联合循环机组冷态启动分析及优化探讨

王艳青　盛会霞

摘 要：本文以西门子9F级燃气-蒸汽联合循环机组为例，对联合循环机组冷态启动过程进行分析。通过对主机设备特性和冷态启动过程中各主要参数变化的分析，找出影响机组启动过程延长的主要因素，并提出优化方案，以缩短机组冷态启动时间，提高机组冷态启动过程的安全性和经济性。

关键词：联合循环；汽轮机；冷态启动；优化

中图分类号：TM611.31 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0074-03

Analysis and Optimization of Cold Starting of Combined Cycle Unit

WANG Yanqing SHENG Huixia

（ZhengZhou Gas Turbin Power Co.，Ltd ，Zhengzhou Henan 450001）

Abstracts： This paper taken the SIEMENS 9F gas steam combined cycle unit as an example to analyze the cold start process of the combined cycle unit. Through the analysis of the changes of the main characteristic parameters of the host device and the cold start process， found out the main factors affecting the start-up process extension， and put forward the optimization scheme， to shorten the cold start time， improved the safety and economy of the process of cold start.

Keywords： combined cycle；steam turbine；cold start；optimization

燃气电厂与常规燃煤电厂相比，具有启动快、负荷适应性强的特点，其启动时间相比于常见火电要快得多，可以做到早起晚停，满足电网调峰需求。西门子9F级联合循环机组热态和温态启动时间一般为1～1.5h，但冷态启动时间一般在7h左右。某燃气电厂安装两套西门子引进的GUD1S.94.3A燃气-蒸汽联合循环发电机组，设计的年机组冷态启动5次/台。但随着本区域装机容量的快速增多，机组冷态启动的次数明显增多，冷态启动过程的优化也显得更加重要。

1 机组冷态启动概述

西门子GUD1S.94.3A燃气-蒸汽联合循环机组，单轴布置，其汽轮机采用三压再热双缸凝汽式汽轮机。机组启动状态分类以汽轮机中压缸计算轴温为准，当该温度在100℃以下的机组启动即为冷态启动，温度在200℃以上的启动即为热态启动，之间温度区域为温态启动。冷态启动时间一般比热态启动要长很多，且会受到多种因素的影响。

因燃机材质特性和结构特点，其动、静叶片多为中空结构，对温度的适应性非常快，机组并网后，若不考虑锅炉和汽轮机因素，燃机单循环时可以最快13MW/min的升负荷率加负荷。余热锅炉因受到高压蒸汽管道、高压汽包壁较厚的影响和金属材料本身的特性限制，要保证金属的热应力变化在许可范围，蒸汽管道和汽包压力升高速度不大于0.2MPa/min，温升速度不大于35K/min，一旦升温或升压速度接近或者超过上述范围，机组计算的升负荷率就会减至零，限制机组增加负荷，并需要等待更长时间。因此，余热锅炉温度和压力的变化会影响机组加负荷的时间。

汽轮机进汽冲转参数需要满足高压缸进汽温度390℃、压力8.0MPa，中压缸进汽温度390℃。汽轮机的温升速度主要受到其叶片和較厚的缸壁热应力限制，前期低转速下通入少量的高中压过热蒸汽对汽轮机叶片和缸体缓慢预热，也就是汽轮机中速（870r/min）暖机。中速暖机完成后，才允许汽轮机转子继续升速至额定转速并逐渐带负荷至额定负荷，并允许通入温度更高、流量更多的过热蒸汽，继续加热汽轮机直至达到额定温度，其升温过程被严格限制在1K/min的升温速率[1]。

机组冷态启动过程在汽轮机未并入系统之前为燃机单循环运行状态，所产生的蒸汽经过旁路进入凝汽器，机组输出的负荷只有在相同气耗下联合循环负荷的60%，其气耗率和厂用电率都很高。

按照联合循环机组运行特性，其冷态启动整个过程可以划分为三个阶段：①机组启动前准备阶段；②燃机启动点火、并网至单循环运行，余热锅炉汽水系统升温升压阶段；③汽轮机开始进汽、中速暖机和汽轮机额定转速接带负荷继续升至额定温度阶段。

2 联合循环机组一般冷态启动过程

2.1 机组启动前准备阶段。

辅助系统投入启动前状态或正常运行状态，为机组启动准备，包括以下系统。①润滑油、密封油、定冷水和控制油系统投入正常运行；燃机、汽轮机盘车系统，盘车投入时间不低于24h。②闭冷水、凝结水系统，余热锅炉系统省煤器、蒸发器和汽包等受热面注水完成；天然气供应系统和辅助蒸汽系统正常投入运行；轴封及真空系统、给水泵系统、旁路除氧系统、开式水及循环水系统等各辅助系统投入。

各辅助系统投入正常运行，并确认发变组、励磁及拖动等电气系统正常备用。各设备和系统状态信号反馈正常，机组即具备启动条件。

2.2 燃机启动点火、并网至单循环运行阶段

2.2.1 机组程序启动及锅炉吹扫，燃机点火升至满速。经由系统启动程序（CJA）将燃机启动后，燃机程序启动开始，燃机拖动装置SFC带动转子升速进行锅炉清吹约8min，之后燃机转子惰走至300r/min左右燃机点火。

燃机点火成功后，由机组启动拖动装置SFC继续带动燃机转子升速至2 250r/min左右自持转速后退出，燃机继续升速至满速。燃烧切换至正常模式后就可以进行发电机并网。余热锅炉受热面温度随燃机排气温度的升高而逐渐升高。

2.2.2 发电机并网，燃机单循环带低负荷运行。机组满足并网条件后并网接带负荷，燃机单循环带负荷运行。在增加燃机负荷的同时，一方面随余热锅炉受热面温度的上升，蒸汽压力温度逐渐升高；另一方面，不合格汽水混合物由疏水管道或定排排污排出，等待蒸汽参数和品质都满足汽轮机冲转要求。此过程中，蒸汽压力和温度上升率需要满足升速率限值要求，并会影响燃机升负荷率[2]。

2.3 汽轮机中速暖机和接带负荷升至额定温度阶段

随着余热锅炉蒸汽参数升高，在过热蒸汽参数包括温度、压力及蒸汽品质达到汽轮机冲转要求后，就可以释放蒸汽品质。过热蒸汽开始进入汽轮机，汽轮机转子升速至870r/min后正式进入中速暖机。过热蒸汽流入汽轮机加热叶片和缸体，缸体和叶片温度逐渐升高。汽轮机中速暖机的时间由控制器根据高中压进汽参数和凝汽器真空（背压）等数据计算得出。

当中速暖机的计算时间递减降至零后，即汽轮机暖机完成，汽轮机转子升速至满速，经3S离合器与发电机并列，汽轮机正常接带负荷，进一步增加机组的输出负荷。炉侧高压主蒸汽和再热蒸汽的温度设定点逐渐升至额度温度，汽轮机的缸温、轴温也随之逐渐升高至额度值。

3 机组冷态启动过程分析及优化

3.1 机组启动前准备阶段分析及优化

3.1.1 机组启动前准备阶段分析。机组启动前准备阶段所用的时间并不算作机组启动时间，各系统设备要充分准备，避免因设备异常引起的机组启动中止或延迟，保证机组顺利启动。

3.1.2 启动前准备阶段优化方案。①机组启动前准备阶段，首先应保证各个主要设备或阀门状态信号正常，各手动阀门恢复至启动前要求位置。②辅助系统投运，对设备状态信号进行核查，且需确认设备保护连锁投入正常。若是机组停运时间较长（超过两周），再次启动前，应该对辅机设备进行短期试运行检查及保护连锁试验，尤其是密封油、润滑油和液压油系统，确保设备可用且连锁保护可靠。

3.2 燃机单循环运行及汽水系统升温升压阶段分析及优化

3.2.1 机组启动初期燃机排气温度变化和锅炉升温升压分析。燃机转子从点火转速300r/min升至满速需约5min，其后燃机由扩散燃烧向预混燃烧方式切换。受燃机燃烧方式和燃烧特性影响，燃机点火初期燃机排气温度会快速升高至450℃左右，其后降低稳定在280℃（OTC，即经修正的燃机排气温度），但时间短且燃机排气流量低，再经过燃机排气扩压段的混合，炉侧烟气的温度是均匀上升的，对余热锅炉侧温度及受热面几乎没有影响。

燃机点火后运行约10min，锅炉高压系统开始升温升压。若是燃机满速后直接并网，燃机OTC将快速升至350℃左右维持稳定。高压系统温度升至100℃以上产生蒸汽后，温度和压力会迅速升高，由最低温度快速升至250℃以上（8min左右时间内）。随着高压旁路的开启，再热系统开始升温升压，因进入蒸汽前再热器几乎处于干烧状态，其温度较高，进入旁路蒸汽后其温度会迅速升高至250℃以上（6min左右时间内）才会趋缓，压力也达到1.5MPa左右。再热蒸汽升温升压太快，压差大，蒸汽迅速流动至中压旁路前，管道疏水不畅时中压旁路开启，极易导致水冲击。

等待炉侧高压蒸汽温度升至350℃、压力为3MPa左右，燃机允许继续增加负荷，并保证蒸汽的升温升压率在许可范围，否则，程序会停止增加机组负荷，等待直到升温升压率降至要求范围以下才会继续增加负荷。燃机点火后，各管道及过热器疏水开启，直至过热度升至30K后疏水阀自动关闭，直至高压和再热蒸汽参数和蒸汽品质满足汽轮机冲转要求。

3.2.2 燃机启动点火后锅炉升温升压阶段优化。机组冷态启动初期，蒸汽升温升压速率较快，需要缓慢增加机组负荷，确保升压率为0.2MPa/min，否则程序会停止增加机组负荷，太快的升温升压率会对金属造成伤害——引起金属蠕变。为避免余热锅炉初期的升温升压速率超限制，在燃机满速运行约15min后再并网，蒸汽温度温升率会相对趋缓，蒸汽升温过程温升速率可以满足35K/min要求。

点火后要检查确认各管道和受热面疏水开启，初期蒸汽参数低，应避免疏水不畅导致的水冲击，过热度小于50K或高压蒸汽压力在2MPa以下时，保持各疏水阀常开，在暖管的同时，也可以将管道中的锈垢和杂质及时排出。等参数继续升高，旁路开启，蒸汽正常流动后可以开启凝结水母管放水，也可以排走品质差的汽水。通过汽水取样系统及时了解汽水品质变化，调整排污，使汽水品质合格。

通过延长疏水时间和开启凝结水母管放水，可以避免疏水不畅可能导致的管道水冲击，并能使汽水品质尽快合格，由此造成的汽水损失是值得的。若能使蒸汽品质在蒸汽参数满足条件时即已合格，可以减少机组单循环时间1h左右，极大地加快启动速度，尽早进入汽轮机中速暖机。

3.3 汽轮机开始中速暖机和升至额定温度阶段分析及优化

3.3.1 汽轮机暖机过程分析。汽轮机进入中速暖机后，中速暖机的时间因汽轮机进汽参数和凝汽器真空（背压）的不同会有较大差异。自汽轮机转子升速至870r/min开始，计算的暖机时间一般为200r/min至360r/min不等，依实际分钟递减，直至倒计时至零，暖机完成。进汽初期，高压轴温因高温汽體进入直接加热而快速上升，约1h升至250℃，之后温升趋缓，直至暖机结束升至300℃左右，缸温约1h内升至200℃，后温升相对稍缓，至暖机结束升至280℃左右。中压缸因进汽量小，温升较缓慢。暖机过程要密切监视各参数变化，参数异常时要及时停止暖机过程。

汽轮机中速暖机开始后，汽水品质会因为汽轮机内存留的锈垢、杂质等随蒸汽排出混入汽水系统而再次变差。

汽轮机满速并列后，炉侧高压主蒸汽和热再蒸汽的温度设定点由390℃逐渐升至额度温度560℃左右。汽轮机的缸温也随着进汽温度的升高而逐渐升高至额度温度。汽轮机进汽量缓慢增加，联合循环总负荷也逐渐增加，汽轮机各缸体和转子温度在汽轮机带负荷运行约4h后达到额定值。此时，若机组带至满负荷，其效率也将得到最大值。

3.3.2 汽轮机暖机过程优化。汽轮机中速暖机时间激活后，就可以通过设置的真空旁路阀调节凝汽器真空（背压），使汽轮机透平内蒸汽流动略微减缓，以缩短汽轮机的计算暖机时间，调整真空后，暖机的计算时间会由初期的360min快速下降至180min左右，此后依实际分钟递减，倒计时至零，暖机完成。一般控制凝汽器绝对真空值（背压）在20～25kPa，但不应超过25kPa，避免真空波动达到真空保护值而触发跳闸。

汽轮机中速暖机开始后，应保持凝结水母管放水和炉侧定期排污，保持汽水系统换水排污，可以尽早使汽水品质满足汽轮机正常运行要求。

中速暖机结束，将抽真空系统恢复至正常状态，汽轮机升至满速开始接带负荷后，过热蒸汽和再热蒸汽温度依汽轮机升温要求调整，以1K/min的速率逐渐升温，直至到达额度温度，约需要3h，汽轮机缸温轴温升温较蒸汽温度稍有滞后，约需要4h。汽轮机升温过程要密切监视各蒸汽温度和汽轮机温度变化，防止有温度异常波动的情况，同时监视各轴瓦温度和振动变化。

中速暖机调整真空并保持汽水系统适当排污换水，统计显示优化后的中速暖机时间都在200min以内，相当于节约暖机时间将近3min，优化效果明显。

4 结语

通过对机组启动前及启动过程进行阶段分析，可以在保证机组运行安全的前提下通过适当调整控制，将冷态启动时间压缩至4.5h左右，比优化前降低3～4h，在保证主机设备安全性的同时，提高冷态启动过程的经济性。优化后的典型启动过程参数曲线可作为日常冷态启动的参考。

参考文献：

[1]张衡.300MW亚临界机组无外来辅助蒸汽冷态启动探索[J].科技创新与应用，2017（4）：136.

[2]刘万琨.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环[M].北京：化学工业出版社，2006.