火力發電廠機組調峰服務當天啟停運行方式優化

劉紅軍

（國能錦界能源有限責任公司，陜西 神木 719319）

在當前碳中和背景下，火電廠企業面臨新能源高效消納和電力保供的雙重壓力，在調頻、調峰、備用等逐漸成為常態化的以市場化方式提供電力輔助服務市場中，快速停機、快速并網發電，既能滿足新能源高效消納，又能保障電網快速調峰及安全運行的需求。

1 某廠火電機組設備概述

1）汽輪機

汽輪機采用上海汽輪機有限公司設計制造的亞臨界、單軸、一次中間再熱、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，是采用AIBT 技術及汽輪機整體結構設計技術進行綜合升級改造的機組。其特點是采用數字電液調節系統，操作簡便，運行安全可靠。高中壓部分采用合缸順流結構，低壓部分采用雙流反向結構。汽輪機型號為：N630-16.7/538/538，高中壓及低壓部分均為雙層缸結構。

2）DCS、DEH、TSI 及ETS

DCS 系統采用了和利時自動化有限公司的MACSV6.5.4分散控制系統，整套系統包括數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、順序控制系統（SCS）等，DEH 采用西屋公司的Emerson 進行汽輪機的復位、啟動、調速、定速、帶負荷、負荷調節及DEH 超速等功能，TSI 采用本特利3500，實現機組振動監測。ETS 為上海汽輪機配套生產，實現串軸、振動、EH 低油壓、低真空、低油壓等保護跳閘。

3）旁路系統

旁路系統設有高、低壓兩級串聯旁路系統，即由鍋爐來的新蒸汽經高壓旁路減溫、減壓后進入鍋爐再熱器，由再熱器來的再熱蒸汽經低壓旁路減溫、減壓后經三級減溫器減溫后進入熱井。高旁的容量、低旁的容量為高旁的蒸汽流量與噴水流量的和，即為鍋爐最大額定出力（BMCR）的30%。本旁路由CCI-SULZER 公司制造。

4）鍋爐

鍋爐是由上海鍋爐廠有限公司制造的亞臨界參數∏型汽包爐。它采用控制循環、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒方式，燃燒器擺動調溫，平衡通風，固態排渣，全鋼懸吊結構，緊身封閉布置的燃煤鍋爐。鍋爐鋼架為全鋼架、高強度螺栓連接，整臺鍋爐共設置18 層平臺，其中7 層剛性平臺。為便于操作，個別地方設置了局部平臺。除渣斗及空氣預熱器外，鍋爐所有重量都懸吊在爐頂鋼架上。鍋爐型號為：SG-2093/17.5-M910，配置6 臺直吹式制粉系統。

5）發電機及升壓站

發電機采用上海汽輪發電機有限公司生產的QFSN-600-2 型600MW 汽輪發電機。勵磁方式采用機端自并勵，勵磁系統為ABBUNITROL5000 靜態勵磁系統。發電機出口電壓20kV，通過主變升壓至500kV 并入系統。500kV 采用一臺半斷路器接線（即：二分之三接線）。發電機-變壓器組為單元接線接入500kV 母線。500kV 出線回路數共三回，500kV 系統為直接接地系統，變壓器的中性點直接接地。

2 機爐電相關聯鎖、保護

2.1 鍋爐設置保護

1）手動MFT。

2）主汽流量大于8%ECR（147.9t/h）且發電機已并網時，汽機跳閘。

3）其他兩臺送風機跳閘，兩臺引風機跳閘，兩臺空預器主、輔電機均跳閘，火檢冷卻風/爐膛差壓低低，汽包水位高高、低低，爐膛壓力高高、低低，全燃料喪失等保護[1]。

2.2 汽機設置保護

1）汽機跳閘——負荷大于8%時鍋爐MFT（機跳爐）。

2）振動：相鄰瓦報警值0.125mm，本瓦0.254mm。

3）低壓缸排汽溫度≥121℃。

4）發電機出口開關跳閘。

5）其他背壓高，壓比，低油壓，EH 油壓低，差脹，背壓高，DEH 裝置失電等保護。

2.3 旁路聯鎖與保護

1）當機組在運行中有下列情況之一發生時，高壓旁路自動快關。

① 高旁調閥后蒸汽溫度1 ≥330℃，且品質好。

② 高旁調閥后蒸汽溫度2 ≥330℃，且品質好。

③ 高旁噴水調節門前壓力與高旁調閥前蒸汽壓力差小于1MPa 且兩個壓力點品質好。

④ 低旁閥快關。

2）當機組在啟動或運行中有下列情況之一發生時，低旁自動快速關閉。

① 凝結水壓力小于再熱壓力0.3MPa。

② 低旁閥1 后蒸汽溫度1 ≥150℃，且品質好。

③ 低旁閥2 后蒸汽溫度1 ≥150℃，且品質好。

④ #1 排汽裝置背壓高≥35kPa。

⑤ #2 排汽裝置背壓高≥35kPa。

⑥ 熱井水位高（#1 熱井水位二取均大于1700mm，或#2 熱井水位二取均大于1700mm）。

3）旁路裝置具有下列聯動保護功能。

① 旁路噴水調節閥（或高旁噴水隔離閥）打不開，則對應旁路減壓閥關閉。

② 當低壓旁路閥快速關閉時，高旁不允許自動開、關，但可手動（遙控）快速關閉。

③ 高旁和低旁都是快關指令優先，如果有快關，則快開和正常的操作都不起作用。

2.4 發電機（發變組）設置保護

采用國電南京自動化股份有限公司的產品，由3 個柜（A、B、C）組成。保護柜A、B 分別由DGT801B、DGT801C 組成，為電氣量保護，保護柜C 為DGT801F，為非電氣量保護。

主要保護配置有差動、定子繞組匝間短路，定子接地保護、轉子接地保護、失磁保護（阻抗原理）、失步保護、頻率異常保護、過激磁保護、過負荷及過電流保護、啟停機保護、阻抗保護、誤上電保護及斷路器閃絡保護，零功率保護等[2]。

發電機逆功率保護和程跳逆功率保護，發電機啟停機保護、發電機突加電壓、斷路器閃絡保護在機組沖轉前投入，機組啟動后退出。關主汽門壓板是機組解列后退出，發電機升壓并網前投入。勵磁系統故障壓板，發電機升壓并網前投入。零功率保護在機組并網60MW 投入。

3 現在采取的機組調峰備用操作

3.1 現在普遍采用的正常停機不停爐的主要操作流程

1）停機、停爐前操作票，備用汽源，等離子，全面吹灰，水位計校對，高壓啟動油泵、交流潤滑油泵、直流潤滑油泵、頂軸油泵，檢查其轉動正常，出口壓力正常，盤車電機空試等準備工作完成及確認。

2）設定目標負荷，負荷變化率5MW/min，主汽壓力變化率0.15Mpa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，停運制粉系統匯減負荷。

3）負荷50%～60%，穩定30min，順序閥切換為單閥，提升空預器扇形板，投入等離子點火器，等離子拉弧。停運一臺電泵備用，調整蒸汽參數至滑停起始參數值：主汽壓力12MPa，主、再熱汽溫度500℃。

4）設定目標負荷30%～40%，負荷變化率不大于5MW/min，主汽壓力變化率0.15MPa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，按照滑停曲線進行降溫、降壓，降低負荷。到達30%～40%目標負荷后，穩定運行30min，切換廠用電。根據汽輪機抽汽壓力情況逐步退出高加、低加，除氧器汽源切換為輔助蒸汽，切換軸封汽源為輔助蒸汽，切換主給水為旁路方式[3]。

5）繼續按照負荷變化率不大于5MW/min，主汽壓力變化率0.15MPa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，停運制粉系統匯減負荷。負荷降低到15%時，檢查汽機低壓缸噴水自動投入，檢查汽機本體疏水打開，負荷達到10%時，穩定運行30min，投入發變組保護屏誤上電、啟停機、閃絡保護，檢查各運行參數無異常，確認機跳爐大聯鎖退出，啟動交流潤滑油泵，檢查油壓正常，關閉鍋爐側主再熱汽減溫水。

6）快速減負荷到零，調節無功到零，汽輪機手動打閘，發電機逆功率保護動作解列。

7）檢查發電機功率到零，發變組出口開關和滅磁開關跳開，定子三相電流為零，定子三相電壓為零，轉子電壓、電流為零，TV、GV、RV、IV 及各段抽汽逆止門均關閉，檢查低壓旁路自動開啟，泄壓至零后手動關閉，高壓旁路處于關閉狀態，確認機組轉速下降。

8）機組轉速降至2200r/min，查頂軸油泵運行，否則手動啟動頂軸油泵運行，頂軸油母管壓力10MPa ～13MPa。

9）機組轉速降至400rpm 以下時，確認高、低壓旁路系統退出，再熱壓力為零，關閉所有至凝汽器的疏水門，啟真空破壞閥破壞真空，轉速到零投入連續盤車。記錄惰走曲線并與典型惰走曲線相比較，記錄大軸偏心度、盤車馬達電流，傾聽機內無異音，真空到零后停止軸封供汽。

10）滑壓匯減負荷，機組有功功率接近零，汽機打閘，采用逆功率保護動作解列發電機滅磁，鍋爐MFT 或者鍋爐不滅火，開啟旁路維持備用。

3.2 此種調峰備用方式優缺點

此種停機調峰備用方式由于機組有功、無功到零，汽輪機打閘、發電機解列可以有效防止汽輪機超速，但是這種方式操作量大，并且汽輪機惰走時間內轉子經過臨界轉速共振區域，過臨界轉速時間長，影響轉子壽命。另外惰走期間，由于泊桑效應，轉子伸長，需要時刻關注差脹情況，特別是動葉進汽邊和靜葉背弧間隙，防止動靜軸向碰磨[4]。短時間停機不超過4 個小時再次啟動、沖轉，機組處于熱態及極熱態之間，沖轉參數難以控制，一般采用負溫差啟動，轉子沖轉時再次經過臨界轉速共振區域，再次影響轉子壽命損耗。假如沖轉速度控制不當，溫差、應力控制不當，嚴重情況下有可能產生轉子動靜碰磨。

4 發電機解列滅磁、鍋爐保持燃燒、汽輪機維持空轉的主要操作

4.1 汽輪機旁路切除情況

1）維持汽輪機旁路切除方式（高壓缸模式）。

2）備用汽源，等離子，全面吹灰，水位計校對，高壓啟動油泵、交流潤滑油泵、直流潤滑油泵、頂軸油泵，檢查其轉動正常，出口壓力正常，盤車電機空試等準備工作完成及確認。

3）設定目標負荷，負荷變化率5MW/min，主汽壓力變化率0.15Mpa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，停運制粉系統匯減負荷。

4）負荷50%～60%，穩定30min，順序閥切換為單閥，提升空預器扇形板，投入等離子點火器，等離子拉弧。停運一臺電泵備用，調整蒸汽參數至滑停起始參數值：主汽壓力12MPa，主、再熱汽溫度500℃。

5） 設定目標負荷30%～40%，負荷變化率不大于5MW/min，主汽壓力變化率0.15MPa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，按照滑停曲線進行降溫、降壓，降低負荷。到達30%～40%目標負荷后，穩定運行30min，切換廠用電，根據汽輪機抽汽壓力情況逐步退出高加、低加，除氧器汽源切換為輔助蒸汽，切換軸封汽源為輔助蒸汽，切換主給水為旁路方式。

6）繼續按照負荷變化率不大于5MW/min，主汽壓力變化率0.15MPa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，停運制粉系統匯減負荷，負荷降低到15%時，檢查汽機低壓缸噴水自動投入，檢查汽機本體疏水打開，負荷達到10%～15%時（避免壓比1.7 動作），穩定運行30min。

7）負荷降低到5%～10%時，運行人員聯系熱控人員強制高排通風閥開啟條件，手動開啟高排通風閥，關閉高排逆止門。

8）運行人員聯系熱控人員強制開啟高低旁。緩慢開啟低旁，開啟高旁至20%及以上（注意高旁開度最好維持20%及以上，防止高旁門芯沖刷）。保留一臺制粉系統煤量18t/h ～28t/h，用旁路來控制機組負荷緩慢降低。

9）投入發變組保護屏誤上電、啟停機、閃絡保護、退出主汽門關閉壓板，檢查各運行參數無異常，確認電跳機、機跳爐大聯鎖退出。

10）隨著機組負荷逐漸降低，逐漸關閉汽機高壓調門，直至到零。

11）在機組負荷接近到0MW 瞬間手動打閘發變組跳閘按鈕，發電機解列滅磁（解列發電機）。

12）發電機解列瞬間主要關注汽輪機轉速是否飛升。轉速飛升超過3090Rpm，OPC 超速保護未動作時，手動打閘汽輪機。

13）發電機解列后，等到汽輪機高壓調門控制汽輪機轉速穩定（3000Rpm）后，維持高、低旁運行，防止再熱器干燒。

14）最終方式為DEH 維持汽輪機3000Rpm 空轉，鍋爐維持燃燒。

15）其他操作步序依照規程執行。

此種運行方式原理：采用不帶旁路模式及高壓缸控制模式停運。不在旁路模式時汽輪機采用高壓缸調門來控制負荷，中壓調門全開不參與調節，解列后OPC 首先強制關閉高壓調門7.5s（可以設定為12s）來有效控制汽輪機不超速，然后高壓缸調門逐漸開啟來控制汽輪機轉速。操作員在DEH 上退出旁路模式，依靠關閉汽輪機閥位指令的方式來匯減負荷。

4.2 汽輪機旁路不切除情況（高、中壓聯合模式）

1）汽輪機旁路投入模式（高、中壓聯合模式）。

2）備用汽源，等離子，全面吹灰，水位計校對，高壓啟動油泵、交流潤滑油泵、直流潤滑油泵、頂軸油泵，檢查其轉動正常，出口壓力正常，盤車電機空試等準備工作完成及確認。

3）設定目標負荷，負荷變化率5MW/min，主汽壓力變化率0.15Mpa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，停運制粉系統匯減負荷。

4）負荷50%～60%，穩定30min，順序閥切換為單閥，提升空預器扇形板，投入等離子點火器，等離子拉弧。停運一臺電泵備用，調整蒸汽參數至滑停起始參數值：主汽壓力12MPa，主、再熱汽溫度500℃。

5）設定目標負荷30%～40%，負荷變化率不大于5MW/min，主汽壓力變化率0.15MPa/min，汽溫變化速率1℃/min ～1.5℃/min，按照滑停曲線進行降溫、降壓，降低負荷。到達30%～40%目標負荷后，穩定運行30min，切換廠用電。根據汽輪機抽汽壓力情況逐步退出高加、低加，除氧器汽源切換為輔助蒸汽，切換軸封汽源為輔助蒸汽，切換主給水為旁路方式。

6）在DEH 閥位指令410 時投入旁路模式，這時候負荷約200MW，采用高、中壓調門聯合調整負荷。

7）在高低旁開啟的時候，匯減負荷，停運制粉系統。在DCS 上逐漸關小閥門指令，匯減負荷到15%時，檢查汽機低壓缸噴水自動投入，檢查汽機本體疏水打開，負荷達到10 ～15%時（避免壓比1.7 動作），穩定運行30min。

8）負荷降低到5%～10%時，運行人員聯系熱控人員強制高排通風閥開啟條件，手動開啟高排通風閥，關閉高排逆止門。

9）投入發變組保護屏誤上電、啟停機、閃絡保護、退出主汽門關閉壓板，檢查各運行參數無異常，確認電跳機、機跳爐大聯鎖退出。

10）在DEH 閥位指令關閉到零，機組負荷接近到0MW，瞬間手動打閘發變組跳閘按鈕，發電機解列滅磁（解列發電機）。

11）發電機解列瞬間主要關注汽輪機轉速是否飛升。轉速飛升超過3090Rpm，OPC 超速保護未動作時，手動打閘汽輪機。

12）發電機解列后，等到DEH 控制汽輪機轉速穩定（3000Rpm）后，維持高、低旁運行，防止再熱器干燒。

13）最終方式為DEH 維持汽輪機3000Rpm 空轉，鍋爐維持燃燒。

14）其他操作步序依照規程執行。

此種運行方式原理：帶高、低壓旁路聯合模式，在高、低旁開啟情況下，汽機負荷調節采用高中壓調節汽門來控制負荷。在發電機出口開關斷開情況下，OPC 首先強制關閉高中壓調門7.5s（可以將此時間調整為12s）來有效控制汽輪機不超速，強制關閉時間到后逐漸開啟高中壓調門來維持汽輪機額定轉速。

4.3 優缺點分析

1）優點：發電機解列滅磁，鍋爐保持燃燒，汽輪機維持空轉可以快速解列機組，快速進行并網[5]。

2）在火電機組當天停、啟調峰運行在節假日已經成為常態的情況下，短時間發電機解列滅磁，鍋爐保持燃燒，汽輪機維持空轉可以減少運行人員操作，降低人員誤操作幾率，減少汽機轉子惰走和沖轉兩次經過臨界共振轉速的可能，減少汽輪機再次沖轉油水品質化驗等一些弊端，降低負溫差啟動汽輪機動靜碰磨的幾率，提高轉子的壽命。

3）提高機組快速適應電網負荷并網需求。

4）缺點是在高中壓聯合調節匯減負荷過程中，閥門指令與實際負荷可能不對應，從而造成負荷擺動。

5 結論

在短時間停機調峰輔助服務中，機組完全可以采取發電機解列滅磁，汽輪機維持3000Rpm/s 空轉，鍋爐維持燃燒的運行方式來多爭取調峰服務的收益及滿足電網快速啟動并網帶負荷的需求。