IGCC配套聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐啟動曲線動態(tài)模擬

劉洪濤，許曉華，遲英偉，薛 利，胥登峰，馬豪軍

(山東電力基本建設(shè)總公司，山東 濟南 250014)

0 引言

沙特阿美石油公司在建吉贊項目是目前全球最大IGCC電站項目，項目設(shè)計發(fā)電量3850MW，動力島采用五個“二拖一”方式進行發(fā)電，每個發(fā)電模塊設(shè)兩臺燃氣輪機(西門子SGT6-5000F型)、兩臺余熱鍋爐和一臺汽輪機(西門子SST6-5000F型)。燃氣輪機可同時燃用合成氣和柴油，其中主燃料為合成氣，啟動及特殊運行工況下燃用超低硫柴油。與常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)電站相比，該項目IGCC配套聯(lián)合循環(huán)動力島不僅需要對外供電，還需向石油精煉廠和IGCC其它工藝過程供應(yīng)各參數(shù)等級的蒸汽、給水，同時還需接收來自這些工藝過程產(chǎn)生的蒸汽、回水，對外輸入、輸出接口繁多。余熱鍋爐作為蒸汽、給水關(guān)鍵的生產(chǎn)和接收設(shè)備，對全廠的安全可靠運行起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

通過動態(tài)模擬的方法，對余熱鍋爐冷啟動、溫啟動及熱啟動曲線進行了研究，通過啟動曲線獲得不同啟動方式下余熱鍋爐啟動所需最短時間，所獲結(jié)果可為相關(guān)工作提供參考依據(jù)。

1 余熱鍋爐性能參數(shù)和設(shè)計值

項目選用的余熱鍋爐為雙壓、再熱臥式鍋爐，設(shè)有兩級煙道燃燒器補燃，循環(huán)方式為自然循環(huán)，蒸汽壓力根據(jù)汽輪機負荷滑壓運行。沿?zé)煔饬飨蛞来尾贾眠^熱器、再熱器、高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器和省煤器，設(shè)有高壓和中壓汽包。典型工況下余熱鍋爐性能參數(shù)如表1所示。設(shè)計允許啟動次數(shù)如表2所示。由于燃機的排氣性質(zhì)和聯(lián)合循環(huán)機組快速啟停的調(diào)峰要求，使得余熱鍋爐在結(jié)構(gòu)、型式及運行操作上與常規(guī)燃煤鍋爐有顯著區(qū)別，啟動操作完全不同。

2 模擬設(shè)定條件

動態(tài)模擬所用模型為Siemens編制的動態(tài)模擬程序。模擬的啟動工況分別為冷啟動、溫啟動和熱啟動。燃機啟動初期需燃用燃油，當燃機負荷達到一定值后，將燃料由燃油逐步切換為合成氣。

模擬研究前，假定條件如下：余熱鍋爐相關(guān)參數(shù)見表1工況4。啟動次數(shù)滿足表2相關(guān)要求。啟動完畢后，燃機達到100%基準負荷。高壓蒸汽達到最低壓力時打開余熱鍋爐煙道燃燒器，同時燃機在10min內(nèi)達到滿負荷。高壓蒸汽達到最低壓力且燃機達到滿負荷5min內(nèi)，將需要引入的來自IGCC其它工藝過程的蒸汽引入余熱鍋爐高壓汽包和中壓汽包。余熱鍋爐高壓蒸汽最低壓力值為67.4bar，再熱蒸汽最低壓力值為18.2bar。余熱鍋爐高壓系統(tǒng)設(shè)有連接冷再系統(tǒng)的旁路系統(tǒng)，設(shè)計容量100%。啟動過程疏水及排汽根據(jù)情況進行開放。不同啟動方式下，余熱鍋爐高壓汽包和中壓汽包初始條件如表3所示。

表1 余熱鍋爐性能參數(shù)

參數(shù)工況4工況13燃機數(shù)據(jù)燃機燃料合成氣合成氣燃機負荷/%100100環(huán)境溫度/℃3030燃機排煙量/kg·s-1554．05554．55燃機排煙溫度/℃604．8604．7煙道燃燒器數(shù)據(jù)一級煙道燃燒器/MW23．50二級煙道燃燒器/MW32．40余熱鍋爐數(shù)據(jù)過熱蒸汽壓力/bar111．895．1過熱蒸汽溫度/℃586．6561．0過熱蒸汽流量/kg·s-1112．688．76冷再蒸汽壓力/bar31．829．6冷再蒸汽溫度/℃396．5387．7冷再蒸汽流量/kg·s-189．6483．84熱再蒸汽壓力/bar29．927．84熱再蒸汽溫度/℃583．0546．6熱再蒸汽流量/kg·s-1103．698．42

動力島熱力系統(tǒng)示意圖如圖1所示。示意圖僅簡化顯示了一臺燃機和一臺余熱鍋爐，實際設(shè)置情況為兩臺燃機和兩臺余熱鍋爐，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽匯合后一起送至汽輪機。余熱鍋爐為雙壓、再熱、自然循環(huán)、臥式鍋爐，設(shè)有兩級煙道燃燒器補燃。沿?zé)煔饬飨蛞来尾贾眠^熱器、再熱器、高壓蒸發(fā)器、中壓蒸發(fā)器和省煤器，設(shè)有高壓和中壓汽包。汽輪機為三壓、再熱汽輪機，汽輪機高壓缸和中低壓缸分別設(shè)有100%旁路系統(tǒng)，機組啟動過程中需保證旁路系統(tǒng)和凝汽器可用。機組在引入IGCC氣化單元VHP(超高壓)蒸汽的同時，還需對外輸出HHP(高高壓蒸汽)、HP(高壓)蒸汽、MP(中壓)蒸汽和LP(低壓)蒸汽，蒸汽引出管線上設(shè)有調(diào)溫調(diào)壓裝置，以滿足不同等級蒸汽參數(shù)設(shè)定要求。對余熱鍋爐啟動過程中的高壓蒸汽、再熱蒸汽、中壓蒸汽參數(shù)(流量、壓力、溫度)，以及鍋爐高、中壓汽包參數(shù)(壓力、溫度)隨時間的變化情況進行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)各蒸汽參數(shù)隨時間的變化規(guī)律與汽包參數(shù)變化規(guī)律基本一致。本文采用高、中壓汽包參數(shù)變化情況判斷余熱鍋爐啟動情況。

表2 余熱鍋爐允許啟動次數(shù)

啟動方式總次數(shù)定義冷啟動<50120h(長期停車)溫啟動<25048h(周末停車)熱啟動<5008h(夜間停車)

表3 汽包初始參數(shù)

啟動方式高壓汽包中壓汽包壓力/bar溫度/℃壓力/bar溫度/℃冷啟動130130溫啟動11001100熱啟動182074．8150

圖1 動力島熱力系統(tǒng)示意

3 模擬結(jié)果及分析

結(jié)合燃機設(shè)備啟動相關(guān)要求，擬定燃機啟動順序如下：環(huán)境溫度條件下，對燃機、余熱鍋爐及相關(guān)管道吹掃至少10min，燃機以啟動速度運轉(zhuǎn)；吹掃完畢后，燃機按照正常啟動程序啟動，包括在啟動速度下點火、空載加速至全速運轉(zhuǎn)、同步、并網(wǎng)；當燃機排氣溫度達到340℃時，保持燃機負荷穩(wěn)定，直至余熱鍋爐高壓過熱器出口聯(lián)箱溫度達到250℃；進一步提高燃機負荷至50%，保持燃機負荷穩(wěn)定，10min內(nèi)將燃料由燃油切換為合成氣，切換過程中保持燃機負荷不變；燃料切換完成后，繼續(xù)提高燃機負荷至100%；待高壓蒸汽達到最低壓力后，10min內(nèi)啟動余熱鍋爐煙道燃燒器，同時在5min內(nèi)引入來自IGCC其它工藝過程的蒸汽。模擬所獲余熱鍋爐冷啟動、溫啟動和熱啟動曲線分別如圖2～4所示。

圖2 余熱鍋爐冷啟動曲線

冷啟動、溫啟動和熱啟動的燃機啟動曲線顯示，燃機排氣溫度和壓力隨著負荷的提高而提高，余熱鍋爐相關(guān)參數(shù)隨燃機負荷的提高而提高，但有一定的滯后性。自吹掃指令發(fā)出，至余熱鍋爐開始有蒸汽產(chǎn)生，需要的時間大約為20min。

燃機排氣溫度達到340℃時，保持燃機負荷穩(wěn)定，直至余熱鍋爐高壓過熱器出口聯(lián)箱溫度達到250℃，不同啟動模式下該過程持續(xù)時間不同。冷啟動、溫啟動和熱啟動模式下，該過程所需時間分別約為24min、14min和4min。余熱鍋爐正常運行時，前排管束(過熱器、再熱器等)由于汽側(cè)蒸汽的冷卻作用，可以承受燃機的排氣溫度。但在余熱鍋爐啟動初期，由于鍋爐汽側(cè)還沒有蒸汽流通，如果不對燃機負荷進行控制，穩(wěn)定排氣溫度，就有可能造成前排管束超溫，當管束溫度超過材料工作溫度限值，就會造成受熱面損壞，威脅余熱鍋爐的安全可靠運行[3-6]。

圖3 余熱鍋爐溫啟動曲線

圖4 余熱鍋爐熱啟動曲線

當有穩(wěn)定蒸汽產(chǎn)生后，可以繼續(xù)提升燃機負荷。當燃機負荷達到50%基準負荷時，進行燃料切換。燃油切換燃氣過程中，保持燃機負荷穩(wěn)定。負荷不變情況下，燃機燃氣模式下排氣的流量和溫度均比燃油模式下高。燃機燃料切換過程歷時10min，期間余熱鍋爐平穩(wěn)升溫升壓。燃機燃料切換完成后，繼續(xù)提升燃機負荷，冷、溫、熱三種啟動模式下，燃機負荷從50%提升至100%所需時間均約10min。聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐受熱和承壓部件熱應(yīng)力的制約，反應(yīng)在對升溫升壓速率的嚴格控制。余熱鍋爐啟動時蒸汽參數(shù)的大小、升壓速度的快慢直接與燃機的排氣溫度和排氣流量有關(guān)，而排氣參數(shù)又與燃機的負荷相關(guān)。因此為滿足鍋爐以及汽輪機的升壓、暖管、暖機的需要，燃機不能像簡單循環(huán)運行方式下快速升至滿負荷運行，必須放慢加負荷的速度，負荷提升速率應(yīng)結(jié)合余熱鍋爐、汽輪機的需要[7-10]。

不同啟動模式下，余熱鍋爐完成啟動過程所需的時間不同。以余熱鍋爐汽包參數(shù)趨近穩(wěn)定作為鍋爐完成啟動的判斷依據(jù)，由圖2～4模擬所獲余熱鍋爐冷啟動、溫啟動和熱啟動曲線，大致可以得到余熱鍋爐冷、溫、熱啟動所需的時間分別為80min、70min和57min，對應(yīng)的燃機達到滿負荷所需時間分別約為67min、58min和47min。一定時間范圍內(nèi)，機組停機時間越短，再啟動所需要的時間也越短。冷態(tài)啟動余熱鍋爐升壓速度較快，如果經(jīng)常冷態(tài)啟動機組，必然有損鍋筒。因此應(yīng)盡量減少余熱鍋爐冷態(tài)啟動次數(shù)，盡可能在熱態(tài)或溫態(tài)下啟動。

4 結(jié)語

通過動態(tài)模擬的方法，對余熱鍋爐冷、溫、熱啟動曲線進行了研究。啟動過程余熱鍋爐相關(guān)參數(shù)隨燃機負荷的提高而提高，但有一定的滯后性，冷、溫、熱啟動所需的時間分別約為80min、70min和57min。啟動過程需要控制受熱面的升溫升壓速度，保證余熱鍋爐的安全可靠運行。

參考文獻：

[1]王 迪.余熱鍋爐啟動特性仿真研究[J].鍋爐制造,2016,(2):31-35.

[2]劉洪濤,遲英偉,薛 利,等.IGCC動力島余熱鍋爐給水設(shè)計熱負荷降低的應(yīng)對措施[J].電力科技與環(huán)保,2016,32(1):36-38.

[3]張才穩(wěn),姚瑋倩,蔡攸敏,等.PG6111FA“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機組啟動調(diào)試問題分析[J].燃氣輪機技術(shù),2012,25(2):55-58.

[4]劉文濤.余熱鍋爐快速啟動的探討[J].浙江電力,2002,21(2):38-39, 43.

[5]姚挺生,蔣建能,黃海保,等.無旁通煙囪燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的啟動[J].熱能動力工程,1999,80(2):152-154.

[6]李學(xué)偉,王春芳.600MW超臨界機組無爐水循環(huán)泵熱態(tài)啟動分析[J].電力科技與環(huán)保,2016,32(2):58-59.

[7]張志國.600MW直接空冷機組凝結(jié)水氫電導(dǎo)率異常的診斷與處理[J].電力科技與環(huán)保,2016,32(1):39-41.

[8]安貴成.660MW間接空冷機組循環(huán)水泵配置方案探討[J].電力科技與環(huán)保,2016,32(2):55-57.

[9]薛建明,柏 源,管一明,等.燃煤電廠超低排放綜合技術(shù)路線[J].電力科技與環(huán)保,2016,32(3):12-15.

[10]張 潔,孫衛(wèi)民,舒澤平.發(fā)電集團應(yīng)對燃煤電廠超低排放的思考[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(4):38-40.