平穩、順暢，未出現異常問題。

本次啟動縮短鍋爐點火到汽輪機沖轉時間5 h，機組啟動初期廠用電平均2.5 萬kW，共節約廠用電12.5萬kWh，節約成本5.25萬元。

正暖、切缸邏輯優化后，縮短低負荷暖機2 h，節約標煤400 t，標煤單價800元/t，節約成本32萬元。

機組啟動初期每小時節約除鹽水300 t，啟動過程節約除鹽水1 500 t，除鹽水6 元/t，節約成本1.05萬元。

本次啟動機組提前并網5 h，機組并網后負荷按照300 MW 計算，可以多發電150 萬kWh，按0.05元/kWh利潤計算，產生7.5萬元的經濟效益。

綜合計算，經優化改造后單次冷態啟動經濟效益提高約45.8萬元。

3 結語

通過對660 MW 超超臨界汽輪機組中壓缸冷態啟動過程中經常可能出現的高壓缸盤車預暖時間長、高壓缸加熱不均勻、高中壓缸切換時汽輪機發生水沖擊、高中壓缸切換時高壓排汽逆止門頻繁開關、振動大、高壓排汽溫度超限甚至保護動作以及負荷大幅度波動甚至逆功率保護動作等影響機組安全性、經濟性的異常問題進行分析，提出針對性優化改造方案并實施，問題得到圓滿解決，該方案在國內同類型機組有較大的推廣應用價值。