利用供热管路优化提升机组启动速度的研究应用

摘要：联合循环热电联产机组热态启动过程中，存在主汽升温慢且容易超压的问题，影响机组调峰性能。本文通过供热管路优化，在机组启动阶段对外供热，加快主汽升温速度。通过压力控制优化，并增加供热流量限制和超压保护功能，确保热网流量和锅炉压力稳定。优化改造后，机组提早投入温度匹配，调峰性能提高，并减少了蒸汽工质浪费，取得了较好经济效益。

关键词：调峰运行;热态启动;供热管路优化

目前，随着社会经济的快速发展，电网用电结构发生明显变化，电网调峰调度要求日趋严峻。联合循环发电机组凭借启动速度快的优点，更加频繁地参与到电网调峰运行中，具有良好的社会效益和经济效益[1]。

但是，受天然气供应限制，联合循环发电机组一般采用“两班制”方式运行。机组经夜间停机冷却，余热锅炉汽水参数过低，无法满足机组热态启动时温度匹配要求。而蒸汽较长的升温过程，导致机组整体启动时间过长，调峰性能差。为提高联合循环热电联产机组调峰运行的响应能力，研究机组热态启动时快速提升蒸汽参数的方法，并对此进行优化存在必要性。

1 存在问题

采用“两班制”方式运行的机组，在热态启动前，汽轮机壁温往往较高。为避免高温汽轮机受冷后产生过大的热应力，在机组热态启动前，一般需控制高压主蒸汽温度高于高压内缸内壁金属温度50℃-100℃的正温差[2]。而本文研究机组经夜间6-9小时的停机冷却后，高压主汽温度与汽轮机高压缸内壁金属温度差最大会达到200℃，过大的温差无法满足汽轮机温度匹配要求。

机组启动阶段，受汽水物理动态特性影响，蒸汽参数提升需要耗费较长时间。在烟气与汽水热交换过程中，汽水温度和焓的变化速度明显低于压力和流量的变化速度[3]。所以，在达到温度匹配要求前，余热锅炉极易产生超压风险。

而研究机组缺少对蒸汽压力的调节手段。燃气轮机的最低排气温度限制、未配置旁路烟囱和较小的向空排汽管路等因素导致蒸汽压力无法良好控制。

为保证蒸汽的快速升温及控压要求，目前只能通过新蒸汽对空排汽，并减温减压至凝汽器的方式解决。这种升温控压方式，压力调节效果差，升温速度慢，而且会造成蒸汽工质的严重浪费。

2 方案选择

本文研究机组为联合循环热电联产发电机组，配置“一拖一、多轴”燃气-蒸汽联合循环发电机组。同时，机组对外实现高压、中压和低压三种不同方式供热。

根据机组配置、供热蒸汽参数和机组启动蒸汽参数的比对研究，制定了一套利用供热管路优化提升机组启动速度的方案。在机组热态启动过程中，当余热锅炉蒸汽参数达到低压供热要求时，就开始对外供热，以此加快蒸汽升温速度，缩短机组启动时间。同时，通过热网回收机组启动过程中蒸汽工质，提高机组运行经济性。

3 优化改造

为较好利用供热管路实现蒸汽快速升温的目的，本文通过以下2点进行了优化控制：

1、利用供热管路提升蒸汽升温速度;

2、蒸汽升压速度和供热流量的合理控制。

3.1 利用供熱管路提升蒸汽升温速度

为实现机组启动阶段对外进行低压供热要求，对厂内供热管网结构进行优化。在高压供热管路与供压供热管路之间增装一套高压转低压系统，见图3.1。在机组启动阶段，锅炉产生的新蒸汽只要满足低压供热蒸汽参数要求，即通过高压供热管路，经高压转低压系统，对外实现低压供热。

相较于以往的疏水升温方式，优化后的高压主汽利用供热管网加快对外流速，从300℃升温至500℃，时间由24.8分钟缩短至12.8分钟，效果明显，见图3.2。随后，汽轮机可尽快实现温度匹配要求，加快机组的并网发电速度。

3.2 蒸汽升压速度和供热流量的合理控制

在机组启动阶段，为避免蒸汽快速升压导致余热锅炉超压，需要对余热锅炉的背压进行有效控制。虽然，优化后可以利用供热管路实现蒸汽的泄压，控制蒸汽压力。但是，仍需兼顾热网压力和流量的要求，避免供热流量突变的问题发生。

所以，结合高压转低压系统，设计了一套“两级调压”控制逻辑，既可实现余热锅炉的背压控制要求，又保证供热压力稳定。所谓“两级调压”控制逻辑，就是利用高压主汽供热管道调压阀控制阀后压力，间接控制锅炉背压。同时，利用新增的高压至低压供热压力调节阀控制进入供热管路的压力，实现供热压力的稳定控制。

同时，增加低压供热限流量控制保护逻辑，保证供热稳定和机组运行安全[4]。利用高压主汽供热管道调压阀参与低压供热限流量控制，通过手动设置流量限制值和阀后压力限制值，调节对象经PID运算和小值比较后，可计算得到高压主汽供热管道调压阀最大开度，实现最大供热流量保护，防止流量突变，逻辑见图3.3。

为了防止启动后期限流量后锅炉超压，增加余热锅炉超压保护逻辑。当锅炉高压汽包压力高于9.5MPa时，控制系统自动撤出限流量控制，增加了一种保护手段，保证系统安全性。

经过“两级调压”控制优化、低压供热限流量控制保护和锅炉超压保护，机组启动阶段的供热流量突变问题得到较好解决，热网稳定性得到提高，限流量控制优化前后效果见图3.4。

4 效果检查

通过供热管路改造及控制逻辑优化，机组热态启动过程中的蒸汽升温速度慢且容易超压的问题得到了较好解决，机组整体启动速度加快，电网调峰能力得到提升。

期间，热网较好地接收了以往浪费的汽水工质，经济效益明显。每次启动可实现对外低压供热约45吨左右。按低压供热价格200元/吨，除盐水价格10元/吨，损失系数1.05计算，每次启动增加供热收益达8527.5元。

5 结论

在联合循环热电联产机组热态启动过程中，通过供热管路优化控制，取得较好的成果，总结如下：

1、机组启动过程中，余热锅炉内高温烟气与汽水热交换剧烈。由于汽水热交换的物理动态特性差异较大，导致升压较快，升温较慢。如控制不当，存在余热锅炉主汽超压风险。

2、国产联合循环热电联产机组存在设计缺陷。在机组热态启动过程中，可利用供热管网特点，将高压主汽转成低压供热蒸汽，加快蒸汽升温速度，并可防止超压。

3、优化余热锅炉升压控制，通过“两级调压”可保证供热管路压力稳定，并间接实现余热锅炉背压控制。利用限流控制保护，保障热网流量稳定。

4、通过余热锅炉供热管路优化改造，使主汽升温时间缩短约12分钟，提高机组启动速度。并通过热网回收蒸汽工质，每次启动可创造收益8527.5元，经济效益明显。

参考文献

[1] 田甜.燃气电站在电网调峰中的技术经济性研究[D].华北电力大学，2015：5.

作者简介：胡军，工程师，从事电厂热控专业管理工作，浙江浙能镇海发电有限责任公司，

浙江浙能镇海发电有限责任公司，宁波 315200