联合循环机组凝汽器压力对汽轮机冷态启动暖机时间的影响

查文建

（浙能萧山发电厂，杭州 311251）

联合循环机组凝汽器压力对汽轮机冷态启动暖机时间的影响

查文建

（浙能萧山发电厂，杭州 311251）

为提高机组启动经济性，在保证暖机、冲转、升负荷过程中各项参数符合要求的条件下，通过比较西门子SCC5-4000F型联合循环机组汽轮机不同的冷态启动方式，同时结合西门子逻辑中定义的暖机时间计算公式，研究分析了凝汽器压力对汽轮机冷态启动暖机时间的影响，得出凝汽器压力越高（但不能超过30 kPa），暖机时间越短的结论，并提出了在实际运行中应注意的问题。

联合循环机组；汽轮机；冷态启动；暖机时间；凝汽器压力

1 汽轮机暖机概况

西门子SCC5-4000F燃气—蒸汽联合循环机组采用单轴布置方式，为了实现机组的快速启动，在发电机与汽轮机之间布置了SSS（同步自换档离合器），离合器的输出端（燃气轮机和发电机）能保持额定转速运行，而离合器的输入端（汽轮机）可以在盘车转速下运行，实现汽轮机的冲转、暖机、升速、离合器自动啮合与发电机相连的过程。机组的DCS（分散控制系统）采用西门子SPPA-T3000系统。

机组启动后，燃气轮机与发电机先升速、并网，此时汽轮机处于盘车状态，燃气轮机逐渐带负荷至汽轮机暖机负荷，汽轮机等待蒸汽满足进汽条件。当主蒸汽管路暖管已完成，蒸汽品质合格后，运行人员点击蒸汽品质合格确认按钮，高、中压调门开启，汽轮机升速至900 r/min暖机。

在冷态启动时，由于高、中压汽缸处于较低温度水平，首先高压调门开启对高压缸进行暖缸，而中压调门开度较小，接近关闭位置。当高压大轴中心温度接近280℃，高压缸暖缸完成，高压调门略微关小，中压调门开大，对中压缸暖缸。通常调整真空手动破坏门开度，使凝汽器压力维持在20 kPa左右，以增加汽轮机鼓风摩擦热量，提高中压转子温度，加快暖机速度。当汽轮机暖机标准符合后，点击汽轮机额定转速释放按钮，汽轮机升速至额定转速，机组逐渐加载带负荷。暖机阶段，由于燃气轮机处于单循环运行，气耗率（标况值）约0.415 m3/kWh，远高于机组联合循环高负荷运行时0.195 m3/kWh的平均气耗率，经济性较差。因此，在保证各项启动参数符合要求的前提下，尽量缩短暖机时间将会直接提高机组启动经济性。

2 汽轮机暖机的重要意义

汽轮机的启动有冷态、温态、热态3种方式。机组启动之前，当中压大轴计算温度＜100℃时为冷态启动。在冷态启动中，汽缸、大轴金属初始温度较低。暖机结束后，汽轮机的加载过程较快，当汽轮机转速达到3 000 r/min，SSS离合器啮合后约5 min，汽轮机可以带至56 MW负荷。同时，高压调门开度由8.8%增至18.1%，中调门开度由7%增至29%。短时间内大量高温、高压蒸汽进入汽轮机，为防止汽轮机各金属部件产生较大热应力，以下13个条件全部满足才可认为暖机完成：

（1）汽轮机暖机时间符合要求；

（2）中压转子温度大于200℃或汽轮机SGC（子组控制步程序）第23步等待50 min；

（3）汽轮机冷态启动保护没有激活；

（4）低压主汽管道暖管疏水完成；

（5）高、中、低压调门阀位限制器输出在105%；

（6）高压主汽温度小于高压大轴的最高温度、高压主汽温度小于高压缸最高温度、再热汽温度小于中压大轴最高温度、高压主汽温度过热度大于30℃、再热汽温度过热度大于30℃；

（7）高压缸及高、中压转子温度裕度最小值大于30℃；

1）封堵治理工程主要针对含煤地层的碳酸盐岩类裂隙岩溶地下水井，主要是酸性的矿坑水对原水井的封堵材料和井壁管造成损坏而形成的污染，而对于由于含水地层原生污染物（如石膏）和地层构造形成的污水通道无意义。

（8）SSS离合器燃气轮机与汽轮机相对振动值小于240 μm；

（9）凝汽器压力小于13 kPa；

（10）高压主汽流量大于15%额定流量；

（11）高压缸进口蒸汽过热度大于0℃；

（12）高压内缸50%的温度测点左右侧温差符合要求；

（13）高压内缸50%的上部、下部测点及高压内缸100%的测点温度均大于高压叶片前主蒸汽饱和温度10℃以上。

暖机过程可以使汽轮机各部位金属得到充分的预热，减小汽缸法兰内外壁、法兰与螺栓之间的温度差，减小转子表面与中心的温度差，从而减小金属内部应力，使汽缸、法兰和转子均匀膨胀，且胀差值在安全范围内变化，避免汽轮机在启动过程中内部产生动静摩擦。同时提早满足带负荷的要求，缩短升至额定负荷时所需要的时间，达到节约能源的目的。

3 暖机时间的理论计算及影响因素

汽轮机在冷态启动暖机时有1个720 min倒计时至0的条件。在DCS逻辑中，暖机时间计算最核心的部分是积分器的运算。对于连续性系统，积分器输出为720-∫k·xdt，暖机时间T为：

k·x为积分器输入，积分时间以分钟为时间单位，当凝汽器2个压力测点任一大于10 kPa时，积分器激活，积分器720-∫k·xdt输出减小。当蒸汽品质确认后，满足中压缸进汽绝对压力＞1.5倍的凝汽器绝对压力，且汽轮机转速＞600 r/min条件时，k=2，否则k=1。x值与凝汽器压力有关，对应关系如图1所示。当凝汽器压力小于30 kPa时，x值随凝汽器压力增加而增大，当凝汽器压力大于30 kPa时，x值恒定为2。

图1 不同凝汽器压力对应不同的积分输入x=f（p）

当中压旁路（简称中旁）前压力＞1.5 MPa且中旁开度＞45%且再热蒸汽流量＞53 t/h时，将凝汽器压力p分为3个区间，分别结合式（1）讨论以下3种情况：

（1）当p＜8.45 kPa时，积分器不激活，积分器720-∫k·xdt输出不变。k·x小于1，Max（k·x，1）等于1，暖机时间维持720 min不变。

（2）当8.45 kPa＜p＜10 kPa时，积分器不激活，积分器720-∫k·xdt输出不变。若蒸汽品质确认后，满足中压缸进汽绝对压力>1.5倍的凝汽器绝对压力且汽轮机转速>600 r/min的条件，k·x＞1，Max（k·x，1）大于1，计算暖机时间开始减少。

（3）若p>10 kPa，积分器激活，积分器720-∫k·xdt输出减小，Max（k·x，1）大于1，计算暖机时间减少。

在暖机过程中若出现凝汽器压力波动，暖机时间也会发生相应变化，暖机时间甚至可能增加。而暖机时间此时增加的主要原因是分母Max（k·x，1）中的k·x因凝汽器压力的降低而减小。

暖机阶段，当凝汽器压力为20 kPa时，k=2，对应x=1.7，则积分输出也可以表示为720-∫3.4dt，暖机时间输出为（720-∫3.4dt）/3.4。若凝汽器压力阶跃上升至20 kPa，并且维持在20 kPa不出现波动，暖机时间为212 min。假设凝汽器压力小于且无限接近30 kPa，k=2，对应x=2，暖机时间输出为（720-∫3.4dt）/4，暖机理论时间为180 min。

4 两种典型运行方式的分析对比

以下选取2次典型的冷态启动实例进行对比，以此来进一步分析凝汽器压力对暖机时间的影响。第一种启动方式是蒸汽品质确认时对应的凝汽器压力小于8.45 kPa，相关主要参数的变化曲线如图2所示；第二种启动方式是蒸汽品质确认时对应的凝汽器压力大于10 kPa，相关主要参数的变化曲线如图3所示。

图2 启动方式一（暖机时间为4 h 15 min）

（1）启动方式一在暖机之前，高压大轴中心温度77.3℃，中压大轴中心温度44.5℃，启动方式二在暖机之前，高压大轴中心温度75.9℃，中压大轴中心温度为48.9℃。两种方式高中压大轴中心温度相差不大。暖机结束后，启动方式一高压大轴中心温度334.7℃，中压大轴中心温度为195.5℃；启动方式二高压大轴中心温度327.2℃，中压大轴中心温度为160.9℃。采用启动方式二暖机结束，虽然高中压大轴中心温度比启动方式一低，但仍然满足冲转要求。

（2）启动方式二比启动方式一缩短暖机时间38 min。其主要原因为：在蒸汽品质确认之前，启动方式二的凝汽器压力已大于10 kPa，积分器不处于跟踪状态，暖机时间已经开始减少，在蒸汽品质确认时，暖机时间已降至664 min。而启动方式一是在蒸汽品质确认之后，凝汽器压力升至8.45 kPa以上，暖机时间才由720 min开始减少。启动方式二暖机结束后高中压大轴的温度水平比启动方式一低，对减少整个暖机时间的影响可忽略不计。

（3）在DCS逻辑中，汽轮机SGC第23步等待50 min与中压大轴温度200℃为“或”门关系，并未对高压缸缸温及高、中压大轴温度有明确要求，因此在暖机时间至0、调整凝汽器压力小于13 kPa、暖机要求满足后，运行人员可以点击转速释放按钮，使汽轮机升速至3 000 r/min。

（4）从图2、图3的启动曲线中还可以直观地看出凝汽器压力的波动对暖机时间的影响。在第二种启动方式中，由于存在相对较大的压力波动而导致时间曲线的波动，这就要求在调节凝汽器压力的过程中尽量平稳，避免出现大幅波动，以节省整个暖机时间。

由此，得出如下缩短暖机时间的结论：在机组冷态启动时，当中压旁路前压力>1.5 MPa且中压旁路开度>45%且再热蒸汽流量>53 t/h时，立即调整真空手动破坏门开度，使凝汽器压力>10 kPa，当蒸汽品质确认后，进一步调节凝汽器压力至20 kPa甚至更高一点。

图3 启动方式二（暖机时间为3 h 37 min）

5 实际运行中应注意的问题

（1）理论计算表明，凝汽器压力在30 kPa之内，压力越高，暖机时间越短。但是，当凝汽器压力超过30 kPa，汽轮机保护跳闸。因此暖机时，凝汽器压力应控制在30 kPa之内，并且保持适当的裕度。

（2）凝汽器压力过高，可能使汽轮机本体疏水不畅，导致汽轮机上下缸温差加大。

（3）暖机过程中，凝汽器压力越高，凝结水温度越高，可以达到更好的除氧效果。但是，凝结水温度的升高对凝结水泵（简称凝泵）密封产生负面效果，凝泵进口可能汽化，造成凝泵汽蚀，损坏设备。

（4）暖机处于汽轮机速度控制阶段，凝汽器压力升高，在维持暖机转速的前提下，必然使调门开大，进汽量增加，从而产生较大的热冲击。

（5）暖机过程中，若凝汽器压力为22 kPa，则在暖机结束后热井水温能达到65℃。此时由于暖机时间完成，汽轮机冷态启动不激活，真空SGC立即启动备用真空泵抽真空（凝汽器压力大于12 kPa），直至凝汽器压力小于6 kPa，停运备用真空泵。此过程中由于启动2台真空泵抽真空，导致凝汽器压力下降较快，而热井凝结水温度下降较慢，热井凝结水大量汽化，热井水位大幅下降，存在凝泵跳闸的风险。之后热井大量补水，随着凝汽器压力和水温的下降，出现虚假水位，热井水位大幅上升，可能联启备用凝泵，存在汽轮机及中、低压旁路跳闸的风险。因此建议，在暖机时间完成、恢复真空的过程中，可将真空泵手动切至调试模式停运，以适当减缓恢复真空的速度，同时对热井水位应有一个准确的预判并提前控制，减小热井水位波动幅度，保证机组的安全运行。

[1]张茂义.漏入空气对凝汽器运行特性影响的研究[J].华东电力，2001（8）∶22-26.

[2]张卫会，李勇.真空系统严密性试验对凝汽器冷却管受力的影响分析[J].汽轮机技术，2000，42（6）∶353-355.

[3]李勇，曹祖庆.凝汽器清洁率的概念及测试方法[J].汽轮机技术，1995，37（2）∶73-76.

（本文编辑：陆 莹）

Influence of Combined Cycle Units Condenser Pressure on Warming-up Time of Turbine Cold-state Startup

ZHA Wenjian
（Zhejiang Energy Xiaoshan Power Plant，Hangzhou 311251，China）

In order to improve startup economy of units with all parameters in warming-up，rotation impulsing and load step-up permitted，the paper analyzes impact of condenser pressure on warming-up time of cold-state startup of steam turbine by comparing different cold-sate steam turbine startup modes of SCC5-4000F combined cycle units and combining formula for warming-up time calculation defined in Siemens logic.The paper draws a conclusion that condenser pressure is inversely proportional to warming-up time（not higher than 30 kPa）；moreover，it gives precautions in real operation.

combined cycle units；turbine；cold-state startup；warming-up time；condenser pressure

TK267

B

1007-1881（2015）05-0049-04

2014-11-17

查文建（1974），男，助理工程师，从事燃气-蒸汽联合循环发电机组集控运行工作。