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(jī)組的調(diào)峰能力要求也日益嚴(yán)苛[1-2]。為了提升機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行的靈活性,可通過優(yōu)化啟動(dòng)方案以縮短機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間,同時(shí)保障機(jī)組的安全性[3-4]。也可通過對機(jī)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(jī)具備快速啟動(dòng)能力[5]。
由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組(簡稱“聯(lián)合循環(huán)機(jī)組”)具有啟動(dòng)速度快、調(diào)峰能力強(qiáng)、循環(huán)效率高、排放物污染小等特點(diǎn),其裝機(jī)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(jī)組年平均利用小時(shí)數(shù)降低,機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)逐漸增多[8]。由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過程耗時(shí)較長,極大地降低了其靈活性。針對機(jī)組快速啟動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子在不同啟動(dòng)方式下的熱應(yīng)力進(jìn)行分析,在保障汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子安全性的前提下優(yōu)化了汽輪機(jī)啟動(dòng)方式。瞿虹劍等[10]通過試驗(yàn)確定合適汽輪機(jī)的在不同狀態(tài)下的暖機(jī)參數(shù),并修改優(yōu)化聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的啟動(dòng)控制邏輯,縮短了機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間。盧士文[11]通過增加高速暖機(jī)、規(guī)定冷態(tài)時(shí)汽輪機(jī)投入軸封條件以及提高汽輪機(jī)中速暖機(jī)時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷,不僅使機(jī)組滿足快速啟動(dòng)的要求,而且提高了其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。黃慶[12]、賴曉華[13]等分別通過優(yōu)化機(jī)組啟動(dòng)方式,使燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)缸溫相匹配,達(dá)到了機(jī)組快速冷態(tài)啟動(dòng)的目的。鄭彥豪[14]運(yùn)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(jì)投入時(shí)間等方法縮短了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的時(shí)間。
結(jié)合聯(lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)際冷態(tài)啟動(dòng)過程,燃?xì)廨啓C(jī)可以快速響應(yīng)并完成點(diǎn)火、定速及并網(wǎng),但汽輪機(jī)由于金屬溫度等因素導(dǎo)致其不能夠快速實(shí)現(xiàn)定速及并網(wǎng)[15-16]。吳凌軒等[17]通過優(yōu)化汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度,降低了汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動(dòng)過程中的最大應(yīng)力;在啟動(dòng)中后期高壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平較低時(shí),可通過縮短啟動(dòng)時(shí)間以縮短汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間。馮磊等[18]針對同軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組,設(shè)計(jì)了汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng);通過理論計(jì)算,證明該方法可提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組靈活性。此外,聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)暖機(jī)過程使燃?xì)廨啓C(jī)長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行,造成其運(yùn)行效率低、排放物超標(biāo)等問題的出現(xiàn)[19-20]。
為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)下的快速啟動(dòng),增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的靈活性,降低機(jī)組排放,即要縮短或免除汽輪機(jī)的預(yù)暖過程,使其具備在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)后可以迅速?zèng)_轉(zhuǎn)并網(wǎng)帶負(fù)荷的能力。
某電廠為了使聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)可以快速響應(yīng),縮短汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)間,設(shè)計(jì)并配套了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng)。
該預(yù)暖系統(tǒng)是利用臨機(jī)蒸汽或啟動(dòng)鍋爐蒸汽,在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動(dòng)之前,向汽輪機(jī)內(nèi)通入暖機(jī)蒸汽對汽輪機(jī)進(jìn)行預(yù)暖,以提升汽輪機(jī)金屬溫度,使汽輪機(jī)可以滿足溫態(tài)啟動(dòng)條件,從而縮短機(jī)組整體啟動(dòng)時(shí)間。汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 汽輪機(jī)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(jī)前分為2路:一路為高壓預(yù)暖蒸汽管路,其上裝有2個(gè)氣動(dòng)關(guān)斷閥;另一路為中壓預(yù)暖蒸汽管路,其上裝有1個(gè)氣動(dòng)關(guān)斷閥和1個(gè)氣動(dòng)關(guān)斷調(diào)節(jié)閥。暖機(jī)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(jī)高壓缸進(jìn)汽閥組進(jìn)入汽輪機(jī);乏汽通過高排逆止閥排入凝汽器,構(gòu)成高壓暖機(jī)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(jī)回路。
該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為“一拖一”設(shè)計(jì)。燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為同軸布置,燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子則通過自動(dòng)同步(synchro-self-shifting,SSS)離合器的嚙合與其相連接。為了增大汽輪機(jī)暖機(jī)過程中的蒸汽進(jìn)汽量,采用了汽輪機(jī)倒拖燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行方式,以此來縮短暖機(jī)時(shí)間。
預(yù)暖前,燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)分別在各自的盤車轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。利用靜態(tài)變頻器(static frequency converter,SFC)將燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速拖動(dòng)至800 r/min后,開始向汽輪機(jī)通入預(yù)暖蒸汽,汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速800 r/min。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速相當(dāng)時(shí),SSS離合器自動(dòng)嚙合,此時(shí)退出SFC運(yùn)行,利用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子倒拖燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),進(jìn)行汽輪機(jī)暖機(jī)。預(yù)暖啟動(dòng)過程如圖2所示。
圖2 機(jī)組預(yù)暖啟動(dòng)示意Fig.2 Schematic diagram of unit preheating start
圖3為機(jī)組常規(guī)冷態(tài)啟動(dòng)過程。
圖3 機(jī)組常規(guī)冷態(tài)啟動(dòng)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(jī)啟動(dòng)至定速帶負(fù)荷大約需要30 min,說明燃?xì)廨啓C(jī)可以響應(yīng)電網(wǎng)快速啟動(dòng)并網(wǎng)的要求。但汽輪機(jī)則需要長時(shí)間暖機(jī)后方可沖轉(zhuǎn)定速,這是由于汽輪機(jī)金屬溫度低的原因所致。此外,由于汽輪機(jī)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?zèng)_轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力影響,汽輪機(jī)暖機(jī)時(shí)間需要根據(jù)實(shí)際中低壓轉(zhuǎn)子中心溫度值進(jìn)行函數(shù)計(jì)算而確定。由圖3可知,從燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)定速大約需要4~5 h。
進(jìn)一步地,由于汽輪機(jī)金屬溫度的限制,為了避免機(jī)組升負(fù)荷過快而導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸間發(fā)生動(dòng)靜碰磨的風(fēng)險(xiǎn),機(jī)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(jī)組從燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)到機(jī)組聯(lián)合循環(huán)帶高負(fù)荷所需時(shí)間大約為7~8 h,極大降低了機(jī)組的靈活性,造成了較大的經(jīng)濟(jì)與能源損失。
2.2.1 汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng)投入
在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)中,為了減少機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間,利用啟動(dòng)鍋爐蒸汽對汽輪機(jī)進(jìn)行預(yù)暖,以提升汽輪機(jī)金屬溫度,使汽輪機(jī)可以滿足溫態(tài)啟動(dòng)的要求。圖4—圖5曲線記錄了汽輪機(jī)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(jī)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(jī)冷態(tài)自啟動(dòng)程序,暖機(jī)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(diǎn),該條件可使汽輪機(jī)無需中速暖機(jī)即可直接沖轉(zhuǎn)定速的要求。
脹差反映了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸之間的相對膨脹。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于汽缸,因此汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子比汽缸先受熱膨脹。由圖4可以看出,在暖機(jī)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(shí)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(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速相當(dāng)后,SSS離合器嚙合,燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速相同;SSS離合器嚙合后,SFC立即退出運(yùn)行;SFC退出后,機(jī)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(jī)預(yù)暖后的機(jī)組啟動(dòng)
在對汽輪機(jī)進(jìn)行預(yù)暖后,對機(jī)組進(jìn)行了聯(lián)合啟動(dòng)。啟動(dòng)過程曲線如圖6所示。
圖6 預(yù)暖后機(jī)組啟動(dòng)過程Fig.6 Starting process of the unit after preheating
由圖6可以看出,在對汽輪機(jī)進(jìn)行冷態(tài)預(yù)暖后,機(jī)組聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)過程中,汽輪機(jī)無需進(jìn)行暖機(jī)可直接升至額定轉(zhuǎn)速。這使得機(jī)組聯(lián)合啟動(dòng)時(shí)間大幅縮減,從燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火沖轉(zhuǎn)至汽輪機(jī)定速3 000 r/min,啟動(dòng)過程大約需要80 min,較純冷態(tài)啟動(dòng)縮短了2~3 h。
除此之外,在機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷過程中,由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和汽缸得到了充分的預(yù)暖,因此機(jī)組帶負(fù)荷過程所需時(shí)間也大幅縮減。預(yù)暖后,機(jī)組聯(lián)合啟動(dòng)帶負(fù)荷至280 MW所需時(shí)間約為3 h,較冷態(tài)啟動(dòng)過程縮短了4~5 h。
汽輪機(jī)冷態(tài)預(yù)暖結(jié)束后,在機(jī)組聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)過程中,汽輪機(jī)汽缸缸溫相對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度較低。因此,在機(jī)組聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)過程中,汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子溫度較暖機(jī)結(jié)束時(shí)略微下降(圖6)。這是由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱量在盤車過程中向汽缸傳遞所致。
在利用啟動(dòng)鍋爐蒸汽對汽輪機(jī)進(jìn)行冷態(tài)預(yù)暖時(shí),當(dāng)SSS離合器嚙合后,SFC退出運(yùn)行,機(jī)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(jī)預(yù)暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)鍋爐最大流量為15 t/h,2臺同時(shí)啟動(dòng)可滿足蒸汽流量的要求。啟動(dòng)鍋爐的啟停均根據(jù)預(yù)設(shè)啟動(dòng)壓力實(shí)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(jī)沖轉(zhuǎn)前,2臺啟動(dòng)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(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí),預(yù)暖蒸汽壓力降低的同時(shí),蒸汽流量仍低于設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致了機(jī)組轉(zhuǎn)速的快速降低。由于啟動(dòng)鍋爐根據(jù)預(yù)設(shè)壓力啟動(dòng)后蓄熱仍需要一定的時(shí)間,在自啟動(dòng)過程中仍具有一定的滯后性;隨后通過快速調(diào)整啟動(dòng)鍋爐運(yùn)行工況,提升預(yù)暖蒸汽參數(shù),使機(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)速,高壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥及中壓氣動(dòng)關(guān)斷調(diào)節(jié)閥全開,減少了中低壓缸的進(jìn)汽量,同時(shí)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(jī)沖轉(zhuǎn)前,將啟動(dòng)鍋爐蒸汽壓力及流量逐漸提升至設(shè)計(jì)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(yùn)行。這一過程中,根據(jù)暖機(jī)蒸汽參數(shù)調(diào)整啟動(dòng)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)。優(yōu)化后啟動(dòng)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(jī)回路中氣動(dòng)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(jī)效率。
圖8 優(yōu)化后啟動(dòng)過程曲線Fig.8 Start-up process curves after optimization
由圖8可以看出:在汽輪機(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)作用,機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持不變。SFC退出后,機(jī)組轉(zhuǎn)速逐漸開始下降,但其下降速率緩慢,最終機(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,同時(shí)也保證了中低壓缸的預(yù)暖蒸汽量。
汽輪機(jī)冷態(tài)預(yù)暖是為了在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程中省去汽輪機(jī)中速暖機(jī)過程,以達(dá)到機(jī)組快速啟動(dòng)的目的。因此,僅對機(jī)組汽輪機(jī)暖機(jī)階段的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析計(jì)算[21]。
機(jī)組正常冷態(tài)啟動(dòng)過程中,從燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)至汽輪機(jī)定速約耗時(shí)4.5 h。這一過程中燃?xì)廨啓C(jī)共消耗燃?xì)饧s為93 690 m3。汽輪機(jī)冷態(tài)預(yù)暖過程大約耗時(shí)2.5 h。根據(jù)啟動(dòng)鍋爐燃?xì)饫塾?jì)測點(diǎn)可得消耗燃?xì)饧s為1 972 m3。兩者暖機(jī)時(shí)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r(jià)3元/m3計(jì)算,單次冷機(jī)預(yù)暖即可節(jié)省27.514 5萬元。按照機(jī)組每年平均6次冷態(tài)啟動(dòng)計(jì)算,每年可節(jié)省165.087萬元。
1)利用汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng)可以有效地縮短聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間,使機(jī)組啟動(dòng)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(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)速下降過快的現(xiàn)象出現(xiàn)。
3)自機(jī)組冷態(tài)整套啟動(dòng)開始到汽輪機(jī)定速,汽輪機(jī)預(yù)暖系統(tǒng)的投入,可有效縮短啟動(dòng)時(shí)間約2~3 h,提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。
4)針對預(yù)暖過程中機(jī)組轉(zhuǎn)速無法維持目標(biāo)暖機(jī)轉(zhuǎn)速的問題,可通過將啟動(dòng)鍋爐進(jìn)行擴(kuò)容或通過臨機(jī)輔助蒸汽進(jìn)行機(jī)組冷態(tài)預(yù)暖來解決。