IGCC配套联合循环余热锅炉启动曲线动态模拟

2018-05-03刘洪涛许晓华迟英伟胥登峰马豪军

电力科技与环保 2018年2期

刘洪涛，许晓华，迟英伟，薛利，胥登峰，马豪军

(山东电力基本建设总公司，山东济南 250014)

0 引言

沙特阿美石油公司在建吉赞项目是目前全球最大IGCC电站项目，项目设计发电量3850MW，动力岛采用五个“二拖一”方式进行发电，每个发电模块设两台燃气轮机(西门子SGT6-5000F型)、两台余热锅炉和一台汽轮机(西门子SST6-5000F型)。燃气轮机可同时燃用合成气和柴油，其中主燃料为合成气，启动及特殊运行工况下燃用超低硫柴油。与常规的联合循环电站相比，该项目IGCC配套联合循环动力岛不仅需要对外供电，还需向石油精炼厂和IGCC其它工艺过程供应各参数等级的蒸汽、给水，同时还需接收来自这些工艺过程产生的蒸汽、回水，对外输入、输出接口繁多。余热锅炉作为蒸汽、给水关键的生产和接收设备，对全厂的安全可靠运行起着至关重要的作用[1-2]。

通过动态模拟的方法，对余热锅炉冷启动、温启动及热启动曲线进行了研究，通过启动曲线获得不同启动方式下余热锅炉启动所需最短时间，所获结果可为相关工作提供参考依据。

1 余热锅炉性能参数和设计值

项目选用的余热锅炉为双压、再热卧式锅炉，设有两级烟道燃烧器补燃，循环方式为自然循环，蒸汽压力根据汽轮机负荷滑压运行。沿烟气流向依次布置过热器、再热器、高压蒸发器、中压蒸发器和省煤器，设有高压和中压汽包。典型工况下余热锅炉性能参数如表1所示。设计允许启动次数如表2所示。由于燃机的排气性质和联合循环机组快速启停的调峰要求，使得余热锅炉在结构、型式及运行操作上与常规燃煤锅炉有显著区别，启动操作完全不同。

2 模拟设定条件

动态模拟所用模型为Siemens编制的动态模拟程序。模拟的启动工况分别为冷启动、温启动和热启动。燃机启动初期需燃用燃油，当燃机负荷达到一定值后，将燃料由燃油逐步切换为合成气。

模拟研究前，假定条件如下：余热锅炉相关参数见表1工况4。启动次数满足表2相关要求。启动完毕后，燃机达到100%基准负荷。高压蒸汽达到最低压力时打开余热锅炉烟道燃烧器，同时燃机在10min内达到满负荷。高压蒸汽达到最低压力且燃机达到满负荷5min内，将需要引入的来自IGCC其它工艺过程的蒸汽引入余热锅炉高压汽包和中压汽包。余热锅炉高压蒸汽最低压力值为67.4bar，再热蒸汽最低压力值为18.2bar。余热锅炉高压系统设有连接冷再系统的旁路系统，设计容量100%。启动过程疏水及排汽根据情况进行开放。不同启动方式下，余热锅炉高压汽包和中压汽包初始条件如表3所示。

表1 余热锅炉性能参数

参数工况4工况13燃机数据燃机燃料合成气合成气燃机负荷/%100100环境温度/℃3030燃机排烟量/kg·s-1554．05554．55燃机排烟温度/℃604．8604．7烟道燃烧器数据一级烟道燃烧器/MW23．50二级烟道燃烧器/MW32．40余热锅炉数据过热蒸汽压力/bar111．895．1过热蒸汽温度/℃586．6561．0过热蒸汽流量/kg·s-1112．688．76冷再蒸汽压力/bar31．829．6冷再蒸汽温度/℃396．5387．7冷再蒸汽流量/kg·s-189．6483．84热再蒸汽压力/bar29．927．84热再蒸汽温度/℃583．0546．6热再蒸汽流量/kg·s-1103．698．42

动力岛热力系统示意图如图1所示。示意图仅简化显示了一台燃机和一台余热锅炉，实际设置情况为两台燃机和两台余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽汇合后一起送至汽轮机。余热锅炉为双压、再热、自然循环、卧式锅炉，设有两级烟道燃烧器补燃。沿烟气流向依次布置过热器、再热器、高压蒸发器、中压蒸发器和省煤器，设有高压和中压汽包。汽轮机为三压、再热汽轮机，汽轮机高压缸和中低压缸分别设有100%旁路系统，机组启动过程中需保证旁路系统和凝汽器可用。机组在引入IGCC气化单元VHP(超高压)蒸汽的同时，还需对外输出HHP(高高压蒸汽)、HP(高压)蒸汽、MP(中压)蒸汽和LP(低压)蒸汽，蒸汽引出管线上设有调温调压装置，以满足不同等级蒸汽参数设定要求。对余热锅炉启动过程中的高压蒸汽、再热蒸汽、中压蒸汽参数(流量、压力、温度)，以及锅炉高、中压汽包参数(压力、温度)随时间的变化情况进行了模拟研究，发现各蒸汽参数随时间的变化规律与汽包参数变化规律基本一致。本文采用高、中压汽包参数变化情况判断余热锅炉启动情况。

表2 余热锅炉允许启动次数

启动方式总次数定义冷启动<50120h(长期停车)温启动<25048h(周末停车)热启动<5008h(夜间停车)

表3 汽包初始参数

启动方式高压汽包中压汽包压力/bar温度/℃压力/bar温度/℃冷启动130130温启动11001100热启动182074．8150

图1 动力岛热力系统示意

3 模拟结果及分析

结合燃机设备启动相关要求，拟定燃机启动顺序如下：环境温度条件下，对燃机、余热锅炉及相关管道吹扫至少10min，燃机以启动速度运转；吹扫完毕后，燃机按照正常启动程序启动，包括在启动速度下点火、空载加速至全速运转、同步、并网；当燃机排气温度达到340℃时，保持燃机负荷稳定，直至余热锅炉高压过热器出口联箱温度达到250℃；进一步提高燃机负荷至50%，保持燃机负荷稳定，10min内将燃料由燃油切换为合成气，切换过程中保持燃机负荷不变；燃料切换完成后，继续提高燃机负荷至100%；待高压蒸汽达到最低压力后，10min内启动余热锅炉烟道燃烧器，同时在5min内引入来自IGCC其它工艺过程的蒸汽。模拟所获余热锅炉冷启动、温启动和热启动曲线分别如图2～4所示。

图2 余热锅炉冷启动曲线

冷启动、温启动和热启动的燃机启动曲线显示，燃机排气温度和压力随着负荷的提高而提高，余热锅炉相关参数随燃机负荷的提高而提高，但有一定的滞后性。自吹扫指令发出，至余热锅炉开始有蒸汽产生，需要的时间大约为20min。

燃机排气温度达到340℃时，保持燃机负荷稳定，直至余热锅炉高压过热器出口联箱温度达到250℃，不同启动模式下该过程持续时间不同。冷启动、温启动和热启动模式下，该过程所需时间分别约为24min、14min和4min。余热锅炉正常运行时，前排管束(过热器、再热器等)由于汽侧蒸汽的冷却作用，可以承受燃机的排气温度。但在余热锅炉启动初期，由于锅炉汽侧还没有蒸汽流通，如果不对燃机负荷进行控制，稳定排气温度，就有可能造成前排管束超温，当管束温度超过材料工作温度限值，就会造成受热面损坏，威胁余热锅炉的安全可靠运行[3-6]。

图3 余热锅炉温启动曲线

图4 余热锅炉热启动曲线

当有稳定蒸汽产生后，可以继续提升燃机负荷。当燃机负荷达到50%基准负荷时，进行燃料切换。燃油切换燃气过程中，保持燃机负荷稳定。负荷不变情况下，燃机燃气模式下排气的流量和温度均比燃油模式下高。燃机燃料切换过程历时10min，期间余热锅炉平稳升温升压。燃机燃料切换完成后，继续提升燃机负荷，冷、温、热三种启动模式下，燃机负荷从50%提升至100%所需时间均约10min。联合循环余热锅炉受热和承压部件热应力的制约，反应在对升温升压速率的严格控制。余热锅炉启动时蒸汽参数的大小、升压速度的快慢直接与燃机的排气温度和排气流量有关，而排气参数又与燃机的负荷相关。因此为满足锅炉以及汽轮机的升压、暖管、暖机的需要，燃机不能像简单循环运行方式下快速升至满负荷运行，必须放慢加负荷的速度，负荷提升速率应结合余热锅炉、汽轮机的需要[7-10]。

不同启动模式下，余热锅炉完成启动过程所需的时间不同。以余热锅炉汽包参数趋近稳定作为锅炉完成启动的判断依据，由图2～4模拟所获余热锅炉冷启动、温启动和热启动曲线，大致可以得到余热锅炉冷、温、热启动所需的时间分别为80min、70min和57min，对应的燃机达到满负荷所需时间分别约为67min、58min和47min。一定时间范围内，机组停机时间越短，再启动所需要的时间也越短。冷态启动余热锅炉升压速度较快，如果经常冷态启动机组，必然有损锅筒。因此应尽量减少余热锅炉冷态启动次数，尽可能在热态或温态下启动。