M701F4燃气-蒸汽联合循环机组热态启动优化

王会勤

摘要：燃气轮机具有启停快速在电网中充当调峰任务的角色，目前绝大多数燃气机组均采用日开夜停方式运行，当接收调令开机时，如何能以最短的时间快速安全启动成为了每个燃气轮机电厂在探索和改进的重点方向。在我厂的实际运行中通过增加辅汽向空排、引入轴封电加热器以及调整开机参数等一些列技术改进措施缩短了联合循环机组启动时间，优化了机组启动过程。

Abstract： Gas Turbine plays the role of peak load regulation in the power grid. At present， the vast majority of gas-fired units are operated by day-start and night-stop mode. How to start quickly and safely in the shortest time has become the key direction of every gas turbine power plant in the exploration and improvement.  In the actual operation of our plant， a series of technical improvements such as the addition of auxiliary steam to the air exhaust， the introduction of shaft seal electric heaters and the adjustment of startup parameters have shortened the startup time of the combined cycle unit and optimized the unit startup process.

关键词：燃气机组;启停快速;快速安全启动;缩短启动时间

0  引言

燃气-蒸汽联合循环机组具有热效率高、清洁环保、启停快速等优点，尤其是近些年随着燃气机组容量增多其在电网中的调峰作用也越来越明显。大部分机组均采用昼开夜停的方式运行启停较为频繁。浙能常山天然气发电公司现有一套M701F4单轴燃气机组总装机容量458MW。配套外界汽源——辅助锅炉为SZS50-1.4/300-Q型，额定蒸发量50t/h，供气压力1.4MPa。设计初期由于我厂为单机运行，所以机组在冷、热态启动过程中均需采用辅助锅炉来提供启动初期所必须的辅助蒸汽，且在机组热态启动过程中由于需要控制辅助蒸汽与高压缸金属段壁温差小于115℃，会耗费较长时间提高辅助蒸汽温度。同时在三菱机组原先的设计理念中还有很多需要满足的条件达到后机组才能启动，这些都是我们可以着手努力优化改进的地方。

1  M701F4机组启动过程分析

我厂机组自2014年投产以来年运行小时数1000h，年平均机组启停次数为70次，其中热态启动次数占比较大为80%。以热态启动为例我们将三菱M701F4机组主要启动过程归结如下：①辅助系统投运，包括冷却水系统，仪用空气，控制油，罩壳风机，气体小间风机等;②辅助蒸汽母管暖管，提升辅助蒸汽母管温度大于260℃;③机组真空系统投运抽真空同时余热锅炉上水;④机组启动条件满足，点击啟动后机组升速至全速并网;⑤并网后，机组升速率至暖机负荷（冷态50MW，温态72MW，热态120MW）进行暖机;⑥暖机结束后，汽轮机进汽负荷升至225MW，直至负荷加满;在机组热态启动中经历以上六个主要阶段后，一般机组启动耗时均在130min（辅助蒸汽暖管过程，真空建立过程和机组升速至3000rpm/min过程，分别耗时约70min，30min，30min左右）。分析以上启动步骤，其中第一条辅助系统投运主要是一些辅机启动对机组启动时间缩短无影响。在机组升速以及并网、暖机、升负荷等过程均是按照逻辑设定正常进展。所以我们把能缩短机组启动时间的控制过程主要放在2、3两步中：提高辅汽母管温度拉升速度以及缩短机组真空满足条件。

2  初步优化改进措施

机组热态启动时的外界蒸汽汽源采用的是辅助锅炉来供给，由于辅助锅炉布置与主机较远，沿途疏水比较浪费时间，这些都是制约机组在热态启动时的启动时间，而在确保机组共轴封安全的前提下必须满足辅汽温度大于260℃。进行初步的原因排查中我们发现：①仅仅靠沿途疏水开启拉升辅汽母管温度，温升率很慢，必须增大暖管流量。②同时由于辅助锅炉距离主厂房距离较远，避免不了存在温降。即使是温度拉升速率提高，最后送入轴封集箱后蒸汽温度仍旧偏低。

故针对以上两种原因我们制定了如表2、图1措施。

在这些初步的改进措施执行后，我们对改进效果也进行了检验。辅助蒸汽温度拉升由于有大流量20T/h暖管排空，温升率较之前提高200%。同时由于在轴封蒸汽集箱前加装电加热器，可以在辅助蒸汽温度升高至160℃后，即可投入电加热器送入轴封，完全能够满供轴封温度大于260℃这一安全要求。因此拉升辅汽母管温度目前已经从原来的70min缩短至50min，缩短了20min的前期准备耗时。

3  深度优化措施

3.1 采用无辅助锅炉启动

为了进一步缩短整个机组启动耗时，我们决定采取用余热锅炉高中压余热供汽提供轴封供汽。主要是考虑余热锅炉高压系统温度压力较高，且供给辅助蒸汽管路较短，有利于快速疏水暖管，同时还能减少启动锅炉耗气。经过专业讨论和实际论证，形成了无启动锅炉启动方案，无启动锅炉启动方案包括以下几个方面：

①增加余热锅炉蓄热。在每日机组停机后，立即关闭炉侧和机侧的疏水相关阀门，同时在机组熄火后手动关闭高中压旁路，保证汽包压力高于正常停机设定压力，为次日机组启动提供更多热量。

②初期采用中压汽包压力供汽暖管，辅保证助蒸汽压力0.8MPa，过热度在20℃以上，轴封用汽量在5T/h。待中压压力降低至1MPa后，通过高压旁路将高压汽包蓄热通过再热器—辅汽管路继续疏水暖管。

③辅助蒸汽温度大于160℃后，投入轴封电加热器，将蒸汽温度快速提高至260℃，而后送入轴封。

④此方式由于锅炉过热器蓄热量有限，需优先保证轴封用汽，故需将机组2000rpm/min后的低压缸冷却蒸汽开度由30%降低到19.6%进行强制优化。

3.2 降低启动条件真空要求

以往的机组开机过程中，等待机组真空达到允许值后，机组方可启动。该机组启动允许条件中，凝汽器真空需达到-88kPa。为了进一步缩短机组启动时间，经多次试验后，仅将启动允许条件的真空值由-88kPa修改为-80kPa，真空保護跳机值仍保持原-76kPa不变，达到了既保证机组安全同时满足机组启动的要求。

修改之前我们也同厂家相关技术人员进行过咨询，确认后才进行改动。通过这样的参数修改后可以在机组进行抽真空的同时，进行机组启动前的复位等相关工作。根据操作快慢的不同，将机组的启动时间缩短约5min。

3.3 优化机组暖机参数

该机组冷态、温态、热态暖机负荷为50MW，72MW，120MW。汽机进汽条件中，蒸汽压力、温度都与暖机负荷有较大的关系，提高暖机负荷还可以进一步缩短机组暖机时间。尤其是温态启动过程，当汽轮机高压缸入口金属温度在230℃-400℃之间，机组都属于温态启动，但是燃气轮机的负荷暖机值都是72MW，低负荷下温升慢，导致进汽时间延长。因此认为当机组处于温态模式下，其所对应的不同缸温也应该采用不同的暖机负荷在78MW-120MW之间函数变动。同时其升负荷速率也改为介于冷态2.5MW/min与热态4.0MW/min之间函数变动。

通过以上三种进一步改进优化后，机组启动耗时进一步缩短热态启动时间。

4  成果与效益

4.1 热态启动时间得到缩短

在对本单位机组关于缩短启动时间这一问题进行了诸如以上主要措施后，我厂机组从2019年开始持续沿用以上技术改进，目前机组安全稳定运行，同时机组启动耗时大大减小，如图2。

4.2 机组在热态启动时无辅助锅炉启动，实现机组快速启动，产生的经济效益：

①少开一次辅助锅炉，节约天然气4000立方，按照市场价2.88元/m3计算直接节省费用11520元。

②机组热态启动时，新增的轴封加热器与辅助锅炉启动耗电可节约720kWh以上。

③辅助锅炉作为主机的备用炉，其少启动次数一次可以节约设备折旧、维护费用，每次2万元。

④机组快速启动机组提前40分钟进汽，机组可多发电40MW每次。

以2019年机组热态无辅助锅炉启动核算，机组单电费节约和天然气节约费用在70万元。辅助锅炉节省检修费用，69*2万/次=138万，每年节约145.7万元。

5  结论

在通过合适位置增加轴封加热器，优化开机参数，对于MF701F4同轴机组在没有外界汽源的情况下，实现了温热态快速启动;另外辅助锅炉一般对于单套机组作为的电厂是唯一的外界汽源，采用此种方式，大大提高了机组的可靠性。对于轴封加热器的投入时间和机组暖机参数的优化，仍然有很大的提升空间，需要我们不断探索研究。

参考文献：

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