牛火平

摘 要：三菱M701F4燃機(jī)-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在運(yùn)行中長期日開夜停，通過運(yùn)行人員不斷摸索和總結(jié)，將燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)間由啟動(dòng)曲線的115 min縮短為75 min，不僅提高了運(yùn)行人員的操作技能，同時(shí)也為公司創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?蒸汽機(jī)組；熱態(tài)啟動(dòng)；啟動(dòng)速度；燃機(jī)優(yōu)化

中圖分類號：TM611.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.073

中海油珠海天然氣發(fā)電有限公司機(jī)組由東方汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)三菱技術(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)17級、透平4級、20個(gè)干式低NOx燃燒器組成，壓比18，透平進(jìn)口溫度1 427 ℃，排氣溫度608 ℃，蒸汽輪機(jī)LCC-145-10.9/2.3/1.3/566/566型（合缸）是東方吸收國內(nèi)技術(shù)制造的最新優(yōu)化機(jī)型，為三壓、一次中間再熱，雙缸雙排汽，雙抽凝汽式聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)，余熱鍋爐BHDB-M701F4-Q1為三壓、再熱、自然循環(huán)，由東方日立鍋爐有限公司生產(chǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的型號為QFR-320-2，額定出力為336.6 MW。蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)的型號為QF-150-2-15.75，額定出力為150 MW，聯(lián)合循環(huán)效率59.2%.

機(jī)組自投產(chǎn)以來，已進(jìn)行熱態(tài)啟動(dòng)50多次，按照東方所提供的啟動(dòng)曲線，整個(gè)熱態(tài)啟動(dòng)完成時(shí)間大約115 min。對于這種啟動(dòng)方式，時(shí)間明顯偏長，不僅不能很好地滿足電網(wǎng)的調(diào)峰要求，而且浪費(fèi)更多的天然氣。

本文通過分析造成熱態(tài)啟機(jī)時(shí)間過長的原因，并針對其進(jìn)行逐一分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以縮短熱態(tài)啟機(jī)的時(shí)間，從而提高公司經(jīng)濟(jì)效益。

1 三菱設(shè)計(jì)層面優(yōu)化燃機(jī)啟動(dòng)速度分析

1.1 縮短燃機(jī)清吹時(shí)間

在燃機(jī)啟動(dòng)過程中，由SFC來拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，達(dá)到清吹轉(zhuǎn)速時(shí)，對殘留或漏入排氣通道以及鍋爐爐膛內(nèi)的可燃?xì)怏w進(jìn)行吹掃，以防止發(fā)生爆燃。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于500 rpm/min開始計(jì)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至700 rpm/min，維持此轉(zhuǎn)速持續(xù)清吹。

原設(shè)計(jì)：高速模式下清吹時(shí)間為550 s，低速模式下清吹時(shí)間為80 s。

現(xiàn)設(shè)計(jì)：高速模式下清吹時(shí)間為400 s，低速模式下清吹時(shí)間為80 s。

通過優(yōu)化不難看出，燃機(jī)清吹時(shí)間縮短了近150 s，加快了燃機(jī)啟動(dòng)速度。

1.2 提高天然氣溫度

對于干式低NOx燃燒型的燃機(jī)，為了維持燃燒穩(wěn)定，要求保持或控制當(dāng)量韋伯指數(shù)的變化，將其控制在±5%范圍內(nèi)。韋伯指數(shù)發(fā)生變化，當(dāng)量燃空比也跟著變化。在燃料熱值和密度發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)天然氣溫度，設(shè)法保持當(dāng)量韋伯指數(shù)基本不變，維持各工況下機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定和高效率。要加快燃機(jī)啟動(dòng)速度，可以提高天然氣溫度。燃料加熱器的熱源來自中壓省煤器出口的給水，通過加熱水溫，從而快速提高天然氣的溫度。

原設(shè)計(jì)：溫控閥開啟的時(shí)間為燃機(jī)并網(wǎng)后。

現(xiàn)設(shè)計(jì)：溫控閥開啟的時(shí)間為燃機(jī)轉(zhuǎn)速為2 250 rpm時(shí)。

由以上可以看出：熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，燃料加熱器進(jìn)口水溫約140 ℃左右，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 rpm/min，燃料加熱器溫控閥已經(jīng)開至100%，天然氣溫度由40 ℃升至108 ℃，對加快熱態(tài)啟動(dòng)速度效果明顯。

2 機(jī)組的熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間分析

圖1為燃機(jī)和汽機(jī)啟動(dòng)曲線。啟動(dòng)曲線由三菱的燃機(jī)啟動(dòng)曲線和東方的汽機(jī)啟動(dòng)曲線組成，從中可以看出，燃機(jī)從發(fā)啟動(dòng)令至FSNL（全速空載）需要30 min，燃機(jī)FSNL（全速空載）至燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)需要2.5 min，燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后將其負(fù)荷加至125 MW需要5 min，汽機(jī)缸溫匹配時(shí)間需要25 min，汽機(jī)從開始沖轉(zhuǎn)至FSNL（全速空載）需要20 min，汽機(jī)FSNL（全速空載）至發(fā)電機(jī)并網(wǎng)需要2.5 min，汽機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后至整個(gè)機(jī)組負(fù)荷270 MW需要時(shí)間30 min。

綜上所述，整個(gè)雙軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間為115 min。

（a）燃機(jī)啟動(dòng)曲線

（b）汽機(jī)啟動(dòng)曲線

圖1 燃機(jī)與汽機(jī)啟動(dòng)曲線

3 縮短熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間措施研究

3.1 影響熱態(tài)啟動(dòng)的因素

影響熱態(tài)啟動(dòng)的因素主要有：①燃機(jī)清吹時(shí)間。燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)令到燃機(jī)點(diǎn)火前。②溫度匹配階段。燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后到滿足汽機(jī)沖轉(zhuǎn)。③汽機(jī)的沖轉(zhuǎn)階段。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到汽機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。④機(jī)組升負(fù)荷階段。從汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后到帶基本負(fù)荷。

從以上可以看出，除燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)令至燃機(jī)并網(wǎng)時(shí)間固定外，其余階段都是影響燃機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)的因素。

3.2 相關(guān)措施研究

3.2.1 降低汽機(jī)的缸溫

汽機(jī)的缸溫越低，則溫度匹配所需要的時(shí)間就越短。對于調(diào)峰機(jī)組，可以通過優(yōu)化停機(jī)方式來降低汽機(jī)缸溫。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)組高中壓內(nèi)缸高壓進(jìn)汽處上半內(nèi)壁金屬溫度為547 ℃，當(dāng)燃機(jī)負(fù)荷降至100 MW時(shí)，高壓缸的缸溫可降至527 ℃。假設(shè)停機(jī)時(shí)間為7 h，第二天啟動(dòng)時(shí)高壓缸的缸溫為478 ℃左右；假如將燃機(jī)負(fù)荷降至80 MW，并穩(wěn)定運(yùn)行20 min，通過降低排氣溫度來降低汽機(jī)缸溫，此時(shí)高壓缸的缸溫可降至510 ℃，同樣停機(jī)時(shí)間7 h，第二天啟動(dòng)時(shí)高壓缸的缸溫為460 ℃，降低了近20 ℃，可以將燃機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間縮短8 min左右。

3.2.2 提高高壓主蒸汽溫度

高壓主蒸汽溫度越高，溫度匹配的時(shí)間就越短。在燃機(jī)啟動(dòng)過程中，由于清吹造成排氣溫度迅速下降，余熱鍋爐的蒸汽管壁溫度也下降明顯，從而使主蒸汽溫度和再熱汽溫度下降。由于主蒸汽溫度的下降，延長了溫度匹配的時(shí)間。因此可通過優(yōu)化達(dá)到加快啟動(dòng)速度的目的。

鍋爐高、中、低壓過熱器出口電動(dòng)閥在燃機(jī)啟動(dòng)前一般開啟，主要防止在啟動(dòng)過程中開啟引起汽包水位波動(dòng)大而造成不必要的跳機(jī)。機(jī)組的旁路控制邏輯為：在燃機(jī)發(fā)啟動(dòng)令后，高、中、低壓旁路開至10%最小開度，旁路的開啟不僅會造成工質(zhì)的浪費(fèi)，同時(shí)還會在燃機(jī)清吹時(shí)，使主蒸汽溫度大幅下降。

為防止溫度下降，可采取以下方法：燃機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 rpm時(shí)再開啟高、中、低壓過熱器出口電動(dòng)閥；燃機(jī)啟動(dòng)后關(guān)閉高、中壓旁路，當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 rpm時(shí)再開啟溫度匹配，盡量提高燃機(jī)負(fù)荷。燃機(jī)負(fù)荷越高，相應(yīng)的燃機(jī)排氣溫度也會升高，例如將燃機(jī)負(fù)荷加至125 MW比將燃機(jī)負(fù)荷加至100 MW時(shí)溫度匹配時(shí)間縮短大約12 min。

3.2.3 汽機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)和速率方面

汽機(jī)熱態(tài)沖轉(zhuǎn)應(yīng)根據(jù)高壓缸調(diào)節(jié)級溫度和中壓缸進(jìn)汽室金屬溫度來選擇相匹配的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，即兩者的溫差應(yīng)符合汽機(jī)熱應(yīng)力、熱變形和脹差的要求。

本機(jī)組熱態(tài)沖轉(zhuǎn)參數(shù)為：主蒸汽壓力7.8 MPa、主蒸汽溫度470±10 ℃（50 ℃以上過熱度）、再熱蒸汽溫度450±10 ℃。對于晝開夜停的機(jī)組，由于汽機(jī)的缸溫不同，選擇的沖轉(zhuǎn)參數(shù)也不盡相同，所以合理的沖轉(zhuǎn)參數(shù)是兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳選擇。該機(jī)組是東方自主研發(fā)出來的，所以沖轉(zhuǎn)參數(shù)選擇一般采用正溫差啟動(dòng)，即主蒸汽溫度高于汽機(jī)缸溫。

廠家說明書要求汽機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)速率為200 rpm/min。通過運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以將汽機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)為300 rpm/min，甚至更高些，這樣會將汽機(jī)沖轉(zhuǎn)的時(shí)間縮短4～6 min。

3.2.4 機(jī)組升負(fù)荷階段

汽機(jī)升負(fù)荷與高中壓旁路的配合燃機(jī)升負(fù)荷至125 MW進(jìn)行溫度匹配，此時(shí)高壓主蒸汽壓力為7.8 MPa，高旁開度為42%，再熱蒸汽壓力為1.64 MPa，中旁開度為65%，當(dāng)汽機(jī)并網(wǎng)升負(fù)荷，高旁應(yīng)跟蹤壓力設(shè)定值，使高旁以高壓主蒸汽閥前的壓力為基準(zhǔn)。隨著主蒸汽調(diào)節(jié)閥的開啟，主蒸汽壓力會隨之下降，應(yīng)將高旁不斷關(guān)小，維持主蒸汽調(diào)節(jié)閥的壓力7.8 MPa不變。但在實(shí)際運(yùn)行中，汽機(jī)升負(fù)荷時(shí)，主蒸汽調(diào)閥的開啟和高旁的相互配合不合理，即高壓旁路的關(guān)閉滯后于主蒸汽調(diào)節(jié)閥的開啟，造成主蒸汽壓力降低，汽機(jī)加負(fù)荷的時(shí)間延長。

當(dāng)汽機(jī)旁路全關(guān)后，汽機(jī)升負(fù)荷主要是通過燃機(jī)加負(fù)荷來提高排氣溫度，進(jìn)而提高主、再熱蒸汽的溫度和壓力。燃機(jī)升負(fù)荷的速率一般不受限制，主要是考慮汽機(jī)升負(fù)荷率，要關(guān)注汽機(jī)的脹差、軸向位移和振動(dòng)等。在熱態(tài)啟機(jī)過程中，一般不會有很大變化，所以只要汽機(jī)能滿足要求，燃機(jī)加負(fù)荷的速率可以快些。在實(shí)際運(yùn)行中，由于高旁配合的不合理，為盡快提高汽機(jī)負(fù)荷，當(dāng)汽機(jī)主蒸汽壓力降低時(shí)，汽機(jī)負(fù)荷不能上升，常采用增加燃機(jī)負(fù)荷，提高主蒸汽的溫度和壓力來提高汽機(jī)負(fù)荷。但此方法會造成天然氣消耗增加，經(jīng)濟(jì)效益降低。

熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽機(jī)升負(fù)荷的速率為3 MW/min，假如將汽機(jī)負(fù)荷加至90 MW，需要的時(shí)間大約為27 min；如果將汽機(jī)升負(fù)荷速率增加5～6 MW/min，則整個(gè)加負(fù)荷時(shí)間需要16 min左右，從而就能將時(shí)間縮短10 min。

汽機(jī)并網(wǎng)后，盡快關(guān)閉高排通風(fēng)閥。高排通風(fēng)閥的邏輯為在啟機(jī)過程中，當(dāng)汽機(jī)負(fù)荷為55 MW時(shí)，關(guān)閉高排通風(fēng)閥。在汽機(jī)啟機(jī)過程中，當(dāng)高壓缸主蒸汽閥和調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后，會將高壓缸的剩余蒸汽排向凝汽器。汽機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)因轉(zhuǎn)速低、蒸汽流量小，將高壓尾部長葉片產(chǎn)生的鼓風(fēng)摩擦熱量帶走。當(dāng)沖轉(zhuǎn)完成，汽機(jī)高壓缸有蒸汽流通，因此基本不會產(chǎn)生鼓風(fēng)摩擦。所以汽機(jī)并網(wǎng)后，應(yīng)盡快關(guān)閉高排通風(fēng)閥。這樣不僅可以提升汽機(jī)負(fù)荷，還可以縮短機(jī)組整體啟動(dòng)時(shí)間。通過優(yōu)化后，機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短，如表1所示。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段，三菱M701F4雙軸聯(lián)合循環(huán)調(diào)峰機(jī)組還沒有較多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行人員通過不斷的摸索和探討，將雙軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間縮短在40 min左右。在保障機(jī)組安全的前提下，不僅提高了運(yùn)行人員的操作技能，而且為公司創(chuàng)造出了更多的經(jīng)濟(jì)效益，希望能為其他類似燃機(jī)電廠提供很好的借鑒作用。

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〔編輯：王霞〕