藺奕存，伍 剛，吳青云，譚祥帥，普建國，郭云飛，鞏桂亮，唐 爽，廖軍林，高景輝，孟穎琪

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.東莞深能源樟洋電力有限公司，廣東 東莞 523637）

隨著我國電力結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，電網(wǎng)的峰谷差日益增大，因此電網(wǎng)對機組的調(diào)峰能力要求也日益嚴(yán)苛[1-2]。為了提升機組啟動運行的靈活性，可通過優(yōu)化啟動方案以縮短機組的啟動時間，同時保障機組的安全性[3-4]。也可通過對機組相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行改造，并修改相關(guān)控制邏輯，以使汽輪機具備快速啟動能力[5]。

由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組（簡稱“聯(lián)合循環(huán)機組”）具有啟動速度快、調(diào)峰能力強、循環(huán)效率高、排放物污染小等特點，其裝機量逐年增多，在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)著調(diào)峰的重要作用[6-7]。為了響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰的要求或由于外部天然氣供應(yīng)不足等原因，導(dǎo)致聯(lián)合循環(huán)機組年平均利用小時數(shù)降低，機組冷態(tài)啟動次數(shù)逐漸增多[8]。由于聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機冷態(tài)啟動過程耗時較長，極大地降低了其靈活性。針對機組快速啟動方式，學(xué)者進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。鄭李鵬等[9]通過對汽輪機轉(zhuǎn)子在不同啟動方式下的熱應(yīng)力進(jìn)行分析，在保障汽輪機轉(zhuǎn)子安全性的前提下優(yōu)化了汽輪機啟動方式。瞿虹劍等[10]通過試驗確定合適汽輪機的在不同狀態(tài)下的暖機參數(shù)，并修改優(yōu)化聯(lián)合循環(huán)機組的啟動控制邏輯，縮短了機組的啟動時間。盧士文[11]通過增加高速暖機、規(guī)定冷態(tài)時汽輪機投入軸封條件以及提高汽輪機中速暖機時燃?xì)廨啓C負(fù)荷，不僅使機組滿足快速啟動的要求，而且提高了其運行經(jīng)濟性。黃慶[12]、賴曉華[13]等分別通過優(yōu)化機組啟動方式，使燃?xì)廨啓C與汽輪機缸溫相匹配，達(dá)到了機組快速冷態(tài)啟動的目的。鄭彥豪[14]運用質(zhì)量控制的方法，采用優(yōu)化余熱鍋爐停爐保養(yǎng)、縮短汽水取樣表計投入時間等方法縮短了聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動的時間。

結(jié)合聯(lián)合循環(huán)機組實際冷態(tài)啟動過程，燃?xì)廨啓C可以快速響應(yīng)并完成點火、定速及并網(wǎng)，但汽輪機由于金屬溫度等因素導(dǎo)致其不能夠快速實現(xiàn)定速及并網(wǎng)[15-16]。吳凌軒等[17]通過優(yōu)化汽輪機進(jìn)汽溫度，降低了汽輪機高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動過程中的最大應(yīng)力；在啟動中后期高壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平較低時，可通過縮短啟動時間以縮短汽輪機冷態(tài)啟動時間。馮磊等[18]針對同軸聯(lián)合循環(huán)機組，設(shè)計了汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)；通過理論計算，證明該方法可提高聯(lián)合循環(huán)機組靈活性。此外，聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動時汽輪機暖機過程使燃?xì)廨啓C長時間低負(fù)荷運行，造成其運行效率低、排放物超標(biāo)等問題的出現(xiàn)[19-20]。

為了實現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)下的快速啟動，增強機組運行的靈活性，降低機組排放，即要縮短或免除汽輪機的預(yù)暖過程，使其具備在燃?xì)廨啓C點火啟動后可以迅速沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)帶負(fù)荷的能力。

1 預(yù)暖系統(tǒng)及運行方式

某電廠為了使聯(lián)合循環(huán)機組在冷態(tài)啟動時可以快速響應(yīng)，縮短汽輪機啟動時間，設(shè)計并配套了聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)。

1.1 預(yù)暖系統(tǒng)

該預(yù)暖系統(tǒng)是利用臨機蒸汽或啟動鍋爐蒸汽，在聯(lián)合循環(huán)機組啟動之前，向汽輪機內(nèi)通入暖機蒸汽對汽輪機進(jìn)行預(yù)暖，以提升汽輪機金屬溫度，使汽輪機可以滿足溫態(tài)啟動條件，從而縮短機組整體啟動時間。汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of steam turbine preheating system

預(yù)暖蒸汽管路在進(jìn)入汽輪機前分為2路：一路為高壓預(yù)暖蒸汽管路，其上裝有2個氣動關(guān)斷閥；另一路為中壓預(yù)暖蒸汽管路，其上裝有1個氣動關(guān)斷閥和1個氣動關(guān)斷調(diào)節(jié)閥。暖機過程中，高壓預(yù)暖蒸汽流經(jīng)高壓預(yù)暖管路后，通過汽輪機高壓缸進(jìn)汽閥組進(jìn)入汽輪機；乏汽通過高排逆止閥排入凝汽器，構(gòu)成高壓暖機回路。中壓預(yù)暖蒸汽流經(jīng)中壓預(yù)暖蒸汽管路，不經(jīng)過中壓缸進(jìn)汽閥組，直接進(jìn)入中低壓缸做功；乏汽直接排入凝汽器，構(gòu)成中壓暖機回路。

1.2 運行方式

該聯(lián)合循環(huán)機組為“一拖一”設(shè)計。燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子為同軸布置，燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連。汽輪機轉(zhuǎn)子則通過自動同步（synchro-self-shifting，SSS）離合器的嚙合與其相連接。為了增大汽輪機暖機過程中的蒸汽進(jìn)汽量，采用了汽輪機倒拖燃?xì)廨啓C的運行方式，以此來縮短暖機時間。

預(yù)暖前，燃?xì)廨啓C和汽輪機分別在各自的盤車轉(zhuǎn)速下運行。利用靜態(tài)變頻器（static frequency converter，SFC）將燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速拖動至800 r/min后，開始向汽輪機通入預(yù)暖蒸汽，汽輪機沖轉(zhuǎn)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速800 r/min。當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速與燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速相當(dāng)時，SSS離合器自動嚙合，此時退出SFC運行，利用汽輪機轉(zhuǎn)子倒拖燃?xì)廨啓C和發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行汽輪機暖機。預(yù)暖啟動過程如圖2所示。

圖2 機組預(yù)暖啟動示意Fig.2 Schematic diagram of unit preheating start

2 啟動方式對比

2.1 常規(guī)冷態(tài)啟動方式

圖3為機組常規(guī)冷態(tài)啟動過程。

圖3 機組常規(guī)冷態(tài)啟動過程Fig.3 Conventional cold state start-up process of unit

由圖3可以看出，從燃?xì)廨啓C啟動至定速帶負(fù)荷大約需要30 min，說明燃?xì)廨啓C可以響應(yīng)電網(wǎng)快速啟動并網(wǎng)的要求。但汽輪機則需要長時間暖機后方可沖轉(zhuǎn)定速，這是由于汽輪機金屬溫度低的原因所致。此外，由于汽輪機中低壓轉(zhuǎn)子直徑較大，為了保證中低壓轉(zhuǎn)子可以暖透，從而減少沖轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力影響，汽輪機暖機時間需要根據(jù)實際中低壓轉(zhuǎn)子中心溫度值進(jìn)行函數(shù)計算而確定。由圖3可知，從燃?xì)廨啓C點火啟動到汽輪機沖轉(zhuǎn)定速大約需要4～5 h。

進(jìn)一步地，由于汽輪機金屬溫度的限制，為了避免機組升負(fù)荷過快而導(dǎo)致汽輪機轉(zhuǎn)子與汽缸間發(fā)生動靜碰磨的風(fēng)險，機組在聯(lián)合循環(huán)過程中升負(fù)荷速率同樣受到極大的限制。由圖3可知，該聯(lián)合循環(huán)機組從燃?xì)廨啓C啟動到機組聯(lián)合循環(huán)帶高負(fù)荷所需時間大約為7～8 h，極大降低了機組的靈活性，造成了較大的經(jīng)濟與能源損失。

2.2 汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)投入的機組冷態(tài)啟動

2.2.1 汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)投入

在機組冷態(tài)啟動中，為了減少機組的啟動時間，利用啟動鍋爐蒸汽對汽輪機進(jìn)行預(yù)暖，以提升汽輪機金屬溫度，使汽輪機可以滿足溫態(tài)啟動的要求。圖4—圖5曲線記錄了汽輪機冷態(tài)預(yù)暖過程中各參數(shù)的變化情況。

圖4 預(yù)暖過程中溫度及脹差變化趨勢Fig.4 Variation trends of temperature and expansion difference during preheating

圖5 汽輪機冷態(tài)預(yù)暖過程參數(shù)曲線Fig.5 Change curves of parameters of steam turbine during cold state preheating process

由圖4可以看出，高壓轉(zhuǎn)子中心溫度較中低壓轉(zhuǎn)子中心溫度升高較快且升溫速率明顯，這一差異是由于中低壓轉(zhuǎn)子直徑較大引起的。結(jié)合汽輪機冷態(tài)自啟動程序，暖機過程以暖透中低壓轉(zhuǎn)子為目標(biāo)，即中低壓轉(zhuǎn)子溫度超過200 ℃為結(jié)束節(jié)點，該條件可使汽輪機無需中速暖機即可直接沖轉(zhuǎn)定速的要求。

脹差反映了汽輪機轉(zhuǎn)子與汽缸之間的相對膨脹。由于汽輪機轉(zhuǎn)子的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于汽缸，因此汽輪機轉(zhuǎn)子比汽缸先受熱膨脹。由圖4可以看出，在暖機過程中，高壓缸脹差先升后降，說明了高壓轉(zhuǎn)子已得到了較好的預(yù)暖，高壓汽缸開始受熱膨脹。隨著預(yù)暖時間的增長，中低壓轉(zhuǎn)子中心溫度緩慢上升，中低壓缸脹差增大，說明預(yù)暖蒸汽的熱量用于加熱中低壓轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子膨脹量大于中低壓缸的膨脹量。此外，由圖4還可以看出，中低壓轉(zhuǎn)子中心溫度仍有上升趨勢，而中低壓缸脹差增長速率放緩。

由圖5可以看出：當(dāng)汽輪機與燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速相當(dāng)后，SSS離合器嚙合，燃?xì)廨啓C、汽輪機轉(zhuǎn)速相同；SSS離合器嚙合后，SFC立即退出運行；SFC退出后，機組轉(zhuǎn)速明顯下降，由800 r/min最低下降至534 r/min，而后又逐漸回升至660 r/min左右。

2.2.2 汽輪機預(yù)暖后的機組啟動

在對汽輪機進(jìn)行預(yù)暖后，對機組進(jìn)行了聯(lián)合啟動。啟動過程曲線如圖6所示。

圖6 預(yù)暖后機組啟動過程Fig.6 Starting process of the unit after preheating

由圖6可以看出，在對汽輪機進(jìn)行冷態(tài)預(yù)暖后，機組聯(lián)合循環(huán)啟動過程中，汽輪機無需進(jìn)行暖機可直接升至額定轉(zhuǎn)速。這使得機組聯(lián)合啟動時間大幅縮減，從燃?xì)廨啓C點火沖轉(zhuǎn)至汽輪機定速3 000 r/min，啟動過程大約需要80 min，較純冷態(tài)啟動縮短了2～3 h。

除此之外，在機組并網(wǎng)帶負(fù)荷過程中，由于汽輪機的轉(zhuǎn)子和汽缸得到了充分的預(yù)暖，因此機組帶負(fù)荷過程所需時間也大幅縮減。預(yù)暖后，機組聯(lián)合啟動帶負(fù)荷至280 MW所需時間約為3 h，較冷態(tài)啟動過程縮短了4～5 h。

汽輪機冷態(tài)預(yù)暖結(jié)束后，在機組聯(lián)合循環(huán)啟動過程中，汽輪機汽缸缸溫相對汽輪機轉(zhuǎn)子溫度較低。因此，在機組聯(lián)合循環(huán)啟動過程中，汽輪機中壓轉(zhuǎn)子溫度較暖機結(jié)束時略微下降（圖6）。這是由于汽輪機轉(zhuǎn)子的熱量在盤車過程中向汽缸傳遞所致。

3 預(yù)暖過程問題及優(yōu)化

在利用啟動鍋爐蒸汽對汽輪機進(jìn)行冷態(tài)預(yù)暖時，當(dāng)SSS離合器嚙合后，SFC退出運行，機組轉(zhuǎn)速有較大幅度的下降。因此，有必要對造成轉(zhuǎn)速下降的原因進(jìn)行分析，以優(yōu)化預(yù)暖過程，從而避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

預(yù)暖蒸汽參數(shù)變化趨勢如圖7所示。根據(jù)汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)設(shè)計要求，預(yù)暖蒸汽流量需為20～22 t/h，壓力參數(shù)為1.2～3.0 MPa。該廠單臺啟動鍋爐最大流量為15 t/h，2臺同時啟動可滿足蒸汽流量的要求。啟動鍋爐的啟停均根據(jù)預(yù)設(shè)啟動壓力實現(xiàn)。

圖7 預(yù)暖蒸汽參數(shù)變化趨勢Fig.7 Change trends of preheating steam parameters

由圖7可以看出：在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，2臺啟動鍋爐的蒸汽流量之和約為10 t/h，預(yù)暖蒸汽壓力約為1.1 MPa；汽輪機沖轉(zhuǎn)時，預(yù)暖蒸汽壓力降低的同時，蒸汽流量仍低于設(shè)計要求，導(dǎo)致了機組轉(zhuǎn)速的快速降低。由于啟動鍋爐根據(jù)預(yù)設(shè)壓力啟動后蓄熱仍需要一定的時間，在自啟動過程中仍具有一定的滯后性；隨后通過快速調(diào)整啟動鍋爐運行工況，提升預(yù)暖蒸汽參數(shù)，使機組轉(zhuǎn)速得以逐漸回升。另外，由于蒸汽參數(shù)降低，為了維持機組轉(zhuǎn)速，高壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥及中壓氣動關(guān)斷調(diào)節(jié)閥全開，減少了中低壓缸的進(jìn)汽量，同時也減小了中低壓缸的預(yù)暖效果。

進(jìn)一步地，為了防止該現(xiàn)象的發(fā)生，對預(yù)暖過程進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化。首先，在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，將啟動鍋爐蒸汽壓力及流量逐漸提升至設(shè)計值，以保證蒸汽參數(shù)滿足預(yù)暖要求。其次，當(dāng)SSS離合器嚙合后，SFC延遲5 min退出運行。這一過程中，根據(jù)暖機蒸汽參數(shù)調(diào)整啟動鍋爐的運行狀態(tài)。優(yōu)化后啟動過程中各參數(shù)的變化趨勢如圖8所示。最后，在預(yù)暖過程中，通過限制高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥閥位的方式，使高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小，以開大中壓暖機回路中氣動關(guān)斷調(diào)節(jié)閥的開度，從而增加中低壓缸的進(jìn)汽量，進(jìn)而使中低壓轉(zhuǎn)子及缸體得到充分的預(yù)暖，提高暖機效率。

圖8 優(yōu)化后啟動過程曲線Fig.8 Start-up process curves after optimization

由圖8可以看出：在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，提升預(yù)暖蒸汽壓力和流量分別至1.26 MPa和20 t/h；汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中，預(yù)暖蒸汽壓力下降至0.9 MPa；SSS離合器嚙合后，隨之提升預(yù)暖蒸汽流量，增加2臺啟動鍋爐出力滿負(fù)荷，但預(yù)暖蒸汽壓力仍得不到有效的提升。但借助SFC的拖動作用，機組的轉(zhuǎn)速維持不變。SFC退出后，機組轉(zhuǎn)速逐漸開始下降，但其下降速率緩慢，最終機組轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在625 r/min。此外，通過調(diào)整高壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥最大閥限為40%，不僅可以維持機組轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，同時也保證了中低壓缸的預(yù)暖蒸汽量。

4 經(jīng)濟性計算

汽輪機冷態(tài)預(yù)暖是為了在機組冷態(tài)啟動過程中省去汽輪機中速暖機過程，以達(dá)到機組快速啟動的目的。因此，僅對機組汽輪機暖機階段的經(jīng)濟性進(jìn)行分析計算[21]。

機組正常冷態(tài)啟動過程中，從燃?xì)廨啓C點火啟動至汽輪機定速約耗時4.5 h。這一過程中燃?xì)廨啓C共消耗燃?xì)饧s為93 690 m3。汽輪機冷態(tài)預(yù)暖過程大約耗時2.5 h。根據(jù)啟動鍋爐燃?xì)饫塾嫓y點可得消耗燃?xì)饧s為1 972 m3。兩者暖機時間相差約為2 h，消耗燃?xì)庀嗖?1 715 m3。按照當(dāng)前燃?xì)馐蹆r3元/m3計算，單次冷機預(yù)暖即可節(jié)省27.514 5萬元。按照機組每年平均6次冷態(tài)啟動計算，每年可節(jié)省165.087萬元。

5 結(jié) 論

1）利用汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)可以有效地縮短聯(lián)合循環(huán)機組冷態(tài)啟動時間，使機組啟動更具靈活性，以達(dá)到快速響應(yīng)電網(wǎng)快速調(diào)峰的要求。

2）預(yù)暖期間，在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，提高預(yù)暖蒸汽參數(shù)，可防止SFC退出后汽源壓力、流量參數(shù)的不足而導(dǎo)致機組轉(zhuǎn)速下降過快的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3）自機組冷態(tài)整套啟動開始到汽輪機定速，汽輪機預(yù)暖系統(tǒng)的投入，可有效縮短啟動時間約2～3 h，提高機組的經(jīng)濟性。

4）針對預(yù)暖過程中機組轉(zhuǎn)速無法維持目標(biāo)暖機轉(zhuǎn)速的問題，可通過將啟動鍋爐進(jìn)行擴容或通過臨機輔助蒸汽進(jìn)行機組冷態(tài)預(yù)暖來解決。