联合循环机组冷态启动预暖系统研究

冯 磊，张立建，撒兰波

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

燃气-蒸汽联合循环机组启停快、调峰能力强，在电网中适合承担调峰任务。近年来，由于机组平均利用小时数持续下降，燃气机组冷态启动次数显著增多。以9 F燃气机组为例，燃气轮机30 min左右可以升满负荷，而汽轮机冷态启动至带满负荷大约需要6～8 h。在冷态启动过程中，由于汽轮机金属温度低，为避免热应力过大影响机组安全，蒸汽温度不能上升太快[1]。为此，燃气轮机需要长时间低负荷运行，等待汽轮机暖机，这导致燃气轮机燃烧效率低、排放高。另外，暖机阶段汽轮机进汽量很小，余热锅炉的蒸汽大部分未做功就直接从旁路排走，造成能源损失。

汽轮机快速启动问题一直都是制造厂、科研单位和电站关注的焦点。提升汽轮机冷态启动速度主要有两种手段：一是通过精确的热应力在线监控和寿命管理技术优化启动过程，但启动优化技术近年已经逐渐发展至瓶颈，很难进一步大幅缩短启动时间；二是开机前用外来汽源预暖汽轮机，将冷态启动变为温态启动。20世纪80年代，这种预暖技术在国外电厂中得到应用，可显著缩短汽轮机冷态启动时间，并节省大量的启动锅炉燃油及厂用电[2]。20世纪90年代国内电厂开始引入该技术，GE公司[3-4]、东方汽轮机厂[5]、哈尔滨汽轮机厂[6-7]的火电机组都曾在改造时增设预暖系统。但是该技术在火电厂中应用并不广泛，因为火电机组一般不需要快速启动。相比之下，经常参与电网调峰的联合循环机组对快速启动的需求更为迫切，但目前尚未见预暖技术应用于联合循环领域。

本文阐述了一种新型联合循环预暖系统及方法，特别适用于带离合器的联合循环单轴机组。这种预暖技术采用汽轮机倒拖燃气轮机的方式，增加了进汽量，预暖时间显著缩短。为优化设计方案，利用有限元方法预测了不同蒸汽参数、暖机转速下的预暖效果。本文的研究可以为提高联合循环机组灵活性提供参考。

1 联合循环冷态预暖系统

图1显示了联合循环汽轮机预暖系统示意图。其设计理念为：在机组启动之前，先引入一股外来蒸汽预暖汽轮机，将机组提升至一定温度，然后燃气轮机点火进行正常启动，从而将冷态启动变为温态启动，缩短了启动时间。预暖系统包括暖机汽源以及同轴布置且依次连接的燃气轮机、发电机、自动同步离合器和汽轮机，汽轮机包括高压缸、中压缸和低压缸。暖机蒸汽从母管出来分两路：一路从高压阀组前的主蒸汽管道接入，蒸汽流经高压缸后从高排通风管路排入凝汽器，构成高压暖机回路；另一路从中压阀组前的再热蒸汽管道接入，流经中低压缸后排入凝汽器，构成中压暖机回路。暖机结束后，切断暖机蒸汽，然后汽轮机按温态启动方式正常启动。

图1 联合循环汽轮机预暖系统示意图

暖机蒸汽输送管道上设有输送阀(关断阀)，暖机结束后用于隔断暖机蒸汽。输送管道的低点布置一个疏水阀，用来排走凝结水。在输送管道上设置了温度、压力测点，实时监测蒸汽参数品质。高压支路和中压支路管道上分别设置截止阀，用于控制管路的通断。由于机组正常运行时高压截止阀和中压截止阀接触高温蒸汽，为安全起见均采用串联的2个截止阀。中压截止阀前设置1个调节阀，用于调节中压支路的暖机蒸汽流量。这是因为中压调节汽门口径太大，蒸汽量较小时无法精确调节流量。而高压调节汽门口径相对小一些，可以满足暖机蒸汽流量调节功能，故高压支路不用另设调节阀。

对于中低压合缸机组来说，限制启动速度的瓶颈主要在于中压转子，因为中压转子直径较大，很难暖透。为提升暖机速度，需在暖机过程中设法增大进汽量，尤其是中压缸进汽量。由于暖机时汽轮机带动发电机、燃气轮机一起转动，这增加了汽轮机的进汽量，暖机速度得到显著提升。

2 离合器低速安全啮合技术

对于9F级联合循环单轴机组，发电机与汽轮机之间通过自动同步(Synchro-Self-Shifting，SSS)离合器连接(如图1所示)。该类型机组的优点是灵活性好，燃气轮机既可单循环运行，又可与汽轮机共同带负荷发电。该类机组采用具有低速保护功能的继动式自动同步离合器(如图2所示)，其特点是燃气轮机检修时汽轮机仍然可以盘车运行，从而避免在重力作用下长时间静置，造成转子弯曲。

然而，离合器的存在增加了预暖系统的复杂性。因为预暖前燃气轮机在120 r/min转速下盘车运行，此时若通入暖机蒸汽冲转汽轮机，当汽轮机转速超越燃气轮机转速，且棘爪弹起时，离合器在较大转速差下啮合，可能会损坏。因此暖机时要先用静态变频启动装置(Static Frequency Converter，SFC)将燃气轮机转速提升至800 r/min，然后汽轮机进汽，冲转至800 r/min，转速同步后SFC退出，汽轮机倒拖燃气轮机、发电机转动。

图2 自动同步离合器结构示意图

这样操作仍然有一个潜在风险：汽轮机转速达到700 r/min以上，才能保证离合器棘爪完全弹出，如果SFC在汽轮机冲转到700 r/min之前跳闸，燃气轮机会迅速惰走，二者转速可能在350～700 r/min区间相遇。这种情形无法保证棘爪完全弹出，会导致离合器啮合瞬间转速差非常大，或者打坏棘爪。

为避免SFC跳闸带来的风险，可以采取以下两种措施：

1)若汽轮机转速小于350 r/min，发电机或SFC跳闸后立刻切断汽轮机蒸汽，燃气轮机和汽轮机一起惰走，转速不会相交，如图3(a)所示；

2)若汽轮机转速大于350 r/min，发电机跳闸后汽轮机加速冲转，转速相交于700 r/min以上，离合器可以安全啮合，其过程如图3(b)所示。

(a) 汽轮机转速<350 r/min

(b) 汽轮机转速≥350 r/min

图3 跳闸工况下燃气轮机与汽轮机转速同步示意图

3 预暖系统操作流程

预暖系统的操作流程如图4所示，其流程为：(1)向汽轮机轴封供汽，建立真空后，利用SFC将燃气轮机转速提升至1 000 r/min；(2)向汽轮机通入暖机蒸汽，将汽轮机转速冲至800 r/min；(3)SFC逐渐退出，燃气轮机转速惰走至800 r/min，当汽轮机转速超过燃气轮机转速时，离合器啮合；(4)当汽轮机中压转子加热至一定温度后，切断暖机蒸汽，结束暖机，燃气轮机和汽轮机恢复至盘车状态。

图4 预暖步骤示意图

暖机蒸汽流量可以根据机组的阻尼力矩和热力学公式进行简易计算。因为在同一转速下升速与降速的阻尼力矩相等，所以阻尼力矩可以根据机组的停机惰走曲线来反推。图5显示了某电厂联合循环单轴机组的实测停机惰走曲线。

图5 联合循环单轴机组停机惰走曲线

当转速惰走至800 r/min时，整个轴系所受的阻尼力矩与800 r/min预暖工况时相同，从而有：

Tf=J·β

(1)

式中：Tf为阻尼力矩，J为转动惯量，β为角加速度。

轴功率为：

P=Tf*π*n/30

(2)

式中：n为转速，r/min。

当蒸汽做的功与阻尼力矩消耗的功相等时，就可以维持转速不变，即：

P=ΔH*Q

(3)

式中：ΔH为焓降，kJ/kg，Q为蒸汽质量流量，kg/s。

根据公式(1)～(3)可以计算不同品质蒸汽在800 r/min转速下暖机时所需要的流量。进出口焓降越高，需要的蒸汽流量越少。高排蒸汽(350 ℃、3 MPa)和启动锅炉蒸汽(320 ℃、1.2 MPa)所需要的流量相近，大约需要20 t/h，低压补汽(240 ℃、0.5 MPa)需要30 t/h。

4 暖机效果预测及参数化研究

每个电厂实际情况不同，能提供的暖机蒸汽参数、流量都不一样。为弄清蒸汽参数对暖机效果的影响，本文通过有限元方法计算了几种典型汽源参数下转子的温度变化。

暖机速度取决于蒸汽温度和转子表面的传热系数，可以通过数值方法按照传热学第三类边界条件进行瞬态计算。转子表面的传热系数计算如下[8]：

(4)

式中：r0为转子半径，ω为旋转速度，υ为蒸汽运动黏度系数，cp为蒸汽定压比热容，λ为蒸汽热导率。

蒸汽参数对暖机速度影响如图6所示。从图6可以看出，在800 r/min转速下暖机，使用高排蒸汽(350 ℃、3 MPa)和辅助蒸汽(320 ℃、1.2 MPa)大约1 h就可以将转子暖至220 ℃，两种汽源暖机效果差异不大。如果使用低压补汽(240 ℃、0.5 MPa)，暖机大约需要3 h才能完成。可见蒸汽参数，尤其是蒸汽温度对暖机速度影响很大。

图6 蒸汽参数对暖机速度影响

暖机转速对暖机速度的影响如图7所示。从图7可以看到，使用同一种汽源时(邻机高排蒸汽)，暖机转速对暖机速度影响很大。800 r/min转速下暖机只需要大约1 h，而500 r/min转速下暖机需要3 h，300 r/min转速下暖机则需要更长时间。这是因为不同暖机转速进汽量相差很多，而转子表面传热系数与进汽量相关。

图7 暖机转速对暖机速度的影响

综上所述，暖机蒸汽品质越高、转速越高，预暖效果越好。利用邻机高排蒸汽在800 r/min转速下暖机，预暖1 h左右即可达到要求，与冷态启动时间相比，节约了3 h。

5 结 论

为了缩短联合循环机组冷态启动时间，本文开发了一套冷态快速启动预暖系统。本文首次提出汽轮机倒拖燃气轮机的预暖方法，制定了安全的预暖操作流程。从收益上来说，预计利用邻机高排蒸汽预暖汽轮机只需要1 h，可以比冷态启动时间少2～3 h。同时采用该系统可以提高机组的快速调峰能力，降低启动成本和污染排放。并且，通过参数化研究发现：

1)蒸汽参数对暖机速度影响非常明显，较高的暖机蒸汽温度可以显著缩短预暖时间；

2)高暖机转速下进汽量大，转子表面传热系数高，预暖时间大幅缩短。