1000MW二次再熱汽輪機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)難點(diǎn)分析

葉 羅，李 冬，李 敏，吳俊東

(國(guó)電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

泰州公司二期工程3號(hào)、4號(hào)1000MW汽輪發(fā)電機(jī)組于2015年9月、2016年1月先后高標(biāo)準(zhǔn)投運(yùn)。在全世界首次將二次再熱技術(shù)應(yīng)用到百萬(wàn)千瓦等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，該工程發(fā)電效率為47.82%, 發(fā)電煤耗為256.86g/kWh，比當(dāng)今世界最好水平低6g/kWh，同時(shí)二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放量減少5%以上，優(yōu)于燃?xì)鈾C(jī)組排放水平，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組能效、排放水平大幅提升。根據(jù)二期工程運(yùn)行的實(shí)際情況，就熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中存在的難點(diǎn)進(jìn)行分析和處理, 對(duì)大容量二次再熱汽輪機(jī)組的啟動(dòng)控制具有一定的參考意義。

機(jī)組設(shè)高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)汽機(jī)旁路系統(tǒng)，旁路按不考慮停機(jī)不停爐及帶廠用電運(yùn)行功能來(lái)設(shè)計(jì)。高壓旁路從主蒸汽接到一級(jí)低溫再熱器冷段，同時(shí)起鍋爐主汽安全閥功能。中、低壓旁路容量按滿足啟動(dòng)功能的要求設(shè)置。

1 熱態(tài)啟動(dòng)方式及特點(diǎn)

二次再熱機(jī)組采用超高、高、中壓缸三缸聯(lián)合啟動(dòng)方式。主蒸汽為串聯(lián)流程，即主蒸汽由超高壓缸進(jìn)入→超高壓缸排汽至一級(jí)再熱器→進(jìn)入高壓缸→高壓缸排汽至二級(jí)再熱器→進(jìn)入中壓缸→低壓缸→凝汽器。在啟動(dòng)階段，旁路控制器參與控制三級(jí)旁路開度以調(diào)整、保持主蒸汽、一、二次再熱器蒸汽壓力在設(shè)定的范圍。

熱態(tài)啟動(dòng)是指機(jī)組停用8h以內(nèi)重新啟動(dòng)，超高壓轉(zhuǎn)子平均溫度400～540℃。熱態(tài)啟動(dòng)的主要特點(diǎn)是啟動(dòng)前汽輪機(jī)缸溫及轉(zhuǎn)子金屬溫度較高，一般為額定參數(shù)的80%左右[1]，故對(duì)所需求的進(jìn)汽參數(shù)要求高。同時(shí)啟動(dòng)速度和安全也會(huì)受到汽輪機(jī)各金屬部件熱應(yīng)力制約。并且，一般在機(jī)組跳閘后，事故原因一經(jīng)查明，消除后立即進(jìn)行熱態(tài)啟動(dòng)，至并網(wǎng)帶負(fù)荷間隔時(shí)間短，啟動(dòng)速率較快等。對(duì)于機(jī)組每一次啟動(dòng)，均會(huì)造成機(jī)組使用壽命的折損。在這種工況下啟動(dòng)處置不當(dāng)將大大增加機(jī)組壽命損耗，對(duì)于汽輪機(jī)的壽命造成極大的影響。二次再熱汽輪機(jī)系統(tǒng)配置如圖1。

1.1 啟動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力控制

在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，汽輪機(jī)處于非穩(wěn)定狀態(tài)下，選擇與設(shè)備金屬溫度相當(dāng)?shù)恼羝麥囟葘?duì)于汽輪機(jī)運(yùn)行的成本和應(yīng)力優(yōu)化是一個(gè)重要的措施。

二次再熱汽輪機(jī)組對(duì)常規(guī)一次再熱多一個(gè)汽缸及對(duì)應(yīng)進(jìn)汽系統(tǒng)，繼而TSE控制器受限條件也更為復(fù)雜。二次再熱機(jī)組主要對(duì)超高壓主汽門、超高壓主調(diào)門、超高壓汽缸、超高壓轉(zhuǎn)子、高壓主汽門、高壓主調(diào)門、高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子等部件進(jìn)行溫度監(jiān)視，通過(guò)衡量金屬表面同內(nèi)部平均溫度之間的溫度差值與允許溫度差值來(lái)計(jì)算允許的溫、降升率，該差值以應(yīng)力裕度的形式來(lái)表示。所有測(cè)量的溫度及應(yīng)力裕度均進(jìn)行指示及記錄，并且取上述部件最小應(yīng)力裕度參與到機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制回路和負(fù)荷控制回路中，決定是否限制機(jī)組升轉(zhuǎn)速或負(fù)荷。

圖1 二次再熱汽輪機(jī)系統(tǒng)配置

由于轉(zhuǎn)子的徑向厚度比汽缸厚度大很多，蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子外表面的放熱系數(shù)遠(yuǎn)大于對(duì)汽缸內(nèi)壁的放熱系數(shù)，此外轉(zhuǎn)子表面有許多應(yīng)力集中區(qū)，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑的溫差和產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽缸[2]，因此轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力大小對(duì)汽輪機(jī)壽命起著決定性作用，故需要對(duì)轉(zhuǎn)子TSE溫度裕度重點(diǎn)關(guān)注，以保持在整個(gè)過(guò)程有一定的裕量，如圖2所示。

注意事項(xiàng)：做好汽輪機(jī)各部件溫度裕度的監(jiān)視，以此來(lái)調(diào)整對(duì)應(yīng)所需進(jìn)汽參數(shù)并保持參數(shù)的穩(wěn)定；由于熱態(tài)啟動(dòng)特點(diǎn)，蒸汽流量在并網(wǎng)帶初負(fù)荷后才有明顯增加，此時(shí)對(duì)金屬表面的沖擊也最大。在此階段應(yīng)根據(jù)汽輪機(jī)TSE情況增加負(fù)荷，同時(shí)應(yīng)關(guān)注DEH升負(fù)荷速率，機(jī)組并網(wǎng)正常后可適當(dāng)降低升負(fù)荷速率至20MW/min；當(dāng)蒸汽參數(shù)出現(xiàn)擾動(dòng)異常升高或降低時(shí)，各金屬部件升降應(yīng)力裕度小于-15K，汽機(jī)轉(zhuǎn)速、蒸汽流量或負(fù)荷不能再進(jìn)一步增加同時(shí)避免蒸汽溫度進(jìn)一步升高。當(dāng)各金屬部件升裕度小于-20K，應(yīng)立即手動(dòng)遮斷汽輪機(jī)。

1.2 熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)X準(zhǔn)則的匹配

X準(zhǔn)則是一種動(dòng)態(tài)可變溫度準(zhǔn)則，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度匹配和熱應(yīng)力的最佳斷點(diǎn)控制[3]，用于判斷是否可以打開主汽門對(duì)調(diào)門進(jìn)行預(yù)熱、汽輪機(jī)是否可以打開調(diào)門實(shí)現(xiàn)沖轉(zhuǎn)、是否可升速到額定轉(zhuǎn)速以及能否發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷。作為汽輪機(jī)自啟動(dòng)步序條件一部分，通過(guò)可變的溫度準(zhǔn)則判定當(dāng)前蒸汽狀態(tài)是否達(dá)到預(yù)期以及決定是否進(jìn)入下一狀態(tài)。

圖2 金屬最小應(yīng)力裕度

以某次熱態(tài)啟動(dòng)為例，在整個(gè)SGC自啟動(dòng)階段，X5準(zhǔn)則遲遲難以滿足。X5準(zhǔn)則應(yīng)用于沖轉(zhuǎn)前蒸汽狀態(tài)判定，其控制策略是：A/B側(cè)超高壓主汽門前溫的最小值，大于超高壓轉(zhuǎn)子體平均溫度和超高壓外缸體平均溫度間的大值。目的是避免沖轉(zhuǎn)過(guò)程中超高壓汽輪機(jī)汽缸及轉(zhuǎn)子的冷卻。

X5準(zhǔn)則可有式(1)和表1確定：

X5=Tms-F(Tmcv)

(1)

式中：Tms為左、右側(cè)超高壓主汽門前溫度間的最小值；Tmcv為超高壓轉(zhuǎn)子體平均溫度和超高壓外缸體平均溫度間的最大值；F(Tmcv)為Tmcv對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。

表1 X5準(zhǔn)則中Tmcv對(duì)應(yīng)函數(shù)值F(Tmcv) ℃

根據(jù)X5準(zhǔn)則的定義，若要X5>0準(zhǔn)則滿足，可以通過(guò)增加燃料量、總風(fēng)量等措施提高主蒸汽溫度。以某次啟動(dòng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度515℃的條件，需控制超高壓主汽門前溫度>532℃，然而過(guò)高的啟動(dòng)參數(shù)會(huì)給后續(xù)帶來(lái)系列問(wèn)題和難度。為保證啟動(dòng)的一次成功，該廠研究決定，機(jī)組跳閘后至再啟動(dòng)時(shí)間不少于10h，使對(duì)應(yīng)部件金屬溫度有個(gè)適當(dāng)下降空間。

1.3 啟動(dòng)參數(shù)的匹配和控制

在啟動(dòng)參數(shù)的選擇和控制，正如前文所述，首先需考慮的是滿足汽輪機(jī)各金屬部件熱應(yīng)力的要求，既滿足TSE，又要滿足對(duì)X準(zhǔn)則的需求，實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)步序的走步。對(duì)于熱態(tài)沖轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)備制造商建議為：超高缸進(jìn)汽參數(shù)為：14MPa/540℃，高壓缸進(jìn)汽3.0～3.5MPa/520℃中壓缸進(jìn)汽0.8～1.0MPa/520℃。在該工程初期調(diào)試中，在這么高的參數(shù)給超高壓缸/高壓缸排汽溫度帶來(lái)較大的控制難度。

三缸聯(lián)合啟動(dòng)過(guò)程中，尤其在低速動(dòng)摩檢查停留(870r/min)及達(dá)額定轉(zhuǎn)速等待并網(wǎng)階段，由于蒸汽流量低鼓風(fēng)摩擦帶來(lái)的熱量不足以被帶走，排汽溫度上升明顯。為保護(hù)末級(jí)葉片西門子汽輪機(jī)組設(shè)定了排汽溫度高保護(hù)。其策略是在第一階段關(guān)小中壓調(diào)門開度以提高超高壓/高壓缸進(jìn)汽量；第二階段切除對(duì)應(yīng)汽缸進(jìn)汽并開啟通風(fēng)閥，將該汽缸抽真空；第三階段則為觸發(fā)ETS停機(jī)保護(hù)。

通過(guò)分析多次啟動(dòng)采取以下措施將有利于改善因排汽溫度高導(dǎo)致的啟動(dòng)中斷的問(wèn)題：

合理分配超高壓缸、高壓缸進(jìn)汽量[4]。主要手段就是優(yōu)化啟動(dòng)參數(shù)，控制好主蒸汽、一再蒸汽壓力比值。例如某次啟動(dòng)選擇參數(shù)：主蒸汽9MPa/510 ℃，一次再熱蒸汽3.8MPa/500 ℃，二次再熱蒸汽1MPa/485 ℃。機(jī)組3000r/min時(shí)超高壓缸、高壓缸排汽峰值分別為477℃/450℃，后在中調(diào)門參與控制下，超高壓缸排汽溫度得到控制并有小幅回落。在汽輪機(jī)升速前，逐步進(jìn)行并網(wǎng)前電氣準(zhǔn)備及備用磨煤機(jī)啟動(dòng)準(zhǔn)備工作，保證在3000r/min定速后，控制并網(wǎng)時(shí)間在10min內(nèi)，并加負(fù)荷至150MW。由于并網(wǎng)前中調(diào)門開度小，需注意因進(jìn)汽流量較小產(chǎn)生汽流激振而導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)振動(dòng)大的問(wèn)題。節(jié)流真空泵入口閥以及停運(yùn)真空泵方式降低主機(jī)真空，使得暖機(jī)進(jìn)汽量增加。

1.4 低壓旁路減溫器容量不足

熱態(tài)啟動(dòng)相比較冷態(tài)啟動(dòng)，在啟動(dòng)初期對(duì)鍋爐而言是一個(gè)冷卻的過(guò)程，故熱態(tài)啟動(dòng)整體升溫升壓率要更高，以盡快滿足鍋爐燃燒率與鍋爐金屬溫度的匹配。為保障一次性沖轉(zhuǎn)和快速并網(wǎng)至初負(fù)荷的需求，燃料量的投用量多且快，高、中、低壓旁路大流量的作用是不可或缺的[5]。該機(jī)型低壓旁路由二次再熱蒸汽管道接出，經(jīng)減溫減壓后接入凝汽器喉部，其減溫水水源為凝結(jié)水。為實(shí)現(xiàn)凝汽器溫度保護(hù)，防止高溫蒸汽對(duì)凝汽器進(jìn)行直接沖刷，設(shè)置了低旁快關(guān)保護(hù)。其控制策略為當(dāng)?shù)团訟/B出口溫度>150℃，低旁快關(guān)。在某次在升溫升壓階段，高/中/低壓旁路開度分別為70%、100%、100%，低旁減溫水調(diào)節(jié)閥開度100%，凝結(jié)水壓力1.6MPa。在隨著煤量的繼續(xù)投用，鍋爐蒸發(fā)量進(jìn)一步上升，在大量蒸汽涌至低旁，低旁減溫水已跟不上需求，導(dǎo)致低旁出口溫度高，低旁快關(guān)。由于此時(shí)煤量已經(jīng)大于80t/h，兩側(cè)低旁全關(guān)且中壓缸未進(jìn)汽，鍋爐MFT。針對(duì)此問(wèn)題需控制好以下幾個(gè)方面：升溫升壓時(shí)燃料投用量應(yīng)所需與蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)，同時(shí)需把握好時(shí)機(jī)，可在低速暖機(jī)快結(jié)束時(shí)加快燃料投用量，利用后期升速并網(wǎng)消耗所產(chǎn)出蒸汽從而減輕旁路負(fù)擔(dān)；在熱態(tài)啟動(dòng)中凝泵調(diào)節(jié)可采取自動(dòng)控壓模式，保證低旁減溫水水源壓力穩(wěn)定。并且要關(guān)注凝結(jié)水用戶的投運(yùn)比如低壓缸排汽減溫水、立管減溫水等，防止突然投用導(dǎo)致凝結(jié)水壓力下降[6]。

2 結(jié)語(yǔ)

總之，在熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中最重要的是選擇合適的啟動(dòng)參數(shù)，同時(shí)做好機(jī)、爐、電之前配合盡量減少不必要的停留，保證各操作節(jié)點(diǎn)流暢性。作為世界首批百萬(wàn)二次再熱機(jī)組，泰州公司完成了二次再熱機(jī)組在啟動(dòng)方式及參數(shù)控制上的優(yōu)化以及運(yùn)行操控的標(biāo)準(zhǔn)化管理。后續(xù)，在前期工作的基礎(chǔ)上，還要結(jié)合機(jī)組運(yùn)行實(shí)際，進(jìn)行完善和改進(jìn)，爭(zhēng)取達(dá)到更高的運(yùn)行操控和管理水平，為今后同類型的機(jī)組提供運(yùn)行調(diào)整上的經(jīng)驗(yàn)。