1000MW二次再热汽轮机组热态启动难点分析

叶 罗，李 冬，李 敏，吴俊东

(国电泰州发电有限公司，江苏 泰州 225300)

0 引言

泰州公司二期工程3号、4号1000MW汽轮发电机组于2015年9月、2016年1月先后高标准投运。在全世界首次将二次再热技术应用到百万千瓦等级超超临界燃煤发电机组，该工程发电效率为47.82%, 发电煤耗为256.86g/kWh，比当今世界最好水平低6g/kWh，同时二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放量减少5%以上，优于燃气机组排放水平，实现了机组能效、排放水平大幅提升。根据二期工程运行的实际情况，就热态启动过程中存在的难点进行分析和处理, 对大容量二次再热汽轮机组的启动控制具有一定的参考意义。

机组设高、中、低压三级串联汽机旁路系统，旁路按不考虑停机不停炉及带厂用电运行功能来设计。高压旁路从主蒸汽接到一级低温再热器冷段，同时起锅炉主汽安全阀功能。中、低压旁路容量按满足启动功能的要求设置。

1 热态启动方式及特点

二次再热机组采用超高、高、中压缸三缸联合启动方式。主蒸汽为串联流程，即主蒸汽由超高压缸进入→超高压缸排汽至一级再热器→进入高压缸→高压缸排汽至二级再热器→进入中压缸→低压缸→凝汽器。在启动阶段，旁路控制器参与控制三级旁路开度以调整、保持主蒸汽、一、二次再热器蒸汽压力在设定的范围。

热态启动是指机组停用8h以内重新启动，超高压转子平均温度400～540℃。热态启动的主要特点是启动前汽轮机缸温及转子金属温度较高，一般为额定参数的80%左右[1]，故对所需求的进汽参数要求高。同时启动速度和安全也会受到汽轮机各金属部件热应力制约。并且，一般在机组跳闸后，事故原因一经查明，消除后立即进行热态启动，至并网带负荷间隔时间短，启动速率较快等。对于机组每一次启动，均会造成机组使用寿命的折损。在这种工况下启动处置不当将大大增加机组寿命损耗，对于汽轮机的寿命造成极大的影响。二次再热汽轮机系统配置如图1。

1.1 启动过程中的应力控制

在机组启动过程中，汽轮机处于非稳定状态下，选择与设备金属温度相当的蒸汽温度对于汽轮机运行的成本和应力优化是一个重要的措施。

二次再热汽轮机组对常规一次再热多一个汽缸及对应进汽系统，继而TSE控制器受限条件也更为复杂。二次再热机组主要对超高压主汽门、超高压主调门、超高压汽缸、超高压转子、高压主汽门、高压主调门、高压转子、中压转子等部件进行温度监视，通过衡量金属表面同内部平均温度之间的温度差值与允许温度差值来计算允许的温、降升率，该差值以应力裕度的形式来表示。所有测量的温度及应力裕度均进行指示及记录，并且取上述部件最小应力裕度参与到机组的转速控制回路和负荷控制回路中，决定是否限制机组升转速或负荷。

图1 二次再热汽轮机系统配置

由于转子的径向厚度比汽缸厚度大很多，蒸汽对转子外表面的放热系数远大于对汽缸内壁的放热系数，此外转子表面有许多应力集中区，启动时转子内外径的温差和产生的热应力远远大于汽缸[2]，因此转子热应力大小对汽轮机寿命起着决定性作用，故需要对转子TSE温度裕度重点关注，以保持在整个过程有一定的裕量，如图2所示。

注意事项：做好汽轮机各部件温度裕度的监视，以此来调整对应所需进汽参数并保持参数的稳定；由于热态启动特点，蒸汽流量在并网带初负荷后才有明显增加，此时对金属表面的冲击也最大。在此阶段应根据汽轮机TSE情况增加负荷，同时应关注DEH升负荷速率，机组并网正常后可适当降低升负荷速率至20MW/min；当蒸汽参数出现扰动异常升高或降低时，各金属部件升降应力裕度小于-15K，汽机转速、蒸汽流量或负荷不能再进一步增加同时避免蒸汽温度进一步升高。当各金属部件升裕度小于-20K，应立即手动遮断汽轮机。

1.2 热态启动时X准则的匹配

X准则是一种动态可变温度准则，可自动实现温度匹配和热应力的最佳断点控制[3]，用于判断是否可以打开主汽门对调门进行预热、汽轮机是否可以打开调门实现冲转、是否可升速到额定转速以及能否发电机并网带负荷。作为汽轮机自启动步序条件一部分，通过可变的温度准则判定当前蒸汽状态是否达到预期以及决定是否进入下一状态。

图2 金属最小应力裕度

以某次热态启动为例，在整个SGC自启动阶段，X5准则迟迟难以满足。X5准则应用于冲转前蒸汽状态判定，其控制策略是：A/B侧超高压主汽门前温的最小值，大于超高压转子体平均温度和超高压外缸体平均温度间的大值。目的是避免冲转过程中超高压汽轮机汽缸及转子的冷却。

X5准则可有式(1)和表1确定：

X5=Tms-F(Tmcv)

(1)

式中：Tms为左、右侧超高压主汽门前温度间的最小值；Tmcv为超高压转子体平均温度和超高压外缸体平均温度间的最大值；F(Tmcv)为Tmcv对应的函数值。

表1 X5准则中Tmcv对应函数值F(Tmcv) ℃

根据X5准则的定义，若要X5>0准则满足，可以通过增加燃料量、总风量等措施提高主蒸汽温度。以某次启动超高压转子温度515℃的条件，需控制超高压主汽门前温度>532℃，然而过高的启动参数会给后续带来系列问题和难度。为保证启动的一次成功，该厂研究决定，机组跳闸后至再启动时间不少于10h，使对应部件金属温度有个适当下降空间。

1.3 启动参数的匹配和控制

在启动参数的选择和控制，正如前文所述，首先需考虑的是满足汽轮机各金属部件热应力的要求，既满足TSE，又要满足对X准则的需求，实现自启动步序的走步。对于热态冲转参数设备制造商建议为：超高缸进汽参数为：14MPa/540℃，高压缸进汽3.0～3.5MPa/520℃中压缸进汽0.8～1.0MPa/520℃。在该工程初期调试中，在这么高的参数给超高压缸/高压缸排汽温度带来较大的控制难度。

三缸联合启动过程中，尤其在低速动摩检查停留(870r/min)及达额定转速等待并网阶段，由于蒸汽流量低鼓风摩擦带来的热量不足以被带走，排汽温度上升明显。为保护末级叶片西门子汽轮机组设定了排汽温度高保护。其策略是在第一阶段关小中压调门开度以提高超高压/高压缸进汽量；第二阶段切除对应汽缸进汽并开启通风阀，将该汽缸抽真空；第三阶段则为触发ETS停机保护。

通过分析多次启动采取以下措施将有利于改善因排汽温度高导致的启动中断的问题：

合理分配超高压缸、高压缸进汽量[4]。主要手段就是优化启动参数，控制好主蒸汽、一再蒸汽压力比值。例如某次启动选择参数：主蒸汽9MPa/510 ℃，一次再热蒸汽3.8MPa/500 ℃，二次再热蒸汽1MPa/485 ℃。机组3000r/min时超高压缸、高压缸排汽峰值分别为477℃/450℃，后在中调门参与控制下，超高压缸排汽温度得到控制并有小幅回落。在汽轮机升速前，逐步进行并网前电气准备及备用磨煤机启动准备工作，保证在3000r/min定速后，控制并网时间在10min内，并加负荷至150MW。由于并网前中调门开度小，需注意因进汽流量较小产生汽流激振而导致油动机振动大的问题。节流真空泵入口阀以及停运真空泵方式降低主机真空，使得暖机进汽量增加。

1.4 低压旁路减温器容量不足

热态启动相比较冷态启动，在启动初期对锅炉而言是一个冷却的过程，故热态启动整体升温升压率要更高，以尽快满足锅炉燃烧率与锅炉金属温度的匹配。为保障一次性冲转和快速并网至初负荷的需求，燃料量的投用量多且快，高、中、低压旁路大流量的作用是不可或缺的[5]。该机型低压旁路由二次再热蒸汽管道接出，经减温减压后接入凝汽器喉部，其减温水水源为凝结水。为实现凝汽器温度保护，防止高温蒸汽对凝汽器进行直接冲刷，设置了低旁快关保护。其控制策略为当低旁A/B出口温度>150℃，低旁快关。在某次在升温升压阶段，高/中/低压旁路开度分别为70%、100%、100%，低旁减温水调节阀开度100%，凝结水压力1.6MPa。在随着煤量的继续投用，锅炉蒸发量进一步上升，在大量蒸汽涌至低旁，低旁减温水已跟不上需求，导致低旁出口温度高，低旁快关。由于此时煤量已经大于80t/h，两侧低旁全关且中压缸未进汽，锅炉MFT。针对此问题需控制好以下几个方面：升温升压时燃料投用量应所需与蒸发量对应，同时需把握好时机，可在低速暖机快结束时加快燃料投用量，利用后期升速并网消耗所产出蒸汽从而减轻旁路负担；在热态启动中凝泵调节可采取自动控压模式，保证低旁减温水水源压力稳定。并且要关注凝结水用户的投运比如低压缸排汽减温水、立管减温水等，防止突然投用导致凝结水压力下降[6]。

2 结语

总之，在热态启动过程中最重要的是选择合适的启动参数，同时做好机、炉、电之前配合尽量减少不必要的停留，保证各操作节点流畅性。作为世界首批百万二次再热机组，泰州公司完成了二次再热机组在启动方式及参数控制上的优化以及运行操控的标准化管理。后续，在前期工作的基础上，还要结合机组运行实际，进行完善和改进，争取达到更高的运行操控和管理水平，为今后同类型的机组提供运行调整上的经验。