祝相云，張 衛(wèi)，黃 岳，余 亮

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江浙能金華燃機發(fā)電有限公司，浙江 金華 321000)

0 前言

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組具有熱效率高、排放污染低、啟停時間短等特點，但天然氣的高額成本會嚴重制約其發(fā)展[1]。受天然氣價格、發(fā)電小時數(shù)等因素影響，多數(shù)燃機發(fā)電機組主要作為調(diào)峰機組，晝起夜停兩班制運行[2-3]。隨著可再生能源的進入電網(wǎng)，由于風電、光伏發(fā)電一次能源不可控，相較于其他一次能源可控的常規(guī)電源，其消納需要電力系統(tǒng)提供更多的靈活性[4]。為了減少棄光、棄風電量，作為調(diào)峰機組的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組也需進一步提升運行靈活性。

對于電廠而言，加強靈活性的同時也要追求經(jīng)濟性和安全性。許多專家在機組的快速啟停和啟停過程中的運行參數(shù)優(yōu)化方面做了研究，提出了啟動過程中暖機負荷高旁調(diào)節(jié)控制邏輯優(yōu)化，縮短清吹時間，提高溫熱態(tài)暖機負荷和升負荷速率等建議措施[5-6]。縮短啟動時間及降低啟動能耗一直以來都是擺在研究人員面前的課題[7-8]。文獻[9]利用有限元計算方法尋找轉(zhuǎn)子能承受的最大溫升速度，進而優(yōu)化啟動流程。文獻[10]分析了暖機控制機理，并從控制角度對暖機過程中的燃機負荷、溫度指令以及啟動壓力等參數(shù)進行優(yōu)化，有效減少了暖機時長。其它還有修改并網(wǎng)初始負荷、控制水溫氣溫等方法縮短啟機時間[11-12]。實際上，不同型號的聯(lián)合循環(huán)機組由于存在設(shè)計差異，面臨的問題不盡相同，特別是造成機組啟動時間過長的原因繁雜，需要對各因素提出針對性的優(yōu)化措施。

本文針對三菱701F4聯(lián)合循環(huán)機組啟動過程中存在啟動時間長、循環(huán)水流量過剩、真空建立過高等問題，綜合多種針對性的優(yōu)化措施，有效減小了啟機耗時，提升了機組經(jīng)濟性。

1 設(shè)備簡介及啟動過程存在的問題

1.1 設(shè)備簡介

某電廠配置了一臺三菱M701F4型燃氣輪機，并配備了一臺余熱鍋爐。機組主要作為電網(wǎng)調(diào)峰機組，每天通常在早上開機晚上晚峰后停機，運行十幾個小時，投產(chǎn)以來已等效運行13 400 h，啟停350余次，實際運行只有5 600 h。

1.2 啟動過程存在的問題

如圖1所示，一次完整的啟動過程包括了啟動前的準備工作、啟動模式選擇、建立真空、余熱鍋爐啟動、透平啟動、同步并網(wǎng)、暖機升負荷等步驟。通常意義上，燃機啟動時間為透平啟動到機組全速運行的時間。從圖2可以看出，透平啟動時間在整個燃機啟動時間中占比非常小，同步、暖機升負荷等階段耗費的時間也遠超過透平啟動過程。而透平啟動之前的啟動準備階段則是耗時更長，從各種輔機系統(tǒng)的啟動檢查到投運再到滿足機組啟動條件消耗了大量的時間，也同樣耗費了大量的天然氣、蒸汽和廠用電。因此，優(yōu)化機組啟動時間在改善機組調(diào)節(jié)特性的同時還可以有效改善機組運行效益。實際上，造成啟動時間過長、耗能大的因素眾多，需要逐一分析。

圖1 啟動過程斷點圖

圖2 冷熱溫態(tài)啟動各階段示意圖

2 啟動過程存在問題分析

2.1 啟動鍋爐時間長

目前機組無論冷、熱態(tài)啟動均需采用啟動鍋爐提供輔汽汽源，而鍋爐啟動前需檢查其電氣系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及輔機設(shè)備，經(jīng)過吹掃、檢漏等程序后啟動點火，運行統(tǒng)計啟動鍋爐從點火到穩(wěn)定對外輸出參數(shù)合格的輔汽需1 h左右。圖3為某次熱態(tài)啟動過程啟動鍋爐天然氣消耗量變化趨勢，可以看出啟動鍋爐在透平啟動前1.5 h開始投運，直至冷再參數(shù)合格停運，持續(xù)2.5 h，消耗天然氣約4 000 Nm3。

圖3 鍋爐啟動過程中關(guān)鍵參數(shù)趨勢圖

2.2 啟動階段循環(huán)水流量過剩

循環(huán)水泵電機在6 kV母線上，耗功對廠用電影響較大，合理推遲循泵啟動時間和優(yōu)化運行方式能降低廠用電率。

機組配置了三臺循環(huán)水泵，其中兩臺泵的電機已完成高低速改造，卻并未優(yōu)化啟動過程中的運行控制方式。機組前期循環(huán)水系統(tǒng)方式是在開始抽真空時，首先開啟第一臺循泵，在真空建立后再啟動第二臺循泵，且均在高速滿載運行。圖4為夏季工況下熱態(tài)啟動循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)變化趨勢，循環(huán)水進出凝汽器的溫升在機組進入暖機負荷不超過2 ℃，進入暖機負荷后才開始增大至8 ℃，凝汽器真空維持在6.5 kPa,可見循環(huán)水量存在較大的富余量，有較大的節(jié)能潛力。

圖4 啟動過程中循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)變化趨勢

2.3 真空建立條件過高

該機組真空建立過程是當軸封暖管結(jié)束后，調(diào)節(jié)軸封母管蒸汽參數(shù)后啟動兩臺真空泵，關(guān)閉真空破壞門，開始抽真空至-88 kPa，顯示真空條件滿足，停一臺真空泵并投自動。

汽輪機組啟動必須建立真空，這樣即可以減小沖轉(zhuǎn)時的阻力，降低葉片承受應(yīng)力，還可以帶走鼓風損失造成的熱量。機組前期設(shè)定真空達到-88kPa以上后，顯示真空條件滿足，此條件是機組正常運行時保證經(jīng)濟性和安全性的真空值，對于機組啟動過程顯得過于嚴苛，進一步推遲了機組進入啟動下一階段。

3 優(yōu)化措施

3.1 溫熱態(tài)啟動汽包蒸汽供輔助蒸汽

機組啟動時蒸汽聯(lián)箱壓力范圍為0.7～0.8 MPa，溫度范圍為250～280 ℃，與高壓缸金屬溫度差不能超過±110 ℃。輔汽需滿足以下用戶的要求：汽機軸封用汽(汽溫>300 ℃；汽壓>0.80 MPa；最大汽量5.0 t/h)、汽機冷卻用汽(汽溫>160 ℃；汽壓>0.25 MPa；最大汽量35 t/h)、除氧器供汽(汽溫>300 ℃，汽壓>0.80 MPa，最大汽量6 t/h)。

用戶中汽機軸封用汽和除氧器供汽參數(shù)相對較高而用量較少，汽機冷卻用汽參數(shù)較低。圖5和圖6為某次熱態(tài)啟動前高、中、低壓過熱器出口溫度壓力變化趨勢圖。可以看出，高、中壓過熱蒸汽溫度壓力均減小，低壓過熱蒸汽壓力變化不大、溫度明顯下降。若利用高壓過熱蒸汽作為軸封用汽，會存在溫度符合需求而壓力超限的問題。若利用中壓過熱蒸汽作為軸封用汽，則存在壓力符合需求而溫度略低的問題。而低壓過熱蒸汽僅可以滿足汽機冷卻用汽要求。

圖5 停機后過熱器出口溫度變化趨勢

圖6 停機后過熱器出口壓力變化趨勢

表1 高中低壓過熱蒸汽參數(shù)

然而，機組解列后，蓄積在鍋爐內(nèi)的蒸汽參數(shù)隨時間逐漸減弱。前期高、中壓蒸汽存在的壓力或溫度超標問題會隨著衰減時長的增加逐步滿足軸封用汽的需求。因此，在機組解列后，檢查鍋爐、汽機高、中壓系統(tǒng)各疏水閥、放水閥關(guān)閉，手動關(guān)閉高、中壓主汽旁路調(diào)節(jié)閥，提高停機后高、中壓汽包壓力，增加鍋爐蓄熱。表1統(tǒng)計了4次機組停機后加強蓄熱后啟機前高、中壓過熱蒸汽參數(shù)，可以看出中壓過熱蒸汽基本能夠滿足軸封用汽的要求。若機組解列后停機時間更長，中壓過熱蒸汽溫度下降過多。為防止啟動時軸封汽與高壓缸金屬溫差過大，提高安全裕度，可在輔汽聯(lián)箱至軸封均壓箱間管道加裝電加熱器，將軸封汽參數(shù)提升至允許范圍。表1所示的幾次啟動過程中，以中壓過熱蒸汽作為軸封汽，參數(shù)在200～230 ℃，1.0～1.5 MPa，若啟動時啟用電加熱器提升軸封汽溫至260 ℃，需要電加熱器功率在110～228 kW。

3.2 循環(huán)水泵運行優(yōu)化

對暖機狀態(tài)下的循環(huán)水系統(tǒng)和凝汽器參數(shù)，采用熱平衡法計算凝汽器熱負荷，對凝汽器建模分析，以循環(huán)水流量(高低速泵)為變量，其他外部參數(shù)不變情況下進行計算，得到夏季冷態(tài)啟動與熱態(tài)啟動時暖機數(shù)據(jù)如表2、表3所示。夏季工況單泵高速運行，冷熱態(tài)暖機真空分別能達到8.49 kPa與9.52 kPa；單泵低速運行，冷熱態(tài)暖機真空為13.44 kPa與14.75 kPa。單泵高速運行滿足真空要求，循環(huán)水溫升等參數(shù)也在可控范圍內(nèi)。

表2 熱態(tài)啟動120 MW暖機真空(夏季)

表3 冷態(tài)啟動50 MW暖機真空(夏季)

因此，調(diào)整循泵開啟節(jié)點：第一臺循泵開啟時間維持不變，在凝汽器抽真空前，第二臺循泵開啟時間推遲至暖機結(jié)束前。

按夏季工況循泵運行方式調(diào)整后，一次機組啟動可節(jié)約廠用電1 500 kWh。

3.3 啟動過程真空斷點修改

目前的操作流程下，根據(jù)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，從啟動真空泵至真空達到-88 kPa時間在16～20 min,從圖4看出建立真空期間真空變化與時間基本呈線性關(guān)系，到達-85 kPa之后真空提升速度放緩。

修改啟動過程真空建立條件為真空達到-60 kPa且平均上升速率不小于4 kPa/min，能使機組提前5～7 min進入余熱鍋爐啟動階段。而實際上按照真空變化趨勢，經(jīng)過余熱鍋爐啟動階段，到透平啟動前，真空已經(jīng)能達到啟動要求的-88 kPa，與修改之前透平啟動時真空一致，并不會對機組正常運行的安全經(jīng)濟性造成不利影響。

4 經(jīng)濟性分析

采用余熱鍋爐汽包蒸汽供輔助蒸汽可以在溫熱態(tài)啟動下不使用啟動鍋爐，縮短啟動時間約1 h，節(jié)省啟動鍋爐耗氣4 000 Nm3及輔機的耗電，另外啟動鍋爐設(shè)計之初并沒有考慮到頻繁啟停的工況，啟動次數(shù)減少長期來看也降低了啟動鍋爐的檢修費用。

優(yōu)化之后產(chǎn)生的收益一是來自啟動階段節(jié)省的天然氣發(fā)電帶來的發(fā)電收益(發(fā)電量=節(jié)省天然氣/氣耗率)，二是循泵運行方式調(diào)整節(jié)省的外購電費用；增加了軸封電加熱器的用電費用支出。

目前浙江省9F級機組上網(wǎng)電價0.547元/kWh，機組發(fā)電平均氣耗率0.193 Nm3/kWh，企業(yè)外購電價0.604 7元/kWh。在不投入啟動鍋爐，暖機結(jié)束前投入一臺循泵，電加熱器以平均功率運行，計算得到表4，平均每次啟動能帶來12 272元收益。

表4 經(jīng)濟收益分析

5 結(jié)語

本文針對三菱701F4聯(lián)合循環(huán)機組啟動過程耗時長、耗能大的問題，探討了機組啟動過程中采用余熱汽包蒸汽供輔助蒸汽、優(yōu)化啟動階段循環(huán)水系統(tǒng)運行方式及修改真空建立斷點條件等措施來縮短啟動過程的可行性，為后續(xù)改造試驗細化啟動方案以提高機組啟動靈活性和經(jīng)濟性提供思路。