王振宇

(申能股份有限公司， 上海 201103)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(CCPP)機(jī)組以其高效、環(huán)保、靈活的特性，成為目前最重要的發(fā)電形式之一。國(guó)內(nèi)CCPP機(jī)組大多被定位為調(diào)峰機(jī)組，日開夜停、啟停頻繁，因而對(duì)輔助蒸汽(簡(jiǎn)稱輔汽)的使用非常頻繁[1-2]。輔汽系統(tǒng)作為機(jī)組運(yùn)行重要的輔助系統(tǒng)，其主要作用為：(1)為汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)提供汽源；(2)在機(jī)組啟動(dòng)階段，為凝結(jié)水除氧；(3)提高化學(xué)除鹽水的產(chǎn)量[3-4]。因此，對(duì)聯(lián)合循環(huán)電廠而言，輔汽系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行的合理經(jīng)濟(jì)性顯得十分重要。

筆者分析了國(guó)內(nèi)某F級(jí)聯(lián)合循環(huán)電廠現(xiàn)有的輔汽系統(tǒng)配置及運(yùn)行方式，嘗試引入機(jī)組低壓抽汽及冷再抽汽作為輔汽來(lái)源。為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目的，對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行了部分改造，并對(duì)輔汽運(yùn)行方式和控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，最后針對(duì)優(yōu)化前后的運(yùn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 現(xiàn)有輔汽系統(tǒng)配置及運(yùn)行方式

該電廠共布置4臺(tái)F級(jí)單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，因無(wú)鄰近汽源，其輔汽系統(tǒng)采用啟動(dòng)鍋爐供汽方式，主要供應(yīng)機(jī)組軸封汽、旁路除氧器以及化水系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。輔汽系統(tǒng)采用母管制，共設(shè)置2臺(tái)額定蒸發(fā)量為15 t/h的燃?xì)鈫?dòng)鍋爐。原本設(shè)計(jì)有機(jī)組冷再抽汽至輔汽母管接口，但由于系統(tǒng)復(fù)雜，漏點(diǎn)較多，蒸汽利用效率低，實(shí)際運(yùn)行中并未采用。

該廠各機(jī)組分完全停運(yùn)、備用、運(yùn)行幾種狀態(tài)：在完全停運(yùn)時(shí)，機(jī)組軸封真空退出運(yùn)行，無(wú)輔汽消耗；在備用時(shí)，機(jī)組軸封真空投入運(yùn)行，軸封供汽全部依賴輔汽；在正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)組軸封真空投入運(yùn)行，高、中壓軸封為自密封，低壓軸封仍依賴輔汽供汽。

圖1 全廠輔汽系統(tǒng)示意圖

在各種狀態(tài)下，輔汽系統(tǒng)皆由啟動(dòng)鍋爐供汽，具體運(yùn)行方式為：

(1) 當(dāng)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)下且備用機(jī)組不多于2臺(tái)時(shí)，啟動(dòng)鍋爐為1臺(tái)大火模式，1臺(tái)小火模式。

(2) 當(dāng)備用機(jī)組數(shù)量為1～2臺(tái)時(shí)，啟動(dòng)鍋爐為1臺(tái)大火模式，1臺(tái)小火模式。

(3) 當(dāng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)量為3～4臺(tái)時(shí)，啟動(dòng)鍋爐為2臺(tái)大火模式。

(4) 當(dāng)備用機(jī)組數(shù)量為3～4臺(tái)時(shí)，啟動(dòng)鍋爐為2臺(tái)大火模式。

該廠為氣電雙調(diào)峰機(jī)組，機(jī)組啟停頻繁，由于機(jī)組運(yùn)行階段與停用階段對(duì)輔汽的需求量變化很大，在多臺(tái)機(jī)組日開夜停的情況下，系統(tǒng)對(duì)輔汽的需求量變化更大，因此啟動(dòng)鍋爐運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換頻繁，從而導(dǎo)致啟動(dòng)鍋爐各設(shè)備壽命損耗加快、性能下降，問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，維護(hù)成本增加。

此外，大火模式下啟動(dòng)鍋爐每天的天然氣耗氣量約為1萬(wàn)m3，小火模式下啟動(dòng)鍋爐每天的天然氣耗氣量約為0.3萬(wàn)m3，2臺(tái)鍋爐年綜合天然氣消耗量約200萬(wàn)m3，耗氣量較大。隨著設(shè)備性能的逐步下降，耗氣量逐年增加。

若啟動(dòng)鍋爐在大火模式下發(fā)生跳閘，而全廠輔汽用戶較多，因啟動(dòng)鍋爐的熱容量較小，輔汽母管壓力會(huì)迅速下跌，易造成機(jī)組軸封系統(tǒng)輔汽供應(yīng)突然中斷，使機(jī)組的安全性受到影響。

綜上所述，當(dāng)前這種采用啟動(dòng)鍋爐為單一汽源的母管制輔汽系統(tǒng)的運(yùn)行方式在經(jīng)濟(jì)性與安全性兩方面都有一定的不足。

2 優(yōu)化分析及措施

2.1 優(yōu)化分析

2.1.1 優(yōu)點(diǎn)介紹

由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用啟動(dòng)鍋爐供輔汽存在較多不足，有必要考慮引入其他汽源，優(yōu)化輔汽供汽及運(yùn)行方式。F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐的熱容量相對(duì)于所述啟動(dòng)鍋爐要大得多，若用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽供應(yīng)機(jī)組輔汽，將會(huì)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 供汽可靠性提高。即使在輔汽用戶較多時(shí)發(fā)生機(jī)組跳閘，余熱鍋爐的余汽仍然可以維持較長(zhǎng)的時(shí)間持續(xù)向機(jī)組輔汽系統(tǒng)供汽，有足夠的時(shí)間進(jìn)行輔汽汽源切換，避免發(fā)生軸封斷汽等問(wèn)題；另外，利用余熱鍋爐供輔汽，即在原有啟動(dòng)鍋爐之外開辟了新汽源，幾種供汽汽源可互為備用，進(jìn)而又增加了輔汽運(yùn)行方式的靈活性和可靠性。

(2) 供汽經(jīng)濟(jì)性改善。盡管啟動(dòng)鍋爐供汽和余熱鍋爐供汽最終都是依靠消耗天然氣產(chǎn)生，但啟動(dòng)鍋爐供輔汽為直接燃燒天然氣來(lái)加熱爐水產(chǎn)汽，而余熱鍋爐供輔汽主要利用低壓或冷再的抽汽，其中低壓抽汽為燃?xì)廨啓C(jī)排煙加熱余熱鍋爐低壓系統(tǒng)產(chǎn)汽，冷再抽汽為燃?xì)廨啓C(jī)排煙加熱余熱鍋爐高壓系統(tǒng)產(chǎn)汽并經(jīng)高壓缸做功后的乏汽。一方面低壓抽汽和啟動(dòng)鍋爐蒸汽參數(shù)相當(dāng)(見(jiàn)表1)，而啟動(dòng)鍋爐與余熱鍋爐在熱轉(zhuǎn)換效率上存在明顯差距；另一方面，在機(jī)組停機(jī)后使用抽汽還可視為廢熱利用。因此，若機(jī)組運(yùn)行時(shí)采用低壓抽汽、機(jī)組停運(yùn)后采用低壓或冷再抽汽代替啟動(dòng)鍋爐作為輔汽來(lái)源，將不會(huì)對(duì)機(jī)組熱效率造成明顯影響，但能大幅減少啟動(dòng)鍋爐耗氣，提高天然氣綜合利用效率，改善輔汽系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

表1 各輔汽來(lái)源參數(shù)對(duì)比

(3) 啟動(dòng)鍋爐壽命損耗減緩。采用余熱鍋爐供輔汽，可直接由運(yùn)行機(jī)組或有余汽的停運(yùn)機(jī)組向全廠供輔汽，減少因機(jī)組輔汽需求量大幅變化而頻繁切換啟動(dòng)鍋爐運(yùn)行模式的次數(shù)，啟動(dòng)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)更加平穩(wěn)，設(shè)備壽命損耗得以減緩。

2.1.2 存在問(wèn)題

雖然采用余熱鍋爐供輔汽具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其中仍存在一些問(wèn)題需要解決：

(1) 該電廠為調(diào)峰機(jī)組，機(jī)組數(shù)量多，運(yùn)行方式多變，且輔汽系統(tǒng)管線長(zhǎng)、分支多。若采用余熱鍋爐供全廠輔汽，一定要充分考慮各種工況，做好全廠輔汽系統(tǒng)配置和運(yùn)行方式分析工作。

(2) 原設(shè)計(jì)雖預(yù)留了低壓主蒸汽抽汽至機(jī)組輔汽的接口，但因抽汽管道現(xiàn)場(chǎng)布置不合理，管道內(nèi)的疏水無(wú)法排除，因此將其作為輔汽汽源時(shí)，一定要避免管道水擊問(wèn)題及機(jī)組軸封電加熱棒遇水損壞問(wèn)題。

(3) 原設(shè)計(jì)在機(jī)組冷再抽汽至全廠輔汽母管間預(yù)留有接口，可通過(guò)調(diào)節(jié)閥門將冷再抽汽參數(shù)調(diào)整至接近啟動(dòng)鍋爐來(lái)輔汽參數(shù)，但因冷再抽汽管道接入全廠輔汽母管，系統(tǒng)大、漏點(diǎn)較多，對(duì)機(jī)組冷再抽汽的消耗大，因此將其作為輔汽汽源時(shí)，一定要注意抽汽使用效率問(wèn)題。

2.1.3 可行性

利用機(jī)組抽汽供輔汽，考慮到經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量選取接近輔汽用汽參數(shù)的系統(tǒng)蒸汽，對(duì)于三壓型余熱鍋爐來(lái)說(shuō)，首選低壓蒸汽系統(tǒng)，其次為冷再蒸汽系統(tǒng)。

低壓抽汽參數(shù)與啟動(dòng)鍋爐蒸汽參數(shù)接近，可以滿足機(jī)組輔汽要求。針對(duì)低壓抽汽因現(xiàn)場(chǎng)管道布置不合理導(dǎo)致管道內(nèi)疏水無(wú)法排除問(wèn)題，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，在抽汽管道最低點(diǎn)加裝自動(dòng)疏水器，及時(shí)放盡積水，則機(jī)組低壓抽汽完全可以利用。

原設(shè)計(jì)冷再抽汽參數(shù)略高于啟動(dòng)鍋爐來(lái)輔汽參數(shù)，但可通過(guò)減溫減壓調(diào)節(jié)至所需值。針對(duì)原設(shè)計(jì)將機(jī)組冷再抽汽管道接入全廠輔汽母管而造成實(shí)際冷再抽汽消耗大問(wèn)題，可改將機(jī)組冷再抽汽直接接入本機(jī)輔汽管道，將大大提高冷再抽汽供本機(jī)輔汽的利用效率。

另外，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有輔汽系統(tǒng)控制策略進(jìn)行研究與優(yōu)化，對(duì)啟動(dòng)鍋爐供汽、機(jī)組低壓抽汽及冷再抽汽管道熱控設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，還可在機(jī)組控制系統(tǒng)(DCS)中實(shí)現(xiàn)上述三路輔汽汽源的自動(dòng)投退及安全、有序切換。

2.2 綜合優(yōu)化措施

2.2.1 設(shè)備改造

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組低壓及冷再抽汽供輔汽，以及各種供汽方式間的切換與配合，需要對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行部分改造。

針對(duì)原本低壓主蒸汽抽汽管道疏水不暢的問(wèn)題，在機(jī)組低壓主蒸汽抽汽至輔汽管道最低點(diǎn)增加一路自動(dòng)疏水器，可以在輔汽切換至本機(jī)低壓抽汽時(shí)避免水擊現(xiàn)象發(fā)生，杜絕軸封電加熱棒遇水損壞。

針對(duì)當(dāng)前冷再抽汽至輔汽母管系統(tǒng)復(fù)雜、漏點(diǎn)多的問(wèn)題，將機(jī)組冷再抽汽管道直接接至本機(jī)輔汽電動(dòng)總門后，即可以實(shí)現(xiàn)冷再抽汽直接供本機(jī)輔汽，大大提高機(jī)組冷再抽汽的利用率，增加機(jī)組停運(yùn)后冷再抽汽的供汽時(shí)間(見(jiàn)圖2)。

圖2 機(jī)組輔汽系統(tǒng)示意圖

此外，啟動(dòng)鍋爐小火模式運(yùn)行時(shí)，其出口電動(dòng)門關(guān)閉，形成一段盲管，該處輔汽溫度較低，剛轉(zhuǎn)為大火模式時(shí)，出口電動(dòng)門打開，其出口輔汽溫度仍較低，易造成水擊。對(duì)此，在啟動(dòng)鍋爐出口各增加放汽暖管閥，并取消啟動(dòng)鍋爐出口輔汽母管逆止門，進(jìn)而提高啟動(dòng)鍋爐出口蒸汽溫度及供汽速度，避免水擊問(wèn)題發(fā)生。

2.2.2 運(yùn)行方式優(yōu)化

通過(guò)在所述電廠機(jī)組上進(jìn)行一系列試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際，最終形成了一套較優(yōu)的輔汽系統(tǒng)運(yùn)行方式：

(1) 當(dāng)1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、備用機(jī)組數(shù)量≤2臺(tái)(含無(wú)備用)時(shí)，由運(yùn)行機(jī)組低壓抽汽供本機(jī)及全廠輔汽用戶，啟動(dòng)鍋爐為1臺(tái)小火模式、1臺(tái)停運(yùn)。

(2) 當(dāng)1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、備用機(jī)組數(shù)量=3臺(tái)時(shí)，由運(yùn)行機(jī)組低壓抽汽供本機(jī)輔汽用戶，全廠輔汽母管由啟動(dòng)鍋爐供汽，此時(shí)啟動(dòng)鍋爐為1臺(tái)大火模式、1臺(tái)小火模式。

(3) 當(dāng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)量≥2臺(tái)時(shí)，無(wú)論是否有機(jī)組備用，均由運(yùn)行機(jī)組低壓抽汽供本機(jī)及全廠輔汽用戶，啟動(dòng)鍋爐為1臺(tái)小火模式、1臺(tái)停運(yùn)。

(4) 當(dāng)機(jī)組全停時(shí)，余熱鍋爐有余汽的機(jī)組由本機(jī)抽汽供本機(jī)輔汽用戶，全廠輔汽母管由啟動(dòng)鍋爐供汽，此時(shí)啟動(dòng)鍋爐為1臺(tái)大火模式、1臺(tái)小火模式。

(5) 當(dāng)機(jī)組全停且余熱鍋爐均無(wú)余汽時(shí)，由啟動(dòng)鍋爐向全廠輔汽母管供汽，此時(shí)啟動(dòng)鍋爐為1臺(tái)大火模式、1臺(tái)小火模式。

采用上述方式，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，以使用低壓抽汽供全廠輔汽為主，啟動(dòng)鍋爐多為備用；停機(jī)后則盡量利用余熱鍋爐余汽供本機(jī)輔汽，并優(yōu)先使用低壓抽汽，當(dāng)?shù)蛪撼槠坎蛔銜r(shí)(壓力低于0.25 MPa)，切由冷再抽汽參與輔汽供應(yīng)。

此外，為進(jìn)一步減少停運(yùn)機(jī)組對(duì)輔汽的消耗，還嘗試將停機(jī)后軸封真空的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行縮短。原設(shè)計(jì)機(jī)組停用后軸封真空運(yùn)行時(shí)間為9 h，若次日無(wú)開機(jī)計(jì)劃，則較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間直接造成輔汽浪費(fèi)。參照某同類型電廠做法，通過(guò)多次試驗(yàn)，探索將該工況下軸封真空運(yùn)行時(shí)間逐步縮短，優(yōu)化后，該時(shí)間僅為2 h，軸封停運(yùn)后汽輪機(jī)盤車轉(zhuǎn)速平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)、各軸承振動(dòng)無(wú)異常、汽缸溫差變化正常，設(shè)備運(yùn)行良好。

2.2.3 控制策略配套優(yōu)化

(1) 低壓主汽抽汽至機(jī)組輔汽控制優(yōu)化。將低壓主汽至機(jī)組輔汽抽汽電動(dòng)門由手動(dòng)操作改為自動(dòng)控制，可根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、低壓主汽參數(shù)及輔汽母管至機(jī)組的供汽狀態(tài)，對(duì)低壓抽汽供本機(jī)輔汽系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)投、退控制。

(2) 冷再抽汽自動(dòng)控制策略優(yōu)化。原有機(jī)組冷再抽汽供輔汽為手動(dòng)操作，且均通過(guò)輔汽母管向機(jī)組供汽。優(yōu)化改造后，機(jī)組冷再抽汽直接接至本機(jī)輔汽管道，其投退全部自動(dòng)控制：當(dāng)汽輪機(jī)走停順控時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)冷再抽汽啟動(dòng)順控，實(shí)現(xiàn)由冷再向機(jī)組輔汽自動(dòng)供汽的目標(biāo)；當(dāng)輔汽停用或輔汽由低壓抽汽正常供應(yīng)時(shí)，觸發(fā)冷再抽汽停用順控，自動(dòng)停止其向輔汽供汽；當(dāng)冷再供汽且其參數(shù)不滿足供汽要求時(shí)，自動(dòng)切由輔汽母管供汽。

(3) 啟動(dòng)鍋爐控制優(yōu)化。由于運(yùn)行方式優(yōu)化后，啟動(dòng)鍋爐將作為輔汽備用汽源常態(tài)化運(yùn)行，因此需要對(duì)其給水程控、汽包水位控制、主汽調(diào)門控制及燃燒機(jī)控制等進(jìn)行綜合優(yōu)化，提高啟動(dòng)鍋爐長(zhǎng)期小火模式運(yùn)行及小火轉(zhuǎn)大火時(shí)的可靠性，確保必要時(shí)可及時(shí)切由啟動(dòng)鍋爐供輔汽。此外，對(duì)新增加的電動(dòng)放汽暖管閥設(shè)置自動(dòng)控制邏輯，以提高啟動(dòng)鍋爐出口蒸汽溫度和供汽速度。

(4) 增強(qiáng)余熱鍋爐保溫、保壓效果的控制優(yōu)化。為提高停機(jī)后機(jī)組抽汽供應(yīng)能力，通過(guò)優(yōu)化停機(jī)控制參數(shù)來(lái)增強(qiáng)余熱鍋爐保溫、保壓效果，措施包括：優(yōu)化汽包水位控制，提高停機(jī)階段的鍋爐蓄熱能力，避免冷水進(jìn)汽包導(dǎo)致蒸汽壓力下跌；對(duì)高、中、低壓旁路控制進(jìn)行優(yōu)化，避免機(jī)組解列后因旁路開啟造成余熱鍋爐泄壓，浪費(fèi)余汽；縮短停機(jī)后關(guān)閉煙氣擋板的時(shí)間，使余熱鍋爐盡早進(jìn)入保溫、保壓模式。

3 應(yīng)用效果

3.1 優(yōu)化后輔汽系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

原有輔汽運(yùn)行方式下：當(dāng)機(jī)組備用時(shí)，全部軸封汽均由啟動(dòng)鍋爐供汽；當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，低壓軸封汽仍由啟動(dòng)鍋爐供汽。若發(fā)生大火模式啟動(dòng)鍋爐跳閘，備用啟動(dòng)鍋爐需要30 min才能轉(zhuǎn)換為大火模式進(jìn)行供汽，因啟動(dòng)鍋爐熱容量較小，無(wú)法維持機(jī)組軸封系統(tǒng)安全運(yùn)行30 min，會(huì)造成機(jī)組軸封斷汽，迫使備用機(jī)組退出備用狀態(tài)，運(yùn)行機(jī)組安全性受到影響。

對(duì)輔汽系統(tǒng)進(jìn)行改造與運(yùn)行方式上的優(yōu)化后，在機(jī)組運(yùn)行的情況下，可以利用運(yùn)行機(jī)組的低壓抽汽供本機(jī)及輔汽母管。即使發(fā)生機(jī)組跳閘，依靠余熱鍋爐熱容量上的巨大優(yōu)勢(shì)，也不會(huì)對(duì)機(jī)組輔汽系統(tǒng)造成斷汽的安全隱患。從停機(jī)后低壓抽汽參數(shù)曲線(見(jiàn)圖3)可以看出，其至少可供應(yīng)輔汽3 h(輔汽要求壓力不低于0.25 MPa，溫度不低于180 ℃)，若再考慮冷再抽汽作為低壓抽汽的備用，則供汽時(shí)間更加充裕。

圖3 停機(jī)后機(jī)組低壓抽汽參數(shù)曲線

此外，利用機(jī)組抽汽供應(yīng)輔汽，開辟了新的輔汽來(lái)源，減少對(duì)啟動(dòng)鍋爐的過(guò)度依賴，提高了全廠輔汽運(yùn)行的靈活性和可靠性。

3.2 優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

輔汽系統(tǒng)優(yōu)化前后的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。由表2可以看出：輔汽系統(tǒng)優(yōu)化后啟動(dòng)鍋爐耗氣量降低了50.5%，雖然優(yōu)化后輔汽系統(tǒng)會(huì)抽取一定量的低壓主蒸汽，但是從機(jī)組供電煤耗上看對(duì)機(jī)組熱效率并未產(chǎn)生明顯影響。若按照該電廠每年計(jì)劃發(fā)電量24億kW·h計(jì)算，預(yù)計(jì)可節(jié)約啟動(dòng)鍋爐天然氣耗氣量約98.07萬(wàn)m3，按天然氣2.5元/m3計(jì)算，扣除機(jī)組熱效率損失，每年可節(jié)省240萬(wàn)元左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表2 輔汽系統(tǒng)優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

筆者研究了國(guó)內(nèi)某聯(lián)合循環(huán)電廠的輔汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式，針對(duì)其目前存在的可靠性不足及經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)題，引入機(jī)組低壓抽汽及冷再抽汽作為輔汽來(lái)源。為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目的，對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行了部分改造，并對(duì)輔汽運(yùn)行方式和控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。事實(shí)證明優(yōu)化改造后輔汽系統(tǒng)運(yùn)行更加靈活、可靠性明顯提高，啟動(dòng)鍋爐氣耗降低了50.5%，年節(jié)省費(fèi)用約240萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。