燃氣-蒸汽聯合循環機組汽輪機冷態預暖技術應用及優化

藺奕存，伍 剛，吳青云，譚祥帥，普建國，郭云飛，鞏桂亮，唐 爽，廖軍林，高景輝，孟穎琪

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.東莞深能源樟洋電力有限公司，廣東 東莞 523637）

隨著我國電力結構的發展變化，電網的峰谷差日益增大，因此電網對機組的調峰能力要求也日益嚴苛[1-2]。為了提升機組啟動運行的靈活性，可通過優化啟動方案以縮短機組的啟動時間，同時保障機組的安全性[3-4]。也可通過對機組相關系統進行改造，并修改相關控制邏輯，以使汽輪機具備快速啟動能力[5]。

由于燃氣-蒸汽聯合循環機組（簡稱“聯合循環機組”）具有啟動速度快、調峰能力強、循環效率高、排放物污染小等特點，其裝機量逐年增多，在電網中擔負著調峰的重要作用[6-7]。為了響應電網調峰的要求或由于外部天然氣供應不足等原因，導致聯合循環機組年平均利用小時數降低，機組冷態啟動次數逐漸增多[8]。由于聯合循環機組汽輪機冷態啟動過程耗時較長，極大地降低了其靈活性。針對機組快速啟動方式，學者進行了大量的相關研究。鄭李鵬等[9]通過對汽輪機轉子在不同啟動方式下的熱應力進行分析，在保障汽輪機轉子安全性的前提下優化了汽輪機啟動方式。瞿虹劍等[10]通過試驗確定合適汽輪機的在不同狀態下的暖機參數，并修改優化聯合循環機組的啟動控制邏輯，縮短了機組的啟動時間。盧士文[11]通過增加高速暖機、規定冷態時汽輪機投入軸封條件以及提高汽輪機中速暖機時燃氣輪機負荷，不僅使機組滿足快速啟動的要求，而且提高了其運行經濟性。黃慶[12]、賴曉華[13]等分別通過優化機組啟動方式，使燃氣輪機與汽輪機缸溫相匹配，達到了機組快速冷態啟動的目的。鄭彥豪[14]運用質量控制的方法，采用優化余熱鍋爐停爐保養、縮短汽水取樣表計投入時間等方法縮短了聯合循環機組冷態啟動的時間。

結合聯合循環機組實際冷態啟動過程，燃氣輪機可以快速響應并完成點火、定速及并網，但汽輪機由于金屬溫度等因素導致其不能夠快速實現定速及并網[15-16]。吳凌軒等[17]通過優化汽輪機進汽溫度，降低了汽輪機高壓轉子冷態啟動過程中的最大應力；在啟動中后期高壓轉子應力水平較低時，可通過縮短啟動時間以縮短汽輪機冷態啟動時間。馮磊等[18]針對同軸聯合循環機組，設計了汽輪機預暖系統；通過理論計算，證明該方法可提高聯合循環機組靈活性。此外，聯合循環機組冷態啟動時汽輪機暖機過程使燃氣輪機長時間低負荷運行，造成其運行效率低、排放物超標等問題的出現[19-20]。

為了實現聯合循環機組冷態下的快速啟動，增強機組運行的靈活性，降低機組排放，即要縮短或免除汽輪機的預暖過程，使其具備在燃氣輪機點火啟動后可以迅速沖轉并網帶負荷的能力。

1 預暖系統及運行方式

某電廠為了使聯合循環機組在冷態啟動時可以快速響應，縮短汽輪機啟動時間，設計并配套了聯合循環機組汽輪機預暖系統。

1.1 預暖系統

該預暖系統是利用臨機蒸汽或啟動鍋爐蒸汽，在聯合循環機組啟動之前，向汽輪機內通入暖機蒸汽對汽輪機進行預暖，以提升汽輪機金屬溫度，使汽輪機可以滿足溫態啟動條件，從而縮短機組整體啟動時間。汽輪機預暖系統如圖1所示。

圖1 汽輪機預暖系統示意Fig.1 Schematic diagram of steam turbine preheating system

預暖蒸汽管路在進入汽輪機前分為2路：一路為高壓預暖蒸汽管路，其上裝有2個氣動關斷閥；另一路為中壓預暖蒸汽管路，其上裝有1個氣動關斷閥和1個氣動關斷調節閥。暖機過程中，高壓預暖蒸汽流經高壓預暖管路后，通過汽輪機高壓缸進汽閥組進入汽輪機；乏汽通過高排逆止閥排入凝汽器，構成高壓暖機回路。中壓預暖蒸汽流經中壓預暖蒸汽管路，不經過中壓缸進汽閥組，直接進入中低壓缸做功；乏汽直接排入凝汽器，構成中壓暖機回路。

1.2 運行方式

該聯合循環機組為“一拖一”設計。燃氣輪機轉子、發電機轉子、汽輪機轉子為同軸布置，燃氣輪機轉子與發電機轉子相連。汽輪機轉子則通過自動同步（synchro-self-shifting，SSS）離合器的嚙合與其相連接。為了增大汽輪機暖機過程中的蒸汽進汽量，采用了汽輪機倒拖燃氣輪機的運行方式，以此來縮短暖機時間。

預暖前，燃氣輪機和汽輪機分別在各自的盤車轉速下運行。利用靜態變頻器（static frequency converter，SFC）將燃氣輪機轉速拖動至800 r/min后，開始向汽輪機通入預暖蒸汽，汽輪機沖轉至目標轉速800 r/min。當汽輪機轉速與燃氣輪機轉速相當時，SSS離合器自動嚙合，此時退出SFC運行，利用汽輪機轉子倒拖燃氣輪機和發電機轉子旋轉，進行汽輪機暖機。預暖啟動過程如圖2所示。

圖2 機組預暖啟動示意Fig.2 Schematic diagram of unit preheating start

2 啟動方式對比

2.1 常規冷態啟動方式

圖3為機組常規冷態啟動過程。

圖3 機組常規冷態啟動過程Fig.3 Conventional cold state start-up process of unit

由圖3可以看出，從燃氣輪機啟動至定速帶負荷大約需要30 min，說明燃氣輪機可以響應電網快速啟動并網的要求。但汽輪機則需要長時間暖機后方可沖轉定速，這是由于汽輪機金屬溫度低的原因所致。此外，由于汽輪機中低壓轉子直徑較大，為了保證中低壓轉子可以暖透，從而減少沖轉過程中轉子的熱應力影響，汽輪機暖機時間需要根據實際中低壓轉子中心溫度值進行函數計算而確定。由圖3可知，從燃氣輪機點火啟動到汽輪機沖轉定速大約需要4～5 h。

進一步地，由于汽輪機金屬溫度的限制，為了避免機組升負荷過快而導致汽輪機轉子與汽缸間發生動靜碰磨的風險，機組在聯合循環過程中升負荷速率同樣受到極大的限制。由圖3可知，該聯合循環機組從燃氣輪機啟動到機組聯合循環帶高負荷所需時間大約為7～8 h，極大降低了機組的靈活性，造成了較大的經濟與能源損失。

2.2 汽輪機預暖系統投入的機組冷態啟動

2.2.1 汽輪機預暖系統投入

在機組冷態啟動中，為了減少機組的啟動時間，利用啟動鍋爐蒸汽對汽輪機進行預暖，以提升汽輪機金屬溫度，使汽輪機可以滿足溫態啟動的要求。圖4—圖5曲線記錄了汽輪機冷態預暖過程中各參數的變化情況。

圖4 預暖過程中溫度及脹差變化趨勢Fig.4 Variation trends of temperature and expansion difference during preheating

圖5 汽輪機冷態預暖過程參數曲線Fig.5 Change curves of parameters of steam turbine during cold state preheating process

由圖4可以看出，高壓轉子中心溫度較中低壓轉子中心溫度升高較快且升溫速率明顯，這一差異是由于中低壓轉子直徑較大引起的。結合汽輪機冷態自啟動程序，暖機過程以暖透中低壓轉子為目標，即中低壓轉子溫度超過200 ℃為結束節點，該條件可使汽輪機無需中速暖機即可直接沖轉定速的要求。

脹差反映了汽輪機轉子與汽缸之間的相對膨脹。由于汽輪機轉子的表面傳熱系數大于汽缸，因此汽輪機轉子比汽缸先受熱膨脹。由圖4可以看出，在暖機過程中，高壓缸脹差先升后降，說明了高壓轉子已得到了較好的預暖，高壓汽缸開始受熱膨脹。隨著預暖時間的增長，中低壓轉子中心溫度緩慢上升，中低壓缸脹差增大，說明預暖蒸汽的熱量用于加熱中低壓轉子，使得轉子膨脹量大于中低壓缸的膨脹量。此外，由圖4還可以看出，中低壓轉子中心溫度仍有上升趨勢，而中低壓缸脹差增長速率放緩。

由圖5可以看出：當汽輪機與燃氣輪機轉速相當后，SSS離合器嚙合，燃氣輪機、汽輪機轉速相同；SSS離合器嚙合后，SFC立即退出運行；SFC退出后，機組轉速明顯下降，由800 r/min最低下降至534 r/min，而后又逐漸回升至660 r/min左右。

2.2.2 汽輪機預暖后的機組啟動

在對汽輪機進行預暖后，對機組進行了聯合啟動。啟動過程曲線如圖6所示。

圖6 預暖后機組啟動過程Fig.6 Starting process of the unit after preheating

由圖6可以看出，在對汽輪機進行冷態預暖后，機組聯合循環啟動過程中，汽輪機無需進行暖機可直接升至額定轉速。這使得機組聯合啟動時間大幅縮減，從燃氣輪機點火沖轉至汽輪機定速3 000 r/min，啟動過程大約需要80 min，較純冷態啟動縮短了2～3 h。

除此之外，在機組并網帶負荷過程中，由于汽輪機的轉子和汽缸得到了充分的預暖，因此機組帶負荷過程所需時間也大幅縮減。預暖后，機組聯合啟動帶負荷至280 MW所需時間約為3 h，較冷態啟動過程縮短了4～5 h。

汽輪機冷態預暖結束后，在機組聯合循環啟動過程中，汽輪機汽缸缸溫相對汽輪機轉子溫度較低。因此，在機組聯合循環啟動過程中，汽輪機中壓轉子溫度較暖機結束時略微下降（圖6）。這是由于汽輪機轉子的熱量在盤車過程中向汽缸傳遞所致。

3 預暖過程問題及優化

在利用啟動鍋爐蒸汽對汽輪機進行冷態預暖時，當SSS離合器嚙合后，SFC退出運行，機組轉速有較大幅度的下降。因此，有必要對造成轉速下降的原因進行分析，以優化預暖過程，從而避免此類現象的發生。

預暖蒸汽參數變化趨勢如圖7所示。根據汽輪機預暖系統設計要求，預暖蒸汽流量需為20～22 t/h，壓力參數為1.2～3.0 MPa。該廠單臺啟動鍋爐最大流量為15 t/h，2臺同時啟動可滿足蒸汽流量的要求。啟動鍋爐的啟停均根據預設啟動壓力實現。

圖7 預暖蒸汽參數變化趨勢Fig.7 Change trends of preheating steam parameters

由圖7可以看出：在汽輪機沖轉前，2臺啟動鍋爐的蒸汽流量之和約為10 t/h，預暖蒸汽壓力約為1.1 MPa；汽輪機沖轉時，預暖蒸汽壓力降低的同時，蒸汽流量仍低于設計要求，導致了機組轉速的快速降低。由于啟動鍋爐根據預設壓力啟動后蓄熱仍需要一定的時間，在自啟動過程中仍具有一定的滯后性；隨后通過快速調整啟動鍋爐運行工況，提升預暖蒸汽參數，使機組轉速得以逐漸回升。另外，由于蒸汽參數降低，為了維持機組轉速，高壓進汽調節閥及中壓氣動關斷調節閥全開，減少了中低壓缸的進汽量，同時也減小了中低壓缸的預暖效果。

進一步地，為了防止該現象的發生，對預暖過程進行了相關優化。首先，在汽輪機沖轉前，將啟動鍋爐蒸汽壓力及流量逐漸提升至設計值，以保證蒸汽參數滿足預暖要求。其次，當SSS離合器嚙合后，SFC延遲5 min退出運行。這一過程中，根據暖機蒸汽參數調整啟動鍋爐的運行狀態。優化后啟動過程中各參數的變化趨勢如圖8所示。最后，在預暖過程中，通過限制高壓缸進汽調節閥閥位的方式，使高壓缸進汽調節閥關小，以開大中壓暖機回路中氣動關斷調節閥的開度，從而增加中低壓缸的進汽量，進而使中低壓轉子及缸體得到充分的預暖，提高暖機效率。

圖8 優化后啟動過程曲線Fig.8 Start-up process curves after optimization

由圖8可以看出：在汽輪機沖轉前，提升預暖蒸汽壓力和流量分別至1.26 MPa和20 t/h；汽輪機沖轉過程中，預暖蒸汽壓力下降至0.9 MPa；SSS離合器嚙合后，隨之提升預暖蒸汽流量，增加2臺啟動鍋爐出力滿負荷，但預暖蒸汽壓力仍得不到有效的提升。但借助SFC的拖動作用，機組的轉速維持不變。SFC退出后，機組轉速逐漸開始下降，但其下降速率緩慢，最終機組轉速基本穩定在625 r/min。此外，通過調整高壓進汽調節閥最大閥限為40%，不僅可以維持機組轉速的穩定，同時也保證了中低壓缸的預暖蒸汽量。

4 經濟性計算

汽輪機冷態預暖是為了在機組冷態啟動過程中省去汽輪機中速暖機過程，以達到機組快速啟動的目的。因此，僅對機組汽輪機暖機階段的經濟性進行分析計算[21]。

機組正常冷態啟動過程中，從燃氣輪機點火啟動至汽輪機定速約耗時4.5 h。這一過程中燃氣輪機共消耗燃氣約為93 690 m3。汽輪機冷態預暖過程大約耗時2.5 h。根據啟動鍋爐燃氣累計測點可得消耗燃氣約為1 972 m3。兩者暖機時間相差約為2 h，消耗燃氣相差91 715 m3。按照當前燃氣售價3元/m3計算，單次冷機預暖即可節省27.514 5萬元。按照機組每年平均6次冷態啟動計算，每年可節省165.087萬元。

5 結 論

1）利用汽輪機預暖系統可以有效地縮短聯合循環機組冷態啟動時間，使機組啟動更具靈活性，以達到快速響應電網快速調峰的要求。

2）預暖期間，在汽輪機沖轉前，提高預暖蒸汽參數，可防止SFC退出后汽源壓力、流量參數的不足而導致機組轉速下降過快的現象出現。

3）自機組冷態整套啟動開始到汽輪機定速，汽輪機預暖系統的投入，可有效縮短啟動時間約2～3 h，提高機組的經濟性。

4）針對預暖過程中機組轉速無法維持目標暖機轉速的問題，可通過將啟動鍋爐進行擴容或通過臨機輔助蒸汽進行機組冷態預暖來解決。