薛 濤，李 鑫，陳君翱，白鴻宇，楊明達(dá)，李冠伯

(華能重慶兩江燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶 400714)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有啟動(dòng)迅速、快速響應(yīng)調(diào)峰、污染小等眾多優(yōu)勢(shì)。從三菱燃機(jī)在全國(guó)的分布圖不難看出，其占比沿海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)較高，內(nèi)陸地區(qū)相對(duì)較低。在西南區(qū)域，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組作為傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的重要補(bǔ)充，在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排、電網(wǎng)調(diào)峰等方面起到了重要作用。但機(jī)組運(yùn)行往往采用朝啟晚停的“兩班制”運(yùn)行方式，機(jī)組調(diào)峰停運(yùn)啟動(dòng)時(shí)間間隔夏季約6 h，冬季約8 h。在保證安全的前提下，如何有效降低熱態(tài)啟動(dòng)過程中的能耗，如何保證輔機(jī)頻繁啟動(dòng)中安全可靠運(yùn)行，是運(yùn)行維護(hù)工作的一個(gè)重要課題。

1 機(jī)組概述

1.1 機(jī)組參數(shù)

某廠燃機(jī)為引進(jìn)三菱公司技術(shù)生產(chǎn)的 M701F4 型重型燃機(jī)(雙軸承、單軸結(jié)構(gòu)、冷端出力和軸向排汽結(jié)構(gòu))。余熱鍋爐由東方日立鍋爐有限公司生產(chǎn)，封閉布置, 型式為三壓、再熱、無(wú)補(bǔ)燃、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐。汽輪機(jī)采用三壓、再熱、單軸抽汽凝汽式供熱機(jī)組。發(fā)電機(jī)為全氫冷方式。

1.2 機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)劃分

機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)由汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)口第一級(jí)(動(dòng)葉)后內(nèi)壁金屬溫度確定。冷態(tài)：高壓缸進(jìn)口金屬溫度<230 ℃，停機(jī)時(shí)間大于 132 h。溫態(tài)：230 ℃≤高壓缸進(jìn)口金屬溫度≤400 ℃，停機(jī)時(shí)間24～132 h。熱態(tài)：高壓缸進(jìn)口金屬溫度>400 ℃，停機(jī)時(shí)間小于 24 h。

1.3 機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)占比

根據(jù)2017—2019年機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)統(tǒng)計(jì),每年機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)約占78%,溫態(tài)13%，冷態(tài)9%。可知燃?xì)鈾C(jī)組作為啟停調(diào)峰優(yōu)先機(jī)組，運(yùn)行方式以“兩班制”為主，由于停機(jī)后再啟動(dòng)間隔時(shí)間較短，基本上機(jī)組均為熱態(tài)啟動(dòng)。本文將對(duì)熱態(tài)啟動(dòng)運(yùn)行方式優(yōu)化進(jìn)行探討。

2 輔機(jī)系統(tǒng)熱態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化

2.1 循環(huán)水系統(tǒng)

由于機(jī)組“兩班制”運(yùn)行，循環(huán)水系統(tǒng)可采用虹吸運(yùn)行方式。在機(jī)組停運(yùn)后，停運(yùn)全廠循環(huán)水泵，利用虹吸原理，將前池水坑的水經(jīng)開式冷卻水泵供給各用戶。而循環(huán)水泵只需要在機(jī)組啟動(dòng)前啟動(dòng)即可。采用該運(yùn)行方式調(diào)整可大大減少循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)近7 h，同時(shí)也不影響冷卻水供給。

2.2 給水系統(tǒng)

給水系統(tǒng)啟動(dòng)的主要目的是對(duì)TCA系統(tǒng)進(jìn)行冷卻以達(dá)到機(jī)組的啟動(dòng)條件(要求TCA入口水溫需在60 ℃以下)。由于機(jī)組“兩班制”運(yùn)行，高、中、低壓汽包水位不需要太高，待點(diǎn)火完后可進(jìn)行上水操作?？紤]到TCA冷卻的原因，凝結(jié)水進(jìn)入高壓給水泵入口，所以此時(shí)汽包上水還會(huì)使冷水進(jìn)入汽包，導(dǎo)致汽包上下壁溫差增大。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可選擇距發(fā)啟動(dòng)令前30 min啟動(dòng)高壓給水泵，來(lái)滿足冷卻條件。機(jī)組“兩班制”運(yùn)行方式下，啟動(dòng)初期高壓給水泵入口(低壓汽包)水溫在130 ℃以上，需切至凝結(jié)水供水(水溫40 ℃左右)，機(jī)組負(fù)荷80 MW(約40 min)后再切回由低壓汽包供水(水溫160 ℃左右)[1]。啟動(dòng)初期給水泵入口水源切換這一過程，水溫突降陡增幅度大，會(huì)引起高壓給水泵轉(zhuǎn)子彎曲造成高壓給水泵故障。因此現(xiàn)修改為距發(fā)啟動(dòng)令前30 min啟動(dòng)高壓給水泵，機(jī)組距發(fā)啟動(dòng)令前10 min啟動(dòng)中壓給水泵即可。因高、中壓給水泵是輔機(jī)中功率較高的設(shè)備，所以通過控制高、中壓給水泵啟動(dòng)時(shí)機(jī)，有利于達(dá)到減少輔機(jī)能耗的目的。

2.3 真空系統(tǒng)

真空建立的時(shí)間長(zhǎng)短在整個(gè)啟動(dòng)過程中對(duì)耗電量影響尤為關(guān)鍵，運(yùn)行人員可根據(jù)抽真空快慢來(lái)選擇啟動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)、高中壓給水系統(tǒng)的時(shí)機(jī)，在抽真空工作完成后馬上就可以發(fā)出啟動(dòng)令。在“兩班制”調(diào)峰運(yùn)行常態(tài)下，機(jī)組夜間停運(yùn)后可不用破壞凝汽器真空，僅停運(yùn)真空泵。因夜間持續(xù)供熱，軸封蒸汽由啟動(dòng)鍋爐供給，可大大降低整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備輔機(jī)能耗。

3 邏輯優(yōu)化設(shè)定

3.1 吹掃時(shí)間修改

機(jī)組啟動(dòng)過程中高盤吹掃的目的是防止燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火過程中發(fā)生爆燃。原設(shè)計(jì)啟動(dòng)吹掃時(shí)間為620 s，但三菱要求高盤冷卻條件，最大輪盤溫度>220 ℃，吹掃時(shí)間為180 s。而熱態(tài)啟動(dòng)最大輪盤溫度一般在200～230 ℃，與三菱要求高盤冷卻時(shí)間存在矛盾。根據(jù)其他同類型機(jī)組已有的經(jīng)驗(yàn)，可將燃?xì)廨啓C(jī)清吹時(shí)間由620 s修改為390 s，熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間整體縮短4～5 min。在保障安全的前提下，適當(dāng)縮短機(jī)組啟動(dòng)吹掃時(shí)間，可減緩設(shè)備金屬的老化速度，也可提高余熱鍋爐的保溫保壓能力，對(duì)加快機(jī)組啟動(dòng)速度、降低廠用電率等具有較大的應(yīng)用價(jià)值。參考同類型機(jī)組修改后的耗電量數(shù)值見表1[2]。

經(jīng)計(jì)算，若每次縮短啟動(dòng)4 min，可節(jié)約電量約350 kW·h。

表1 清吹3 min耗電量

3.2 暖機(jī)負(fù)荷修改

目前機(jī)組采用“兩班制”運(yùn)行模式，絕大多數(shù)情況下，均是熱態(tài)啟動(dòng)模式，因此若修改熱態(tài)啟動(dòng)的暖機(jī)負(fù)荷，也可降低機(jī)組從暖機(jī)到汽輪機(jī)的進(jìn)汽完成時(shí)間，從而降低機(jī)組啟動(dòng)過程中的能耗。參考同類型機(jī)組修改后[3]，根據(jù)燃機(jī)、汽機(jī)各個(gè)金屬部件膨脹趨勢(shì)，在保證機(jī)組安全的前提下，可嘗試將熱態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)負(fù)荷由原來(lái)的120 MW修改為128 MW，可縮短暖機(jī)負(fù)荷8 min左右，節(jié)約能耗500 kW·h。

3.3 給水泵滑壓方式運(yùn)行

TCA 冷卻器利用高壓鍋爐給水泵的給水作為冷卻介質(zhì)。兩臺(tái)機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)，高壓給水泵出口壓力一直按廠家說明控制在15 MPa，通過查閱燃機(jī)運(yùn)行時(shí) TCA 給水流量、TCA 出口給水溫度、TCA 冷卻空氣溫度等相關(guān)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，其有很大的安全裕度，實(shí)際冷卻水流量比設(shè)定值高 1～2 倍，TCA 出口冷卻水溫度與相應(yīng)壓力下的飽和溫度低100 多度，TCA 出口溫度比設(shè)定值(230 ℃)低 30～50 ℃。高壓汽包給水調(diào)閥開度只有 10%～20%，節(jié)流損失很大，同時(shí)對(duì)閥門的沖刷力度也大，因此有必要研究高壓給水泵滑壓運(yùn)行的可能性。

自動(dòng)控制方式下高壓給水泵壓力設(shè)定值為燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷函數(shù)f(x)(根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷值線性自動(dòng)改變壓力設(shè)定值見表2)與高壓汽包壓力+2.5 MPa，取大值。同時(shí)高壓給水泵自動(dòng)方式下運(yùn)行人員可以通過增減偏置更改高壓給水泵壓力設(shè)定值。

表2 給水泵滑壓設(shè)定值

優(yōu)化后，高壓給水調(diào)閥開度明顯增大10%，減少了閥門節(jié)流損失，降低了閥門損壞風(fēng)險(xiǎn)；轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度平均提高10 ℃；根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算，燃機(jī)效率提高1%左右；高壓給水泵電流平均下降30 A。采取滑壓運(yùn)行后，給水泵能耗每年可減少135×103kW·h左右，合計(jì)節(jié)約費(fèi)用65萬(wàn)元左右。

4 機(jī)組停機(jī)后運(yùn)行方式優(yōu)化

機(jī)組運(yùn)行時(shí)利用汽輪機(jī)高壓缸排汽提供熱源，機(jī)組停運(yùn)后，使用啟動(dòng)鍋爐經(jīng)輔汽聯(lián)箱向供熱聯(lián)箱提供供熱蒸汽。由于“兩班制”運(yùn)行工況機(jī)組啟動(dòng)間隔時(shí)間基本在7 h左右，若能采用高壓汽包余熱供熱，可大大降低啟動(dòng)鍋爐運(yùn)行時(shí)間，從而達(dá)到降低能耗的要求。根據(jù)某日停機(jī)后利用高壓汽包余熱進(jìn)行供熱的實(shí)驗(yàn)可知(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3)，當(dāng)日供熱蒸汽流量約11 t/h。燃?xì)廨啓C(jī)打閘后手動(dòng)關(guān)閉中壓旁路閥、中壓主蒸汽電動(dòng)閥和中壓主蒸汽電動(dòng)閥旁路閥，調(diào)節(jié)高壓旁路維持冷再熱蒸汽壓力在 1.5 MPa 左右，維持高壓汽包在高水位后停運(yùn)高壓給水泵，供熱期間密切監(jiān)視高壓汽包上下壁溫差是否超過規(guī)定值(50 ℃)。

表3 機(jī)組停機(jī)后供熱切至高壓汽包余熱供熱期間高壓汽包參數(shù)變化情況

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用高壓汽包余熱在夜間供熱，第二日高壓汽包壓力仍可維持1.3 MPa，并不影響機(jī)組正常啟動(dòng)，但可減少啟動(dòng)鍋爐運(yùn)行2.5 h左右，每小時(shí)可減少天然氣耗量900 m3，每年可節(jié)約82×103m3天然氣。

5 結(jié)論

本文針對(duì)M701F4型單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組朝啟晚停的“兩班制”新常態(tài)運(yùn)行方式，提出在機(jī)組熱態(tài)啟停階段通過優(yōu)化輔機(jī)運(yùn)行方式、合理修改邏輯、合理運(yùn)用余壓供熱等方法減少機(jī)組耗氣、耗電等，簡(jiǎn)單有效地提高機(jī)組“兩班制”運(yùn)行期間經(jīng)濟(jì)性，對(duì)同類型機(jī)組非常具有參考價(jià)值，也為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的熱態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行方面提供了新的思路和方向。