馮 磊，張立建，撒蘭波

(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟?？臁⒄{(diào)峰能力強(qiáng)，在電網(wǎng)中適合承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)。近年來(lái)，由于機(jī)組平均利用小時(shí)數(shù)持續(xù)下降，燃?xì)鈾C(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)顯著增多。以9 F燃?xì)鈾C(jī)組為例，燃?xì)廨啓C(jī)30 min左右可以升滿負(fù)荷，而汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)至帶滿負(fù)荷大約需要6～8 h。在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，由于汽輪機(jī)金屬溫度低，為避免熱應(yīng)力過(guò)大影響機(jī)組安全，蒸汽溫度不能上升太快[1]。為此，燃?xì)廨啓C(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，等待汽輪機(jī)暖機(jī)，這導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)燃燒效率低、排放高。另外，暖機(jī)階段汽輪機(jī)進(jìn)汽量很小，余熱鍋爐的蒸汽大部分未做功就直接從旁路排走，造成能源損失。

汽輪機(jī)快速啟動(dòng)問(wèn)題一直都是制造廠、科研單位和電站關(guān)注的焦點(diǎn)。提升汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)速度主要有兩種手段：一是通過(guò)精確的熱應(yīng)力在線監(jiān)控和壽命管理技術(shù)優(yōu)化啟動(dòng)過(guò)程，但啟動(dòng)優(yōu)化技術(shù)近年已經(jīng)逐漸發(fā)展至瓶頸，很難進(jìn)一步大幅縮短啟動(dòng)時(shí)間；二是開機(jī)前用外來(lái)汽源預(yù)暖汽輪機(jī)，將冷態(tài)啟動(dòng)變?yōu)闇貞B(tài)啟動(dòng)。20世紀(jì)80年代，這種預(yù)暖技術(shù)在國(guó)外電廠中得到應(yīng)用，可顯著縮短汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，并節(jié)省大量的啟動(dòng)鍋爐燃油及廠用電[2]。20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)電廠開始引入該技術(shù)，GE公司[3-4]、東方汽輪機(jī)廠[5]、哈爾濱汽輪機(jī)廠[6-7]的火電機(jī)組都曾在改造時(shí)增設(shè)預(yù)暖系統(tǒng)。但是該技術(shù)在火電廠中應(yīng)用并不廣泛，因?yàn)榛痣姍C(jī)組一般不需要快速啟動(dòng)。相比之下，經(jīng)常參與電網(wǎng)調(diào)峰的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組對(duì)快速啟動(dòng)的需求更為迫切，但目前尚未見(jiàn)預(yù)暖技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合循環(huán)領(lǐng)域。

本文闡述了一種新型聯(lián)合循環(huán)預(yù)暖系統(tǒng)及方法，特別適用于帶離合器的聯(lián)合循環(huán)單軸機(jī)組。這種預(yù)暖技術(shù)采用汽輪機(jī)倒拖燃?xì)廨啓C(jī)的方式，增加了進(jìn)汽量，預(yù)暖時(shí)間顯著縮短。為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，利用有限元方法預(yù)測(cè)了不同蒸汽參數(shù)、暖機(jī)轉(zhuǎn)速下的預(yù)暖效果。本文的研究可以為提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組靈活性提供參考。

1 聯(lián)合循環(huán)冷態(tài)預(yù)暖系統(tǒng)

圖1顯示了聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng)示意圖。其設(shè)計(jì)理念為：在機(jī)組啟動(dòng)之前，先引入一股外來(lái)蒸汽預(yù)暖汽輪機(jī)，將機(jī)組提升至一定溫度，然后燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火進(jìn)行正常啟動(dòng)，從而將冷態(tài)啟動(dòng)變?yōu)闇貞B(tài)啟動(dòng)，縮短了啟動(dòng)時(shí)間。預(yù)暖系統(tǒng)包括暖機(jī)汽源以及同軸布置且依次連接的燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、自動(dòng)同步離合器和汽輪機(jī)，汽輪機(jī)包括高壓缸、中壓缸和低壓缸。暖機(jī)蒸汽從母管出來(lái)分兩路：一路從高壓閥組前的主蒸汽管道接入，蒸汽流經(jīng)高壓缸后從高排通風(fēng)管路排入凝汽器，構(gòu)成高壓暖機(jī)回路；另一路從中壓閥組前的再熱蒸汽管道接入，流經(jīng)中低壓缸后排入凝汽器，構(gòu)成中壓暖機(jī)回路。暖機(jī)結(jié)束后，切斷暖機(jī)蒸汽，然后汽輪機(jī)按溫態(tài)啟動(dòng)方式正常啟動(dòng)。

圖1 聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng)示意圖

暖機(jī)蒸汽輸送管道上設(shè)有輸送閥(關(guān)斷閥)，暖機(jī)結(jié)束后用于隔斷暖機(jī)蒸汽。輸送管道的低點(diǎn)布置一個(gè)疏水閥，用來(lái)排走凝結(jié)水。在輸送管道上設(shè)置了溫度、壓力測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸汽參數(shù)品質(zhì)。高壓支路和中壓支路管道上分別設(shè)置截止閥，用于控制管路的通斷。由于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)高壓截止閥和中壓截止閥接觸高溫蒸汽，為安全起見(jiàn)均采用串聯(lián)的2個(gè)截止閥。中壓截止閥前設(shè)置1個(gè)調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)中壓支路的暖機(jī)蒸汽流量。這是因?yàn)橹袎赫{(diào)節(jié)汽門口徑太大，蒸汽量較小時(shí)無(wú)法精確調(diào)節(jié)流量。而高壓調(diào)節(jié)汽門口徑相對(duì)小一些，可以滿足暖機(jī)蒸汽流量調(diào)節(jié)功能，故高壓支路不用另設(shè)調(diào)節(jié)閥。

對(duì)于中低壓合缸機(jī)組來(lái)說(shuō)，限制啟動(dòng)速度的瓶頸主要在于中壓轉(zhuǎn)子，因?yàn)橹袎恨D(zhuǎn)子直徑較大，很難暖透。為提升暖機(jī)速度，需在暖機(jī)過(guò)程中設(shè)法增大進(jìn)汽量，尤其是中壓缸進(jìn)汽量。由于暖機(jī)時(shí)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這增加了汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，暖機(jī)速度得到顯著提升。

2 離合器低速安全嚙合技術(shù)

對(duì)于9F級(jí)聯(lián)合循環(huán)單軸機(jī)組，發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)之間通過(guò)自動(dòng)同步(Synchro-Self-Shifting，SSS)離合器連接(如圖1所示)。該類型機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，燃?xì)廨啓C(jī)既可單循環(huán)運(yùn)行，又可與汽輪機(jī)共同帶負(fù)荷發(fā)電。該類機(jī)組采用具有低速保護(hù)功能的繼動(dòng)式自動(dòng)同步離合器(如圖2所示)，其特點(diǎn)是燃?xì)廨啓C(jī)檢修時(shí)汽輪機(jī)仍然可以盤車運(yùn)行，從而避免在重力作用下長(zhǎng)時(shí)間靜置，造成轉(zhuǎn)子彎曲。

然而，離合器的存在增加了預(yù)暖系統(tǒng)的復(fù)雜性。因?yàn)轭A(yù)暖前燃?xì)廨啓C(jī)在120 r/min轉(zhuǎn)速下盤車運(yùn)行，此時(shí)若通入暖機(jī)蒸汽沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超越燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，且棘爪彈起時(shí)，離合器在較大轉(zhuǎn)速差下嚙合，可能會(huì)損壞。因此暖機(jī)時(shí)要先用靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置(Static Frequency Converter，SFC)將燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速提升至800 r/min，然后汽輪機(jī)進(jìn)汽，沖轉(zhuǎn)至800 r/min，轉(zhuǎn)速同步后SFC退出，汽輪機(jī)倒拖燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 自動(dòng)同步離合器結(jié)構(gòu)示意圖

這樣操作仍然有一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min以上，才能保證離合器棘爪完全彈出，如果SFC在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到700 r/min之前跳閘，燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)迅速惰走，二者轉(zhuǎn)速可能在350～700 r/min區(qū)間相遇。這種情形無(wú)法保證棘爪完全彈出，會(huì)導(dǎo)致離合器嚙合瞬間轉(zhuǎn)速差非常大，或者打壞棘爪。

為避免SFC跳閘帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，可以采取以下兩種措施：

1)若汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速小于350 r/min，發(fā)電機(jī)或SFC跳閘后立刻切斷汽輪機(jī)蒸汽，燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)一起惰走，轉(zhuǎn)速不會(huì)相交，如圖3(a)所示；

2)若汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于350 r/min，發(fā)電機(jī)跳閘后汽輪機(jī)加速?zèng)_轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速相交于700 r/min以上，離合器可以安全嚙合，其過(guò)程如圖3(b)所示。

(a) 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速<350 r/min

(b) 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速≥350 r/min

圖3 跳閘工況下燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速同步示意圖

3 預(yù)暖系統(tǒng)操作流程

預(yù)暖系統(tǒng)的操作流程如圖4所示，其流程為：(1)向汽輪機(jī)軸封供汽，建立真空后，利用SFC將燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速提升至1 000 r/min；(2)向汽輪機(jī)通入暖機(jī)蒸汽，將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)_至800 r/min；(3)SFC逐漸退出，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速惰走至800 r/min，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器嚙合；(4)當(dāng)汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子加熱至一定溫度后，切斷暖機(jī)蒸汽，結(jié)束暖機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)恢復(fù)至盤車狀態(tài)。

圖4 預(yù)暖步驟示意圖

暖機(jī)蒸汽流量可以根據(jù)機(jī)組的阻尼力矩和熱力學(xué)公式進(jìn)行簡(jiǎn)易計(jì)算。因?yàn)樵谕晦D(zhuǎn)速下升速與降速的阻尼力矩相等，所以阻尼力矩可以根據(jù)機(jī)組的停機(jī)惰走曲線來(lái)反推。圖5顯示了某電廠聯(lián)合循環(huán)單軸機(jī)組的實(shí)測(cè)停機(jī)惰走曲線。

圖5 聯(lián)合循環(huán)單軸機(jī)組停機(jī)惰走曲線

當(dāng)轉(zhuǎn)速惰走至800 r/min時(shí)，整個(gè)軸系所受的阻尼力矩與800 r/min預(yù)暖工況時(shí)相同，從而有：

Tf=J·β

(1)

式中：Tf為阻尼力矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，β為角加速度。

軸功率為：

P=Tf*π*n/30

(2)

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)蒸汽做的功與阻尼力矩消耗的功相等時(shí)，就可以維持轉(zhuǎn)速不變，即：

P=ΔH*Q

(3)

式中：ΔH為焓降，kJ/kg，Q為蒸汽質(zhì)量流量，kg/s。

根據(jù)公式(1)～(3)可以計(jì)算不同品質(zhì)蒸汽在800 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)時(shí)所需要的流量。進(jìn)出口焓降越高，需要的蒸汽流量越少。高排蒸汽(350 ℃、3 MPa)和啟動(dòng)鍋爐蒸汽(320 ℃、1.2 MPa)所需要的流量相近，大約需要20 t/h，低壓補(bǔ)汽(240 ℃、0.5 MPa)需要30 t/h。

4 暖機(jī)效果預(yù)測(cè)及參數(shù)化研究

每個(gè)電廠實(shí)際情況不同，能提供的暖機(jī)蒸汽參數(shù)、流量都不一樣。為弄清蒸汽參數(shù)對(duì)暖機(jī)效果的影響，本文通過(guò)有限元方法計(jì)算了幾種典型汽源參數(shù)下轉(zhuǎn)子的溫度變化。

暖機(jī)速度取決于蒸汽溫度和轉(zhuǎn)子表面的傳熱系數(shù)，可以通過(guò)數(shù)值方法按照傳熱學(xué)第三類邊界條件進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。轉(zhuǎn)子表面的傳熱系數(shù)計(jì)算如下[8]：

(4)

式中：r0為轉(zhuǎn)子半徑，ω為旋轉(zhuǎn)速度，υ為蒸汽運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，cp為蒸汽定壓比熱容，λ為蒸汽熱導(dǎo)率。

蒸汽參數(shù)對(duì)暖機(jī)速度影響如圖6所示。從圖6可以看出，在800 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)，使用高排蒸汽(350 ℃、3 MPa)和輔助蒸汽(320 ℃、1.2 MPa)大約1 h就可以將轉(zhuǎn)子暖至220 ℃，兩種汽源暖機(jī)效果差異不大。如果使用低壓補(bǔ)汽(240 ℃、0.5 MPa)，暖機(jī)大約需要3 h才能完成。可見(jiàn)蒸汽參數(shù)，尤其是蒸汽溫度對(duì)暖機(jī)速度影響很大。

圖6 蒸汽參數(shù)對(duì)暖機(jī)速度影響

暖機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)暖機(jī)速度的影響如圖7所示。從圖7可以看到，使用同一種汽源時(shí)(鄰機(jī)高排蒸汽)，暖機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)暖機(jī)速度影響很大。800 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)只需要大約1 h，而500 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)需要3 h，300 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)則需要更長(zhǎng)時(shí)間。這是因?yàn)椴煌瘷C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)汽量相差很多，而轉(zhuǎn)子表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與進(jìn)汽量相關(guān)。

圖7 暖機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)暖機(jī)速度的影響

綜上所述，暖機(jī)蒸汽品質(zhì)越高、轉(zhuǎn)速越高，預(yù)暖效果越好。利用鄰機(jī)高排蒸汽在800 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)，預(yù)暖1 h左右即可達(dá)到要求，與冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間相比，節(jié)約了3 h。

5 結(jié) 論

為了縮短聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，本文開發(fā)了一套冷態(tài)快速啟動(dòng)預(yù)暖系統(tǒng)。本文首次提出汽輪機(jī)倒拖燃?xì)廨啓C(jī)的預(yù)暖方法，制定了安全的預(yù)暖操作流程。從收益上來(lái)說(shuō)，預(yù)計(jì)利用鄰機(jī)高排蒸汽預(yù)暖汽輪機(jī)只需要1 h，可以比冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間少2～3 h。同時(shí)采用該系統(tǒng)可以提高機(jī)組的快速調(diào)峰能力，降低啟動(dòng)成本和污染排放。并且，通過(guò)參數(shù)化研究發(fā)現(xiàn)：

1)蒸汽參數(shù)對(duì)暖機(jī)速度影響非常明顯，較高的暖機(jī)蒸汽溫度可以顯著縮短預(yù)暖時(shí)間；

2)高暖機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)汽量大，轉(zhuǎn)子表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，預(yù)暖時(shí)間大幅縮短。