基于兩班制模式下的9F燃機機組啟動鍋爐運行方式優化研究

廣東粵華發電有限責任公司 李民浩

1 啟動鍋爐運行方式及優化的必要性

某電廠規劃建設4×390MW 級改進型（F級改進型）燃氣蒸汽聯合循環機組，首期已投產2×453MW 級改進型燃氣—蒸汽聯合循環機組。每臺機組設置一套輔助蒸汽聯箱，輔助蒸汽聯箱汽源有三種，分別為啟動鍋爐、機組冷再熱蒸汽及鄰機的輔助蒸汽聯箱。在一臺機組停運、另一臺機組兩班制運行的情況下，啟動鍋爐、機組冷再熱蒸汽可作為輔助蒸汽聯箱的汽源。

從經濟性的角度考慮，一般選擇機組冷再熱蒸汽作為輔助蒸汽聯箱的汽源。但由于該電廠燃機在啟動過程中清吹時間較長，高壓主蒸汽在清吹過程中溫降較大，無法完全滿足輔助蒸汽聯箱供軸封蒸汽的參數要求。因此該電廠在一臺機組停運、另一臺機組兩班制運行的情況下，機組啟動蒸汽的來源為啟動鍋爐，啟動鍋爐蒸汽通過廠用輔助蒸汽母管進入機組輔助蒸汽聯箱。該電廠啟動鍋爐額定蒸發量為15t/h，額定蒸汽壓力為1.3MPa，額定蒸汽溫度為310℃，額定耗氣量為1200Nm3/h。

關于啟動鍋爐的論文和文章并不多見，韓宏誠[1]討論如何在每天日開夜停的燃氣機組啟動過程中減少啟動鍋爐運行時間，在中壓汽包啟壓后，利用中壓蒸汽代替啟動鍋爐蒸汽實現縮短啟動鍋爐運行時間目的；全炳文[2]對350MW 超臨界機組冷態啟動各階段用汽情況進行分析，優化啟動期間用汽方式，為新建機組啟動爐容量選擇及合理分配輔汽提供經驗；馬悅[3]分析了F 級聯合循環機組不設置啟動鍋爐的可行性；楊學峰[4]分析某9F 級燃氣-蒸汽聯合循環機組在冷態啟動調試過程出現的軸封供汽溫度上升過慢而導致軸封蒸汽系統無法投運的原因，并提出解決方法。

李茂[5]分析某啟動鍋爐低負荷下燃燒器出力過大、各級受熱面吸熱量不匹配為蒸汽超溫的主要原因,提出了包含燃燒器、減溫水、爐膛煙道改造及爐內燃燒調整的綜合方案；魏麗蓉[6]介紹某電廠2X600MW 機組啟動鍋爐調試過程中出現的問題并進行詳細的分析；游友榮[7]分析了啟動鍋爐汽水取樣的水樣溫度高的原因并提出技改建議；馬兆東[8]針對啟動鍋爐燃燒器的常見故障現象,剖析燃燒器順序控制器的工作原理和順控步序，逐一檢查排除燃燒器不能正常啟動的各種原因并予以解決。

在兩班制運行的情況下機組的啟動狀態為熱態，該電廠機組熱態下平均啟動成本約為1.50萬元，啟動鍋爐運行成本約0.50萬元、占總啟動成本的33.33%，因此啟動鍋爐是機組啟動的重要設備，密切地影響機組啟動的可靠性和經濟性。現階段啟動鍋爐運行方式存在以下兩點不足，需要對運行方式進行優化：

暖爐時間過長。啟動鍋爐根據其狀態的不同啟動時暖爐時間有所不同，具體邏輯如下:若爐膛溫度＜50℃，啟動鍋爐為冷態，點火后暖爐3600s；若50℃＜爐膛溫度＜150℃，啟動鍋爐為溫態，點火后暖爐1200s；若爐膛溫度＞150℃，啟動鍋爐為熱態，點火后暖爐240s。而在機組兩班制運行的情況下，啟動鍋爐在汽機并網且輔助蒸汽聯箱汽源由啟動鍋爐蒸汽切換至冷再熱蒸汽后停運，在次日計劃抽真空時間前2個小時啟動，停爐時間不超過20個小時。但啟動鍋爐每次啟動時均為溫態，導致暖爐時間過長。

暖管時間過長。該電廠熱態下啟動軸封溫度需大于250℃，考慮到蒸汽從輔助蒸汽聯箱供至軸封聯箱過程中的熱量損失及減壓導致的溫降，以及保證機組設備安全的余量，輔助蒸汽聯箱的溫度要求為280℃。而啟動鍋爐的蒸汽溫度為310℃，與輔助蒸汽聯箱的溫度要求相差較小，再加上廠用輔助蒸汽母管至機組輔助蒸汽聯箱管道較長，導致暖管時間過長。

2 運行方式優化的措施

2.1 熱工邏輯優化

經研究分析，該電廠啟動鍋爐保溫良好，停爐時間不超過20小時的情況下不會從熱態轉變為溫態。每次啟動時均為溫態的原因，是啟動鍋爐的熱工邏輯存在不足。啟動鍋爐的啟動過程如下：收到DCS發起的啟動令后進行啟動前試驗，試驗通過后啟動送風機清吹150s，然后啟動鍋爐點火。熱工邏輯中以點火瞬間的爐膛溫度作為啟動鍋爐狀態的判斷條件，而啟動鍋爐爐膛溫度在點火前的清吹過程中迅速從150℃以上降至50～150℃，因此熱工邏輯判斷啟動鍋爐為溫態。這是由于清吹導致爐膛溫度暫時性的下降，啟動鍋爐的汽包蓄熱量并沒有明顯變化，停止清吹后爐膛溫度會逐漸升高至150℃以上，啟動鍋爐的實際狀態為熱態。因此，啟動鍋爐的熱工邏輯存在優化空間，可通過將啟動鍋爐狀態的判斷條件由點火瞬間的爐膛溫度修改為發啟動令瞬間的爐膛溫度，更為準確地判斷啟動鍋爐的狀態。

在一臺機組停運、另一臺機組兩班制運行的情況下，啟動鍋爐的暖爐時間從溫態的1200s 縮短為熱態的240s，暖爐時間縮短960s。啟動鍋爐暖爐過程中維持最低負荷，耗氣量為200Nm3/h，每次啟動可節約53Nm3。

2.2 提高啟動鍋爐出口蒸汽溫度

啟動鍋爐出口蒸汽通過廠用輔助蒸汽母管進入機組輔助蒸汽聯箱，啟動鍋爐出口蒸汽管道及廠用輔助蒸汽母管至機組輔助蒸汽聯箱溫度要求為330℃以下，在保證不損壞設備和管道的情況下，可將啟動鍋爐的出口蒸汽溫度從310℃提高至320℃，提高與輔助蒸汽聯箱溫度要求280℃之差，縮短暖管時間。

2.3 加大暖管蒸汽流量

該電廠啟動鍋爐至機組輔助蒸汽聯箱暖管階段，廠用輔助蒸汽母管通過打開廠用輔助蒸汽母管沿線疏水閥進行暖管，機組輔助蒸汽聯箱通過機組輔助蒸汽聯箱疏水閥進行暖管。廠用輔助蒸汽母管沿線疏水閥有多個，因此暖管速度較快，而機組輔助蒸汽聯箱只通過一個疏水閥進行暖管，蒸汽流量較小，暖管速度較慢，嚴重影響啟動鍋爐至機組輔助蒸汽聯箱管道的暖管速度。因此，加大暖管蒸汽流量是縮短暖管時間的重要措施。

該電廠廠用輔助蒸汽母管除供機組輔助蒸汽聯箱外，還供余熱鍋爐高壓蒸發器加熱以及低壓汽包除氧頭。在暖管過程中，除將廠用輔助蒸汽母管和機組輔助蒸汽聯箱的疏水閥打開外，還可打開輔助蒸汽供余熱鍋爐電動閥、低壓汽包除氧頭排空電動閥，極大地增加了暖管蒸汽的流量，將暖管時間縮短近一倍。若通過打開輔助蒸汽供余熱鍋爐電動閥、低壓汽包除氧頭排空電動閥進行暖管，需關注低壓汽包壓力及上下壁溫差。根據汽包壓力適當打開低壓過熱器排空電動閥，防止低壓汽包超壓，同時降低啟動鍋爐暖管蒸汽與低壓汽包的壓差，加大暖管蒸汽流量。根據低壓汽包上下壁溫差，適當微開低壓汽包給水調節閥，防止低壓汽包上下壁溫差過大、損壞設備。

2.4 操作優化

啟動鍋爐熱工邏輯經過優化后，在正常情況下可準確判斷啟動鍋爐的狀態，但在異常情況如啟動前清吹后啟動鍋爐點火失敗，故障處理完畢后需再次發啟動令，此時由于第一次清吹爐膛溫度下降至50～150℃，若此時立刻再次發啟動令熱工邏輯依然會誤判斷啟動鍋爐處于溫態。此時，在時間允許的情況下可等待爐膛溫度重新升高至150℃以上，熱工邏輯判斷啟動鍋爐為熱態再重新發啟動令。

3 運行方式優化的經濟性

該電廠通過多方面采取措施，取得良好效果。優化啟動鍋爐的運行方式，在一臺機停運、另一臺機兩班制運行的情況下，啟動鍋爐的運行時間從3小時縮短至1小時40分鐘，其中暖爐時間從20分鐘縮短至4分鐘，暖管時間從90分鐘縮短至30分鐘，耗氣量從2000Nm3降低至1500Nm3。機組熱態下啟動鍋爐運行成本從0.50萬元降低至0.30萬元，下降幅度達到40%。按照每年機組200次兩班制啟停計算，每年節省啟動成本40萬元。

綜上，在電力改革的浪潮中，在電力峰谷相差較大的廣東電力市場，廣東的燃氣—蒸汽聯合循環機組大部分被用于調峰運行，肩負著電網安全調峰調頻的重要作用。基于兩班制運行模式下的9F 燃機聯合循環機組，做好啟停經濟性分析，降低啟動成本，是電廠生產經營工作的重要基礎。