联合循环单轴调峰机组快速启动研究

联合循环单轴调峰 机组快速启动研究

李明宇 1, 刘勇 1

1.国家电投集团河北电力有限公司 , 河北 省石家庄 市 050030

摘要: 燃气-蒸汽联合循环机组调峰运行，必须适应电网负荷峰谷差较大的特点，并满足快速启动、停机的要求，以保证电网的安全运行。本文从联合循环系统、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等方面对调峰机组快速启动的限制条件进行了分析，并提出了机组快速启动调峰的优化措施
关键词: 联合循环; 快速启停; 调峰;

Study on the Fast Start-Up of Single-Shaft CCPP

LI Mingyu¹, liu Yong¹

(1.SPIC Hebei Electric Power co.,Ltd, 050030, Hebei province Shi Jiazhuang)

ABSTRACT:Peak-Loading operation of CCPP units must adapt to the characteristics of large peak-valley load difference of power grid and meet the requirements of quick start-up and shutdown to ensure the safe operation of power grid. In this paper, the limiting conditions for quick start-up of peak-shaving units are analyzed from the aspects of combined cycle system, gas turbine, waste heat boiler and steam turbine. The paper also puts forward the optimization measures of peak shaving for quick start-up of the unit.
KEY WORDS:CCPP, rapid start and stop, peak Load

0 引言

随着社会用电结构的巨大变化，电网峰谷差对发电设备调峰能力的需求越来越高。传统煤电机组启动时间较长，负荷变化响应速度较慢，若机组频繁调峰，其使用寿命和经济性影响较大。燃气-蒸汽联合循环机组环保影响较小，启停速度快、能源利用率高、调峰弹性高，适合大电网调峰需求。

研究燃气-蒸汽循环机组的快速启停技术，充分发挥其启动快、可频繁启停的特点，对其在水电资源缺乏、气源丰富的地区，更好的发挥其调峰及系统的紧急备用功能，有很强的现实意义。

1 调峰对燃气-蒸汽循环机组的要求

燃气轮发电机组仅参与调峰已不能满足快速、大负荷波动条件下电网稳定要求，调峰机组必须具有更大、更快的调峰能力，对启动特性进行优化，满足启停调峰的运行方式要求。而目前调峰对联合循环调峰机组的基本要求1）在启停调峰运行条件下，要求在低的调峰中间负荷仍具有基本负荷电站同样的效率和相同水平的排放量；2）要求具有快速启停能力。通过缩短启动时间，减少燃气轮机在高排放的空载区停留的时间，达到减少排放总量和消耗总量的目的。3）按启停调峰运行的实际，而不是以往的所谓热态、温态和冷态启动(停机时间8小时为热态启动、48小时为温态启动)对机组的启动状态分类。

2 燃气轮机调峰快速启动优化

单轴联合循环机组具有系统简化、布置紧凑、厂房面积小、土建成本低等优点。加装自动同步离合器的单轴机组其燃机的调峰能力不再受限于汽机。在紧急调峰指令下，燃气轮机可快速启动、参与调峰。汽轮机可在线并列/解列，机组灵活性显著增加。中低压合缸结构使得中压转子直径较粗，停机后热惯性好，适用于两班制运行的快速启动。本文以单轴循环机组为研究对象。

2.1 影响快速启动的因素

因素有1）机组的当前状态处于冷态、温态还是热态决定了机组的启动时间。2）机组的运行方式是简单循环还是燃气-蒸汽联合循环。3）机组的类型是采用单轴还是多轴布置。4）汽轮机旁路的大小容量，是30%容量还是100%容量。

2.2 一键启停技术

一键启停技术能通过自动控制系统完成从启动准备直至带满负荷或者从正常运行到停机的全部过程，即完成盘车、抽真空、升速并网、带负荷、带满负荷以及甩负荷和停机的全部过程。一键启停技术不需要像传统启动曲线方式那样区分冷态、温态、热态、极热态启动方式，而是通过机组温度测点自动判断机组当前所处状态，通过实时应力监控技术完成整个启动过程控制，从而降低人员操作风险。

一键启停通过顺控逻辑实现联合循环汽轮机和辅机设备启停操作条件判断和自动启停操作，对于过程控制，顺控逻辑会随着过程量的变化自动更改调节参数，使机组启停过程按照顺控逻辑设计的要求执行。基于应力监控的一键启停技术先进，有如下技术特点1）运行灵活。一键启动，操作简便；避免人为的误操作，提高安全可靠性；通过温度裕度自动运算，控制启动中的汽轮机寿命损耗。2）联合循环汽轮机DEH采用先进的X准则保证了汽轮机部件不会出现热应力过大的冷冲击或热冲击。例如X1准则防止冷蒸汽冲击热阀。3）热应力在线计算精度高。在线计算速度快，计算结果精度高，转子温度与有限元数值计算结果相比，在线计算偏差小于5%。4）热应力监测部件多。实现了采用一套系统对一台联合循环汽轮机多个关键部件进行热应力监控。5）启动模式多样，具有慢速、常规、快速三种启动模式。6）无冗余启动等待时间。能根据机组当前状态随时修正启动曲线，以最优化路径完成启动过程。7）汽轮机与燃机协调控制效率高、灵活性大。

2.3 冷态预暖快速启动技术

常规燃气-蒸汽联合循环机组冷态经济启动方式下，燃机的发电效率降低，且排放增大，蒸汽排空损失大。因此冷态预暖快速启动技术方案通过预暖技术，可以使原本的冷态启动变成温态启动，可大幅提高汽轮机调峰响应速度，且降低了能源损失和发电成本。另外，通过预暖方法提高启动速度不会造成额外的寿命损耗，有利于延长机组的使用寿命。

联合循环汽轮机邻机预暖系统，重点是暖机汽源以及连接有通向高压缸和中压缸的暖机蒸汽输送管道。预暖系统操作流程特别适用于设有自动同步离合器的单轴联合循环机组的冷态启动，预暖步骤1）燃气轮机和汽轮机在盘车状态下运行并建立真空。2）利用变频启动装置(SFC)将燃气轮机的转速提升并稳定在1000转/分钟。3）向汽轮机内通入暖机蒸汽，使汽轮机的转速提升并稳定在800转/分钟。4）SFC逐渐退出，降低燃气轮机的转速，当燃气轮机的转速降低至800转/分钟，且汽轮机转速有超越燃气轮机转速的趋势时，自动同步离合器自动啮合。5）由汽轮机带动燃气轮机、发电机转动，开始暖机。6）当汽轮机中压转子的温度达到预设温度或者暖机时间达到预设时间时，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。后续则可按常规的温态或热态启动方式正常启动联合循环机组。

3 余热锅炉调峰快速启动优化

3.1 结构设计

为减少因温度变化引起的应力变化从而适应快速起停，汽包的水容积的选取和结构设计方面，需满足启动时汽包内水容积迅速膨胀的要求，并考虑故障状态在给水暂时中切断的情况。高压汽包材料采用耐热性能好、强度高、具有较高许用应力的材料，可以有效降低高压汽包的壁厚，从而降低启动和停炉时高压汽包的内外壁温差。锅炉连接管道采用柔性布置，主要管道要进行应力计算。锅炉整体膨胀体系适应锅炉快速启动的要求。烟囱内装设挡板，停炉后，可关闭挡板，对余热锅炉尽可能进行保温，以利于下次快速起动，减少启动时汽包壁温差，减少再次启动时间。

3.2 系统设计

过热器出口布置关断阀，在停炉时起到保温保压的作用，加快下一次启动的速度。汽包分别设置紧急放水管路，及时控制汽包水位。蒸发器，省煤器及凝结水加热器设计有足够的疏放水能力，能适应锅炉的快速启停及放水。增加炉底加热系统，在机组启动前加热汽包炉水，有效降低启动时汽包的上下壁温差和内外壁温差。

4 蒸汽轮机调峰快速启动优化

通常，燃气轮机从启动到满负荷仅需要20 min 左右；而对于蒸汽汽轮机，因其设备自身的特性，启动时间长。为了改善联合循环机组快速启动性能，满足快速启动要求，同样需要对联合循环机组中的蒸汽轮机的启动时间和方式进行优化，以降低整个联合循环机组的启动时间。

增加主蒸汽及汽封供汽管道启动疏水排地沟管道，使机组温、热态启动时，高压蒸汽管道能快速暖管，保证汽封供汽更早地投入，缩短系统建立真空和蒸汽管道疏水暖管的时间，实现机组的快速启动、运行。

优化措施1）锅炉开始升温、升压前，及早投入高压蒸汽管道疏水排地沟。2）当主蒸汽温度、压力满足投运汽封系统条件时，汽封系统立即暖管、投入，汽封投运正常后，启动2 台真空泵抽真空。3）系统建立真空后，开启所有蒸汽管道疏水至汽机本体疏水扩容器阀门，加快疏水、暖管速度，为机组快速启动赢得时间。

5 结语

在快速、大负荷波动条件下，为保证电网的稳定性，要求调峰机组具有更大、更快的调峰能力。而且机组仅参与调峰已不能满足电网要求，调峰机组必须满足启停调峰的要求。启停调峰将是燃气-蒸汽联合循环机组必须考虑的运行方式，启动特性的优化则是联合循环调峰机组运行的关键。

本文从联合循环系统、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等方面对调峰机组快速启动的限制条件进行了分析，并提出了机组快速启动调峰的优化措施，1）发电机与汽轮机之间装设自动同步离合器，燃机的调峰能力不再受限于汽机；2）通过一键启停技术优化整个启动过程控制；3）冷态预暖快速启动技术优化汽轮机启动时间；4）优化余热锅炉的结构和系统设计，缩短启动时间；5）优化汽轮机热力系统，缩短预暖时间。

4 参考文献

[1] 丁阳俊, 盛德仁, 陈坚红, 洪雷, 顾正皓, 林成. 某电厂联合循环汽轮机启动过程优化[J]. 中国电机工程学报, 2013,.

作者简介：

李明宇(1972)，男，本科，高级工程师，从事发电企业的生产运营和技术管理工作，

收稿日期: 2020-11-08

(编辑 ***)