1 000 MW二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)參數(shù)優(yōu)化

徐 江，薛小宇

(國(guó)家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇泰州 225327)

超超臨界二次再熱機(jī)組的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，具有優(yōu)越性，與一次再熱機(jī)組相比，汽輪機(jī)增加了一個(gè)再熱汽缸，由于二次再熱循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性，研究并確定更為合理的機(jī)組啟動(dòng)參數(shù)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。在機(jī)組調(diào)試期間出現(xiàn)了汽輪機(jī)低速暖機(jī)時(shí)中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大的問(wèn)題，中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大會(huì)出現(xiàn)油動(dòng)機(jī)漏油并可能導(dǎo)致汽輪機(jī)軸承振動(dòng)大等后果，嚴(yán)重影響機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的設(shè)備安全。筆者根據(jù)2臺(tái)超超臨界二次再熱機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的低速暖機(jī)時(shí)中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大和低速暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)進(jìn)行分析，對(duì)多次冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以優(yōu)化冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)參數(shù)。

1 機(jī)組概況

2臺(tái)1 000 MW二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，選用某汽輪機(jī)廠引進(jìn)的西門子汽輪機(jī)，型式為超超臨界、二次中間再熱、五缸四排汽、單背壓、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N1000-31/600/610/610。機(jī)組采用高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，容量為100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)高壓旁路，50%BMCR中壓旁路和65%BMCR低壓旁路。

1.1 機(jī)組啟動(dòng)方式

汽輪機(jī)系統(tǒng)配置圖見(jiàn)圖1。該汽輪機(jī)系統(tǒng)有5個(gè)汽缸，即超高壓缸、高壓缸、中壓缸和2個(gè)低壓缸，配置2個(gè)超高壓主汽閥、2個(gè)超高壓調(diào)節(jié)閥、2個(gè)高壓主汽閥、2個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥、2個(gè)中壓主汽閥、2個(gè)中壓調(diào)節(jié)閥。采用超高壓缸、高壓缸和中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式，超高壓缸、高壓缸和中壓缸的調(diào)節(jié)閥同時(shí)進(jìn)汽，通過(guò)高、中、低壓三級(jí)旁路系統(tǒng)流通多余蒸汽，在數(shù)字電液(DEH)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制下實(shí)現(xiàn)機(jī)組在3 000 r/min下穩(wěn)定運(yùn)行。主蒸汽為串聯(lián)流程，即主蒸汽由超高壓缸→一次再熱器→高壓缸→二次再熱器→中壓缸→低壓缸→凝汽器。

VHP—超高壓缸；HP—高壓缸；IP—中壓缸；LP—低壓缸；VHP ESV—超高壓主汽閥；VHP CV—超高壓調(diào)節(jié)閥；HP ESV—高壓主汽閥；HP CV—高壓調(diào)節(jié)閥；IP ESV—中壓主汽閥；IP CV—中壓調(diào)節(jié)閥；RH1—一次再熱器；RH2—二次再熱器

圖1 二次再熱汽輪機(jī)系統(tǒng)配置

汽輪機(jī)各調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟順序見(jiàn)圖2。

圖2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟順序

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)控制超高壓缸、高壓缸及中壓缸的進(jìn)汽閥門，超高壓調(diào)節(jié)閥首先開(kāi)啟，控制汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，當(dāng)蒸汽體積流量指令到a點(diǎn)(20%)時(shí)，高壓缸和中壓缸的調(diào)節(jié)閥同時(shí)開(kāi)啟，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)高、中壓缸的進(jìn)汽量，使汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)帶負(fù)荷。

1.2 X準(zhǔn)則

汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)工質(zhì)需要滿足一定的條件，用來(lái)判斷主汽閥、調(diào)節(jié)閥是否可以開(kāi)啟，汽輪機(jī)是否可以升速到額定轉(zhuǎn)速以及是否可以并網(wǎng)，該條件在該汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中被稱為X準(zhǔn)則[1]，其中：X1、X2準(zhǔn)則判斷打開(kāi)超高壓主汽閥進(jìn)行預(yù)暖該閥門腔室的時(shí)機(jī)；X4、X5、X6準(zhǔn)則自動(dòng)判斷汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)蒸汽溫度；X7準(zhǔn)則判斷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸低速暖機(jī)是否完成；X8準(zhǔn)則判斷汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子和汽缸高速暖機(jī)是否完成可以進(jìn)行并網(wǎng)操作[2]。

1.3 旁路運(yùn)行模式

旁路運(yùn)行模式按照機(jī)組從最初的啟動(dòng)點(diǎn)火到?jīng)_轉(zhuǎn)并網(wǎng)、帶滿負(fù)荷，再到機(jī)組停運(yùn)檢修的不同階段，分為A1、A2、A3、B、C、D、E這幾種模式，其中：A模式為機(jī)組啟動(dòng)模式，A1模式為旁路全關(guān)模式，A2模式為旁路閥開(kāi)度控制模式，A3為升壓模式，A3模式經(jīng)歷汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)直至旁路全關(guān)；B模式為汽輪機(jī)正常運(yùn)行模式，旁路在自動(dòng)跟蹤方式，從A3模式到B模式的判斷邏輯為高壓旁路開(kāi)度<5%；C模式為汽輪機(jī)跳閘或發(fā)電機(jī)跳閘模式，而鍋爐未進(jìn)行主燃料跳閘(MFT)時(shí)，旁路進(jìn)入壓力控制模式；D模式為鍋爐MFT后的旁路控制模式，目標(biāo)壓力設(shè)定為14 MPa；E模式為機(jī)組停機(jī)檢修模式，MFT后可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定高壓旁路壓力目標(biāo)值。

2 沖轉(zhuǎn)參數(shù)優(yōu)化

2.1 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程

當(dāng)主蒸汽、再熱蒸汽的壓力、溫度達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)要求時(shí)，汽輪機(jī)超高壓調(diào)節(jié)閥先開(kāi)啟，隨后高壓缸和中壓缸的調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟，汽輪機(jī)開(kāi)始沖轉(zhuǎn)。冷態(tài)啟動(dòng)曲線見(jiàn)圖3。啟動(dòng)程序控制機(jī)組升速到低速暖機(jī)轉(zhuǎn)速870 r/min，并在暖機(jī)過(guò)程中滿足X7準(zhǔn)則。當(dāng)滿足X7準(zhǔn)則后，升速到3 000 r/min時(shí)開(kāi)始高速暖機(jī)，直到滿足X8準(zhǔn)則后進(jìn)行并網(wǎng)操作。

圖3 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線

2.2 暖機(jī)出現(xiàn)的問(wèn)題

汽輪機(jī)暖機(jī)轉(zhuǎn)速至870 r/min時(shí)，中壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)度較小、振動(dòng)較大，有明顯的節(jié)流聲音。原因是機(jī)組在空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了防止超高壓缸和高壓缸的排汽溫度過(guò)高而引起保護(hù)動(dòng)作，DEH控制系統(tǒng)增加了超高壓缸和高壓缸的進(jìn)汽量，減小了中、低壓缸的進(jìn)汽量，中壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)度小導(dǎo)致振動(dòng)大。同時(shí)由于進(jìn)汽量較小，中壓缸溫升較慢，低速暖機(jī)效果差，難以滿足X7準(zhǔn)則，直接影響汽輪機(jī)升速至3 000 r/min。

2.3 沖轉(zhuǎn)參數(shù)優(yōu)化

機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化前后的沖轉(zhuǎn)參數(shù)見(jiàn)表1。優(yōu)化前：在低速暖機(jī)過(guò)程中，中壓缸內(nèi)缸測(cè)點(diǎn)溫度從81.0 ℃升至250.0 ℃耗時(shí)262 min，溫升速率為0.645 K/min，中壓轉(zhuǎn)子溫度目標(biāo)值為249.5 ℃；機(jī)組定速在3 000 r/min時(shí)，超高壓缸、高壓缸和中壓缸的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度分別為5.1%、6.6%、2.1%，中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)較大，此次啟動(dòng)高速暖機(jī)時(shí)間為122 min。優(yōu)化后：在低速暖機(jī)過(guò)程中，中壓缸內(nèi)缸測(cè)點(diǎn)溫度從87.2 ℃升至251.5 ℃耗時(shí)147 min，溫升速率為1.12 K/min；機(jī)組定速3 000 r/min時(shí)，超高壓缸、高壓缸和中壓缸的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度分別為6.0%、8.3%、9.0%，中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大情況基本消失，但機(jī)組轉(zhuǎn)速在870 r/min低速暖機(jī)時(shí)，中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大情況依然存在，此次高速暖機(jī)時(shí)間為100 min。

表1 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化前后的沖轉(zhuǎn)參數(shù)

由表1可得：(1)降低冷態(tài)啟動(dòng)蒸汽初參數(shù)和凝汽器真空度，可以增加沖轉(zhuǎn)的蒸汽流量，從而加速暖機(jī)[3]；(2)蒸汽流量增大后，在機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min時(shí)，中壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)度明顯變大，振動(dòng)大情況基本消失，但機(jī)組轉(zhuǎn)速在870 r/min低速暖機(jī)時(shí)中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大的情況依然存在。

為了徹底解決該問(wèn)題，繼續(xù)對(duì)冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)蒸汽初參數(shù)：主蒸汽壓力為6.0 MPa、溫度為400～420 ℃，一次再熱蒸汽壓力為2.0～2.5 MPa、溫度為380～420 ℃，二次再熱蒸汽壓力為0.5 MPa、溫度為380～420 ℃。采用優(yōu)化后的沖轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行2次冷態(tài)啟動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)沖轉(zhuǎn)參數(shù)見(jiàn)表2，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度見(jiàn)表3，中壓缸內(nèi)缸測(cè)點(diǎn)溫度滿足X7準(zhǔn)則所需時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表4。

表2 優(yōu)化后試驗(yàn)的沖轉(zhuǎn)參數(shù)

表3 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度

表4 暖機(jī)時(shí)間對(duì)比

2.4 優(yōu)化后運(yùn)行注意事項(xiàng)

采用降低蒸汽參數(shù)的啟動(dòng)方式較好地解決了汽輪機(jī)在低速暖機(jī)時(shí)中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大的問(wèn)題，也提高了低速暖機(jī)效率，對(duì)其他X準(zhǔn)則的滿足未造成不良影響。該優(yōu)化的缺點(diǎn)是機(jī)組并網(wǎng)后，要及時(shí)調(diào)整鍋爐燃燒工況，將蒸汽參數(shù)提高。該機(jī)組采用定-滑-定壓力控制方式，在300 MW及以下負(fù)荷主蒸汽壓力設(shè)定為10 MPa，可以設(shè)置偏置±2 MPa，在這種壓力設(shè)置曲線下，在汽輪機(jī)旁路進(jìn)入B模式時(shí)主蒸汽壓力必須高于8 MPa，即在高壓旁路全關(guān)時(shí)，主蒸汽壓力必須高于8 MPa。若壓力低，為保證主蒸汽壓力高于8 MPa，汽輪機(jī)超高壓調(diào)節(jié)閥會(huì)不斷關(guān)小來(lái)調(diào)節(jié)主蒸汽壓力，極端情況下可能會(huì)出現(xiàn)超高壓調(diào)節(jié)閥全關(guān)導(dǎo)致逆功率保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。因此，在機(jī)組并網(wǎng)后必須及時(shí)調(diào)整鍋爐燃燒工況，提高蒸汽參數(shù)，同時(shí)關(guān)注高壓旁路開(kāi)度，避免出現(xiàn)在主蒸汽壓力低于8 MPa時(shí)高壓旁路全關(guān)的工況(高壓旁路開(kāi)度低于5%時(shí)邏輯判斷高壓旁路為全關(guān))。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者對(duì)該二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化冷態(tài)啟動(dòng)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)蒸汽初參數(shù)后，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)及分析，得到以下結(jié)論：

(1)低速暖機(jī)時(shí)汽輪機(jī)中壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)度明顯變大，中壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大情況得到顯著改善，提高了機(jī)組沖轉(zhuǎn)時(shí)的安全性。

(2)中低壓缸蒸汽流量增大，低速暖機(jī)時(shí)間由最初的262 min縮短至130 min左右，低速暖機(jī)效率明顯提高，高速暖機(jī)時(shí)間也縮短了30 min左右；汽輪機(jī)從沖轉(zhuǎn)到具備并網(wǎng)條件的時(shí)間由以前的384 min縮短到240 min以內(nèi)，大幅縮短啟動(dòng)時(shí)間，給機(jī)組啟動(dòng)不確定因素預(yù)留了較長(zhǎng)時(shí)間，保證了機(jī)組并網(wǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確性。