关于提高M701F4燃气—蒸汽联合循环机组热态启动速度的研究

牛火平

摘 要：三菱M701F4燃机-蒸汽联合循环机组在运行中长期日开夜停，通过运行人员不断摸索和总结，将燃机启动时间由启动曲线的115 min缩短为75 min，不仅提高了运行人员的操作技能，同时也为公司创造了更多的经济效益。

关键词：燃气-蒸汽机组；热态启动；启动速度；燃机优化

中图分类号：TM611.31 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.073

中海油珠海天然气发电有限公司机组由东方汽轮机有限公司引进三菱技术，燃气轮机由压气机17级、透平4级、20个干式低NOx燃烧器组成，压比18，透平进口温度1 427 ℃，排气温度608 ℃，蒸汽轮机LCC-145-10.9/2.3/1.3/566/566型（合缸）是东方吸收国内技术制造的最新优化机型，为三压、一次中间再热，双缸双排汽，双抽凝汽式联合循环汽轮机，余热锅炉BHDB-M701F4-Q1为三压、再热、自然循环，由东方日立锅炉有限公司生产。燃气轮机发电机的型号为QFR-320-2，额定出力为336.6 MW。蒸汽轮机发电机的型号为QF-150-2-15.75，额定出力为150 MW，联合循环效率59.2%.

机组自投产以来，已进行热态启动50多次，按照东方所提供的启动曲线，整个热态启动完成时间大约115 min。对于这种启动方式，时间明显偏长，不仅不能很好地满足电网的调峰要求，而且浪费更多的天然气。

本文通过分析造成热态启机时间过长的原因，并针对其进行逐一分析，提出了相应的改进措施，以缩短热态启机的时间，从而提高公司经济效益。

1 三菱设计层面优化燃机启动速度分析

1.1 缩短燃机清吹时间

在燃机启动过程中，由SFC来拖动转子，达到清吹转速时，对残留或漏入排气通道以及锅炉炉膛内的可燃气体进行吹扫，以防止发生爆燃。当转速大于500 rpm/min开始计时，当转速升至700 rpm/min，维持此转速持续清吹。

原设计：高速模式下清吹时间为550 s，低速模式下清吹时间为80 s。

现设计：高速模式下清吹时间为400 s，低速模式下清吹时间为80 s。

通过优化不难看出，燃机清吹时间缩短了近150 s，加快了燃机启动速度。

1.2 提高天然气温度

对于干式低NOx燃烧型的燃机，为了维持燃烧稳定，要求保持或控制当量韦伯指数的变化，将其控制在±5%范围内。韦伯指数发生变化，当量燃空比也跟着变化。在燃料热值和密度发生变化时，通过调节天然气温度，设法保持当量韦伯指数基本不变，维持各工况下机组的运行稳定和高效率。要加快燃机启动速度，可以提高天然气温度。燃料加热器的热源来自中压省煤器出口的给水，通过加热水温，从而快速提高天然气的温度。

原设计：温控阀开启的时间为燃机并网后。

现设计：温控阀开启的时间为燃机转速为2 250 rpm时。

由以上可以看出：热态启动时，燃料加热器进口水温约140 ℃左右，当燃机转速为3 000 rpm/min，燃料加热器温控阀已经开至100%，天然气温度由40 ℃升至108 ℃，对加快热态启动速度效果明显。

2 机组的热态启动时间分析

图1为燃机和汽机启动曲线。启动曲线由三菱的燃机启动曲线和东方的汽机启动曲线组成，从中可以看出，燃机从发启动令至FSNL（全速空载）需要30 min，燃机FSNL（全速空载）至燃机发电机并网需要2.5 min，燃机发电机并网后将其负荷加至125 MW需要5 min，汽机缸温匹配时间需要25 min，汽机从开始冲转至FSNL（全速空载）需要20 min，汽机FSNL（全速空载）至发电机并网需要2.5 min，汽机发电机并网后至整个机组负荷270 MW需要时间30 min。

综上所述，整个双轴联合循环机组热态启动时间为115 min。

（a）燃机启动曲线

（b）汽机启动曲线

图1 燃机与汽机启动曲线

3 缩短热态启动时间措施研究

3.1 影响热态启动的因素

影响热态启动的因素主要有：①燃机清吹时间。燃机发启动令到燃机点火前。②温度匹配阶段。燃机发电机并网后到满足汽机冲转。③汽机的冲转阶段。汽轮机冲转到汽机发电机并网。④机组升负荷阶段。从汽轮机发电机并网后到带基本负荷。

從以上可以看出，除燃机发启动令至燃机并网时间固定外，其余阶段都是影响燃机热态启动的因素。

3.2 相关措施研究

3.2.1 降低汽机的缸温

汽机的缸温越低，则温度匹配所需要的时间就越短。对于调峰机组，可以通过优化停机方式来降低汽机缸温。

机组正常运行时，机组高中压内缸高压进汽处上半内壁金属温度为547 ℃，当燃机负荷降至100 MW时，高压缸的缸温可降至527 ℃。假设停机时间为7 h，第二天启动时高压缸的缸温为478 ℃左右；假如将燃机负荷降至80 MW，并稳定运行20 min，通过降低排气温度来降低汽机缸温，此时高压缸的缸温可降至510 ℃，同样停机时间7 h，第二天启动时高压缸的缸温为460 ℃，降低了近20 ℃，可以将燃机热态启动时间缩短8 min左右。

3.2.2 提高高压主蒸汽温度

高压主蒸汽温度越高，温度匹配的时间就越短。在燃机启动过程中，由于清吹造成排气温度迅速下降，余热锅炉的蒸汽管壁温度也下降明显，从而使主蒸汽温度和再热汽温度下降。由于主蒸汽温度的下降，延长了温度匹配的时间。因此可通过优化达到加快启动速度的目的。

锅炉高、中、低压过热器出口电动阀在燃机启动前一般开启，主要防止在启动过程中开启引起汽包水位波动大而造成不必要的跳机。机组的旁路控制逻辑为：在燃机发启动令后，高、中、低压旁路开至10%最小开度，旁路的开启不仅会造成工质的浪费，同时还会在燃机清吹时，使主蒸汽温度大幅下降。

为防止温度下降，可采取以下方法：燃机转速为1 000 rpm时再开启高、中、低压过热器出口电动阀；燃机启动后关闭高、中压旁路，当燃机转速为1 000 rpm时再开启温度匹配，尽量提高燃机负荷。燃机负荷越高，相应的燃机排气温度也会升高，例如将燃机负荷加至125 MW比将燃机负荷加至100 MW时温度匹配时间缩短大约12 min。

3.2.3 汽机冲转参数和速率方面

汽机热态冲转应根据高压缸调节级温度和中压缸进汽室金属温度来选择相匹配的主蒸汽温度和再热蒸汽温度，即两者的温差应符合汽机热应力、热变形和胀差的要求。

本机组热态冲转参数为：主蒸汽压力7.8 MPa、主蒸汽温度470±10 ℃（50 ℃以上过热度）、再热蒸汽温度450±10 ℃。对于昼开夜停的机组，由于汽机的缸温不同，选择的冲转参数也不尽相同，所以合理的冲转参数是兼顾安全性和经济性的最佳选择。该机组是东方自主研发出来的，所以冲转参数选择一般采用正温差启动，即主蒸汽温度高于汽机缸温。

厂家说明书要求汽机热态启动冲转速率为200 rpm/min。通过运行经验，可以将汽机冲转参数设为300 rpm/min，甚至更高些，这样会将汽机冲转的时间缩短4～6 min。

3.2.4 机组升负荷阶段

汽机升负荷与高中压旁路的配合燃机升负荷至125 MW进行温度匹配，此时高压主蒸汽压力为7.8 MPa，高旁开度为42%，再热蒸汽压力为1.64 MPa，中旁开度为65%，当汽机并网升负荷，高旁应跟踪压力设定值，使高旁以高压主蒸汽阀前的压力为基准。随着主蒸汽调节阀的开启，主蒸汽压力会随之下降，应将高旁不断关小，维持主蒸汽调节阀的压力7.8 MPa不变。但在实际运行中，汽机升负荷时，主蒸汽调阀的开启和高旁的相互配合不合理，即高压旁路的关闭滞后于主蒸汽调节阀的开启，造成主蒸汽压力降低，汽机加负荷的时间延长。

当汽机旁路全关后，汽机升负荷主要是通过燃机加负荷来提高排气温度，进而提高主、再热蒸汽的温度和压力。燃机升负荷的速率一般不受限制，主要是考虑汽机升负荷率，要关注汽机的胀差、轴向位移和振动等。在热态启机过程中，一般不会有很大变化，所以只要汽机能满足要求，燃机加负荷的速率可以快些。在实际运行中，由于高旁配合的不合理，为尽快提高汽机负荷，当汽机主蒸汽压力降低时，汽机负荷不能上升，常采用增加燃机负荷，提高主蒸汽的温度和压力来提高汽机负荷。但此方法会造成天然气消耗增加，经济效益降低。

热态启动时，汽机升负荷的速率为3 MW/min，假如将汽机负荷加至90 MW，需要的时间大约为27 min；如果将汽机升负荷速率增加5～6 MW/min，则整个加负荷时间需要16 min左右，从而就能将时间缩短10 min。

汽机并网后，尽快关闭高排通风阀。高排通风阀的逻辑为在启机过程中，当汽机负荷为55 MW时，关闭高排通风阀。在汽机启机过程中，当高压缸主蒸汽阀和调节阀关闭后，会将高压缸的剩余蒸汽排向凝汽器。汽机冲转时因转速低、蒸汽流量小，将高压尾部长叶片产生的鼓风摩擦热量带走。当冲转完成，汽机高压缸有蒸汽流通，因此基本不会产生鼓风摩擦。所以汽机并网后，应尽快关闭高排通风阀。这样不仅可以提升汽机负荷，還可以缩短机组整体启动时间。通过优化后，机组的启动时间明显缩短，如表1所示。

4 结论

现阶段，三菱M701F4双轴联合循环调峰机组还没有较多运行经验，运行人员通过不断的摸索和探讨，将双轴联合循环机组的启动时间缩短在40 min左右。在保障机组安全的前提下，不仅提高了运行人员的操作技能，而且为公司创造出了更多的经济效益，希望能为其他类似燃机电厂提供很好的借鉴作用。

参考文献

[1]张合明，李永刚.燃气-蒸汽联合循环机组冷态启动优化[J].内蒙古电力技术，2015，33（S2）.

[2]李帅.燃气-蒸汽联合循环负荷分配控制策略研究与仿真[D].北京：华北电力大学，2009.

[3]刘印.三菱M701F4型燃气蒸汽联合循环机组FLAME LOSS主保护动作原因分析及优化建议[J].发电技术，2016（1）.

[4]肖维龙.提高109FA燃气-蒸汽联合循环热态启动速度的探讨[J].发电设备，2011，25（6）.？

〔编辑：王霞〕