查文建

（浙能蕭山發(fā)電廠，杭州 311251）

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組凝汽器壓力對(duì)汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)時(shí)間的影響

查文建

（浙能蕭山發(fā)電廠，杭州 311251）

為提高機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性，在保證暖機(jī)、沖轉(zhuǎn)、升負(fù)荷過程中各項(xiàng)參數(shù)符合要求的條件下，通過比較西門子SCC5-4000F型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)不同的冷態(tài)啟動(dòng)方式，同時(shí)結(jié)合西門子邏輯中定義的暖機(jī)時(shí)間計(jì)算公式，研究分析了凝汽器壓力對(duì)汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)時(shí)間的影響，得出凝汽器壓力越高（但不能超過30 kPa），暖機(jī)時(shí)間越短的結(jié)論，并提出了在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)注意的問題。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；汽輪機(jī)；冷態(tài)啟動(dòng)；暖機(jī)時(shí)間；凝汽器壓力

1 汽輪機(jī)暖機(jī)概況

西門子SCC5-4000F燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組采用單軸布置方式，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組的快速啟動(dòng)，在發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)之間布置了SSS（同步自換檔離合器），離合器的輸出端（燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)）能保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而離合器的輸入端（汽輪機(jī)）可以在盤車轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)、升速、離合器自動(dòng)嚙合與發(fā)電機(jī)相連的過程。機(jī)組的DCS（分散控制系統(tǒng)）采用西門子SPPA-T3000系統(tǒng)。

機(jī)組啟動(dòng)后，燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)先升速、并網(wǎng)，此時(shí)汽輪機(jī)處于盤車狀態(tài)，燃?xì)廨啓C(jī)逐漸帶負(fù)荷至汽輪機(jī)暖機(jī)負(fù)荷，汽輪機(jī)等待蒸汽滿足進(jìn)汽條件。當(dāng)主蒸汽管路暖管已完成，蒸汽品質(zhì)合格后，運(yùn)行人員點(diǎn)擊蒸汽品質(zhì)合格確認(rèn)按鈕，高、中壓調(diào)門開啟，汽輪機(jī)升速至900 r/min暖機(jī)。

在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，由于高、中壓汽缸處于較低溫度水平，首先高壓調(diào)門開啟對(duì)高壓缸進(jìn)行暖缸，而中壓調(diào)門開度較小，接近關(guān)閉位置。當(dāng)高壓大軸中心溫度接近280℃，高壓缸暖缸完成，高壓調(diào)門略微關(guān)小，中壓調(diào)門開大，對(duì)中壓缸暖缸。通常調(diào)整真空手動(dòng)破壞門開度，使凝汽器壓力維持在20 kPa左右，以增加汽輪機(jī)鼓風(fēng)摩擦熱量，提高中壓轉(zhuǎn)子溫度，加快暖機(jī)速度。當(dāng)汽輪機(jī)暖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)符合后，點(diǎn)擊汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速釋放按鈕，汽輪機(jī)升速至額定轉(zhuǎn)速，機(jī)組逐漸加載帶負(fù)荷。暖機(jī)階段，由于燃?xì)廨啓C(jī)處于單循環(huán)運(yùn)行，氣耗率（標(biāo)況值）約0.415 m3/kWh，遠(yuǎn)高于機(jī)組聯(lián)合循環(huán)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)0.195 m3/kWh的平均氣耗率，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，在保證各項(xiàng)啟動(dòng)參數(shù)符合要求的前提下，盡量縮短暖機(jī)時(shí)間將會(huì)直接提高機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性。

2 汽輪機(jī)暖機(jī)的重要意義

汽輪機(jī)的啟動(dòng)有冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)3種方式。機(jī)組啟動(dòng)之前，當(dāng)中壓大軸計(jì)算溫度＜100℃時(shí)為冷態(tài)啟動(dòng)。在冷態(tài)啟動(dòng)中，汽缸、大軸金屬初始溫度較低。暖機(jī)結(jié)束后，汽輪機(jī)的加載過程較快，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min，SSS離合器嚙合后約5 min，汽輪機(jī)可以帶至56 MW負(fù)荷。同時(shí)，高壓調(diào)門開度由8.8%增至18.1%，中調(diào)門開度由7%增至29%。短時(shí)間內(nèi)大量高溫、高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，為防止汽輪機(jī)各金屬部件產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，以下13個(gè)條件全部滿足才可認(rèn)為暖機(jī)完成：

（1）汽輪機(jī)暖機(jī)時(shí)間符合要求；

（2）中壓轉(zhuǎn)子溫度大于200℃或汽輪機(jī)SGC（子組控制步程序）第23步等待50 min；

（3）汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)保護(hù)沒有激活；

（4）低壓主汽管道暖管疏水完成；

（5）高、中、低壓調(diào)門閥位限制器輸出在105%；

（6）高壓主汽溫度小于高壓大軸的最高溫度、高壓主汽溫度小于高壓缸最高溫度、再熱汽溫度小于中壓大軸最高溫度、高壓主汽溫度過熱度大于30℃、再熱汽溫度過熱度大于30℃；

（7）高壓缸及高、中壓轉(zhuǎn)子溫度裕度最小值大于30℃；

1）封堵治理工程主要針對(duì)含煤地層的碳酸鹽巖類裂隙巖溶地下水井，主要是酸性的礦坑水對(duì)原水井的封堵材料和井壁管造成損壞而形成的污染，而對(duì)于由于含水地層原生污染物（如石膏）和地層構(gòu)造形成的污水通道無意義。

（8）SSS離合器燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)相對(duì)振動(dòng)值小于240 μm；

（9）凝汽器壓力小于13 kPa；

（10）高壓主汽流量大于15%額定流量；

（11）高壓缸進(jìn)口蒸汽過熱度大于0℃；

（12）高壓內(nèi)缸50%的溫度測(cè)點(diǎn)左右側(cè)溫差符合要求；

（13）高壓內(nèi)缸50%的上部、下部測(cè)點(diǎn)及高壓內(nèi)缸100%的測(cè)點(diǎn)溫度均大于高壓葉片前主蒸汽飽和溫度10℃以上。

暖機(jī)過程可以使汽輪機(jī)各部位金屬得到充分的預(yù)熱，減小汽缸法蘭內(nèi)外壁、法蘭與螺栓之間的溫度差，減小轉(zhuǎn)子表面與中心的溫度差，從而減小金屬內(nèi)部應(yīng)力，使汽缸、法蘭和轉(zhuǎn)子均勻膨脹，且脹差值在安全范圍內(nèi)變化，避免汽輪機(jī)在啟動(dòng)過程中內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦。同時(shí)提早滿足帶負(fù)荷的要求，縮短升至額定負(fù)荷時(shí)所需要的時(shí)間，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

3 暖機(jī)時(shí)間的理論計(jì)算及影響因素

汽輪機(jī)在冷態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)時(shí)有1個(gè)720 min倒計(jì)時(shí)至0的條件。在DCS邏輯中，暖機(jī)時(shí)間計(jì)算最核心的部分是積分器的運(yùn)算。對(duì)于連續(xù)性系統(tǒng)，積分器輸出為720-∫k·xdt，暖機(jī)時(shí)間T為：

k·x為積分器輸入，積分時(shí)間以分鐘為時(shí)間單位，當(dāng)凝汽器2個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)任一大于10 kPa時(shí)，積分器激活，積分器720-∫k·xdt輸出減小。當(dāng)蒸汽品質(zhì)確認(rèn)后，滿足中壓缸進(jìn)汽絕對(duì)壓力＞1.5倍的凝汽器絕對(duì)壓力，且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速＞600 r/min條件時(shí)，k=2，否則k=1。x值與凝汽器壓力有關(guān)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。當(dāng)凝汽器壓力小于30 kPa時(shí)，x值隨凝汽器壓力增加而增大，當(dāng)凝汽器壓力大于30 kPa時(shí)，x值恒定為2。

圖1 不同凝汽器壓力對(duì)應(yīng)不同的積分輸入x=f（p）

當(dāng)中壓旁路（簡(jiǎn)稱中旁）前壓力＞1.5 MPa且中旁開度＞45%且再熱蒸汽流量＞53 t/h時(shí)，將凝汽器壓力p分為3個(gè)區(qū)間，分別結(jié)合式（1）討論以下3種情況：

（1）當(dāng)p＜8.45 kPa時(shí)，積分器不激活，積分器720-∫k·xdt輸出不變。k·x小于1，Max（k·x，1）等于1，暖機(jī)時(shí)間維持720 min不變。

（2）當(dāng)8.45 kPa＜p＜10 kPa時(shí)，積分器不激活，積分器720-∫k·xdt輸出不變。若蒸汽品質(zhì)確認(rèn)后，滿足中壓缸進(jìn)汽絕對(duì)壓力>1.5倍的凝汽器絕對(duì)壓力且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速>600 r/min的條件，k·x＞1，Max（k·x，1）大于1，計(jì)算暖機(jī)時(shí)間開始減少。

（3）若p>10 kPa，積分器激活，積分器720-∫k·xdt輸出減小，Max（k·x，1）大于1，計(jì)算暖機(jī)時(shí)間減少。

在暖機(jī)過程中若出現(xiàn)凝汽器壓力波動(dòng)，暖機(jī)時(shí)間也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，暖機(jī)時(shí)間甚至可能增加。而暖機(jī)時(shí)間此時(shí)增加的主要原因是分母Max（k·x，1）中的k·x因凝汽器壓力的降低而減小。

暖機(jī)階段，當(dāng)凝汽器壓力為20 kPa時(shí)，k=2，對(duì)應(yīng)x=1.7，則積分輸出也可以表示為720-∫3.4dt，暖機(jī)時(shí)間輸出為（720-∫3.4dt）/3.4。若凝汽器壓力階躍上升至20 kPa，并且維持在20 kPa不出現(xiàn)波動(dòng)，暖機(jī)時(shí)間為212 min。假設(shè)凝汽器壓力小于且無限接近30 kPa，k=2，對(duì)應(yīng)x=2，暖機(jī)時(shí)間輸出為（720-∫3.4dt）/4，暖機(jī)理論時(shí)間為180 min。

4 兩種典型運(yùn)行方式的分析對(duì)比

以下選取2次典型的冷態(tài)啟動(dòng)實(shí)例進(jìn)行對(duì)比，以此來進(jìn)一步分析凝汽器壓力對(duì)暖機(jī)時(shí)間的影響。第一種啟動(dòng)方式是蒸汽品質(zhì)確認(rèn)時(shí)對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力小于8.45 kPa，相關(guān)主要參數(shù)的變化曲線如圖2所示；第二種啟動(dòng)方式是蒸汽品質(zhì)確認(rèn)時(shí)對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力大于10 kPa，相關(guān)主要參數(shù)的變化曲線如圖3所示。

圖2 啟動(dòng)方式一（暖機(jī)時(shí)間為4 h 15 min）

（1）啟動(dòng)方式一在暖機(jī)之前，高壓大軸中心溫度77.3℃，中壓大軸中心溫度44.5℃，啟動(dòng)方式二在暖機(jī)之前，高壓大軸中心溫度75.9℃，中壓大軸中心溫度為48.9℃。兩種方式高中壓大軸中心溫度相差不大。暖機(jī)結(jié)束后，啟動(dòng)方式一高壓大軸中心溫度334.7℃，中壓大軸中心溫度為195.5℃；啟動(dòng)方式二高壓大軸中心溫度327.2℃，中壓大軸中心溫度為160.9℃。采用啟動(dòng)方式二暖機(jī)結(jié)束，雖然高中壓大軸中心溫度比啟動(dòng)方式一低，但仍然滿足沖轉(zhuǎn)要求。

（2）啟動(dòng)方式二比啟動(dòng)方式一縮短暖機(jī)時(shí)間38 min。其主要原因?yàn)椋涸谡羝焚|(zhì)確認(rèn)之前，啟動(dòng)方式二的凝汽器壓力已大于10 kPa，積分器不處于跟蹤狀態(tài)，暖機(jī)時(shí)間已經(jīng)開始減少，在蒸汽品質(zhì)確認(rèn)時(shí)，暖機(jī)時(shí)間已降至664 min。而啟動(dòng)方式一是在蒸汽品質(zhì)確認(rèn)之后，凝汽器壓力升至8.45 kPa以上，暖機(jī)時(shí)間才由720 min開始減少。啟動(dòng)方式二暖機(jī)結(jié)束后高中壓大軸的溫度水平比啟動(dòng)方式一低，對(duì)減少整個(gè)暖機(jī)時(shí)間的影響可忽略不計(jì)。

（3）在DCS邏輯中，汽輪機(jī)SGC第23步等待50 min與中壓大軸溫度200℃為“或”門關(guān)系，并未對(duì)高壓缸缸溫及高、中壓大軸溫度有明確要求，因此在暖機(jī)時(shí)間至0、調(diào)整凝汽器壓力小于13 kPa、暖機(jī)要求滿足后，運(yùn)行人員可以點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速釋放按鈕，使汽輪機(jī)升速至3 000 r/min。

（4）從圖2、圖3的啟動(dòng)曲線中還可以直觀地看出凝汽器壓力的波動(dòng)對(duì)暖機(jī)時(shí)間的影響。在第二種啟動(dòng)方式中，由于存在相對(duì)較大的壓力波動(dòng)而導(dǎo)致時(shí)間曲線的波動(dòng)，這就要求在調(diào)節(jié)凝汽器壓力的過程中盡量平穩(wěn)，避免出現(xiàn)大幅波動(dòng)，以節(jié)省整個(gè)暖機(jī)時(shí)間。

由此，得出如下縮短暖機(jī)時(shí)間的結(jié)論：在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)中壓旁路前壓力>1.5 MPa且中壓旁路開度>45%且再熱蒸汽流量>53 t/h時(shí)，立即調(diào)整真空手動(dòng)破壞門開度，使凝汽器壓力>10 kPa，當(dāng)蒸汽品質(zhì)確認(rèn)后，進(jìn)一步調(diào)節(jié)凝汽器壓力至20 kPa甚至更高一點(diǎn)。

圖3 啟動(dòng)方式二（暖機(jī)時(shí)間為3 h 37 min）

5 實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)注意的問題

（1）理論計(jì)算表明，凝汽器壓力在30 kPa之內(nèi)，壓力越高，暖機(jī)時(shí)間越短。但是，當(dāng)凝汽器壓力超過30 kPa，汽輪機(jī)保護(hù)跳閘。因此暖機(jī)時(shí)，凝汽器壓力應(yīng)控制在30 kPa之內(nèi)，并且保持適當(dāng)?shù)脑６取?/p>

（2）凝汽器壓力過高，可能使汽輪機(jī)本體疏水不暢，導(dǎo)致汽輪機(jī)上下缸溫差加大。

（3）暖機(jī)過程中，凝汽器壓力越高，凝結(jié)水溫度越高，可以達(dá)到更好的除氧效果。但是，凝結(jié)水溫度的升高對(duì)凝結(jié)水泵（簡(jiǎn)稱凝泵）密封產(chǎn)生負(fù)面效果，凝泵進(jìn)口可能汽化，造成凝泵汽蝕，損壞設(shè)備。

（4）暖機(jī)處于汽輪機(jī)速度控制階段，凝汽器壓力升高，在維持暖機(jī)轉(zhuǎn)速的前提下，必然使調(diào)門開大，進(jìn)汽量增加，從而產(chǎn)生較大的熱沖擊。

（5）暖機(jī)過程中，若凝汽器壓力為22 kPa，則在暖機(jī)結(jié)束后熱井水溫能達(dá)到65℃。此時(shí)由于暖機(jī)時(shí)間完成，汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)不激活，真空SGC立即啟動(dòng)備用真空泵抽真空（凝汽器壓力大于12 kPa），直至凝汽器壓力小于6 kPa，停運(yùn)備用真空泵。此過程中由于啟動(dòng)2臺(tái)真空泵抽真空，導(dǎo)致凝汽器壓力下降較快，而熱井凝結(jié)水溫度下降較慢，熱井凝結(jié)水大量汽化，熱井水位大幅下降，存在凝泵跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。之后熱井大量補(bǔ)水，隨著凝汽器壓力和水溫的下降，出現(xiàn)虛假水位，熱井水位大幅上升，可能聯(lián)啟備用凝泵，存在汽輪機(jī)及中、低壓旁路跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。因此建議，在暖機(jī)時(shí)間完成、恢復(fù)真空的過程中，可將真空泵手動(dòng)切至調(diào)試模式停運(yùn)，以適當(dāng)減緩恢復(fù)真空的速度，同時(shí)對(duì)熱井水位應(yīng)有一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)判并提前控制，減小熱井水位波動(dòng)幅度，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

[1]張茂義.漏入空氣對(duì)凝汽器運(yùn)行特性影響的研究[J].華東電力，2001（8）∶22-26.

[2]張衛(wèi)會(huì)，李勇.真空系統(tǒng)嚴(yán)密性試驗(yàn)對(duì)凝汽器冷卻管受力的影響分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2000，42（6）∶353-355.

[3]李勇，曹祖慶.凝汽器清潔率的概念及測(cè)試方法[J].汽輪機(jī)技術(shù)，1995，37（2）∶73-76.

（本文編輯：陸 瑩）

Influence of Combined Cycle Units Condenser Pressure on Warming-up Time of Turbine Cold-state Startup

ZHA Wenjian
（Zhejiang Energy Xiaoshan Power Plant，Hangzhou 311251，China）

In order to improve startup economy of units with all parameters in warming-up，rotation impulsing and load step-up permitted，the paper analyzes impact of condenser pressure on warming-up time of cold-state startup of steam turbine by comparing different cold-sate steam turbine startup modes of SCC5-4000F combined cycle units and combining formula for warming-up time calculation defined in Siemens logic.The paper draws a conclusion that condenser pressure is inversely proportional to warming-up time（not higher than 30 kPa）；moreover，it gives precautions in real operation.

combined cycle units；turbine；cold-state startup；warming-up time；condenser pressure

TK267

B

1007-1881（2015）05-0049-04

2014-11-17

查文建（1974），男，助理工程師，從事燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組集控運(yùn)行工作。