GUD 1S.V94.3A燃气—蒸汽联合循环发电机组启动过程研究及优化(三)

2.2.1 汽轮机暖机时间计算
2.2.1.1冷态启动汽轮机暖机时间的计算
 如果汽轮机TSC的中压轴计算温度Ti＜100℃，汽机的初始工况视为冷态，汽轮机启动过程中将激活一个计算720min暖机时间的控制器。计算720min暖机时间结束，方可允许冲转汽机至额定转速。
 当以下五个条件同时满足时，暖机时间720min以反向积分形式递减。任一条件不满足，则暖机时间720min重新开始计时。
 （1) 凝汽器真空②MAG10CP002/003两者之间较大值＞7KPa。
 (2) 中旁后压力MAN52CP011/012两者之间较大值＞1bar。
 (3) 中旁上游压力LBB55CP901＞1.5MPa，
 (4) 中旁阀位≥55%，
 (5) 计算的中压蒸汽的流量CJA00DP200≥53kg/s。
 此计算时间的反向积分有-1y、-2y两个速率。我们尽量让720min暖机时间以-2y的速度进行积分，同时尽量提高y值，以快速通过冷态启动720min暖机时间。
 当同时满足以下两个条件：
 （1） 汽机转速MYA01CS901＞10Hz；
 （2） 中压叶片上游压力MAB50CP001+0.1MPa大于凝汽器真空MAG10FP002的1.5倍。
 这时冷态启动暖机时间积分速率则由-1y变为-2y。
 其中y为凝汽器真空MAG10CP002/003两者之间较大值v的函数，其对应法则如下表所示：
 表1 冷态启动暖机时间积分速率函数对应法则
 v/kPa  y
 0  0
 6.9  0
 7  0.01
 10  1
 15  1.5
 20  1.7
 30  2
 100  2
2.2.1.2温态、热态启动的暖机
 当温态、热态启动时，汽轮机将进行一个暖机时间为t的中速暖机过程。
 当Ti＜150℃时，t=30min；
 当150≤Ti＜200时，t=0.6(200－Ti－δ)；其中δ为一变量，在30分钟内由0逐渐累加到55。可见此时t是一个随着中压轴温度的不断增加以及变量δ变化，本身在0到30min内不断减少的变量。当Ti≥200℃时，t=0，也就是说，热态启动时不需要中速暖机。
2.2.2 冷态启动暖机时间的优化
 GUD 1S.V94.3A燃气——蒸汽联合循环发电机组冷态启动的特点是用时长，尤其是其中燃机单循环、汽轮机暖机的过程长，在较理想的情况下，不考虑汽水品质差等问题，暖机大约需要4小时的时间，如果出现机组启动过程中汽水品质差、设备异常、运行人员参数调整不合理等情况，往往将用时6～7小时甚至更长。在冷态启动过程中，燃机单循环期间的负荷一般须控制在130MW以下，机组气耗达到0.35m3/kWh以上，经济运行指标与联合循环的工况下有相当大的差距。因此，缩短冷态启动用时，从整体上减少冷态启动过程对机组运行气耗的影响，对于机组运行经济水平的优化是具有重要意义的。从另一方面，冷态启动中长期处于燃机单循环、余热部分旁路运行的工况下，根据我们的运行经验，旁路运行稳定性不强是本型机组的危险点，曾多次出现旁路相关故障影响机组安全运行的事件，因此，缩短冷态启动用时，尽量减少旁路运行时间，对机组运行安全性也是有重要意义的。
2.2.2.1 尽快激活冷态启动计时
 冷态计时的激活，共需5个逻辑条件同时满足，涉及凝汽器真空和中压系统相关参数两个方面，如其中任何一个条件不满足，计时将不能激活，运行人员在启动过程中应密切监视以下逻辑条件的相关参数，及时调整，满足其要求。
 第一个方面，关于凝汽器真空的要求，对于冷态启动来说，汽机未加入运行，真空本身对于机组运行的经济性没有影响。因此，在保证有一定的能满足旁路运行之真空的基础上，应根据机组启动的要求，以对优化启动过程最为有利的目的调整真空。
 影响凝汽器真空的相关因素较多，例如机组负荷、循环水流量、循环水温度等均对真空有直接影响，但在启动过程中，应采取操作简单、效果直接的调整方法，为便于运行人员对真空进行调整，我厂专门对真空系统进行了技术改造，在真空泵入口母管上加装了手动真空调整门，运行人员根据需要直接将阀门开启一定开度即可将真空调整到“较差”的值，以利优化启动过程。
 
 图1 真空系统改造方案
 下文中将进一步阐述，在冷态启动中，为进一步优化，实际上，我厂一般会将真空调整到25kPa左右，因此满足此处的要求是不成问题的。
 关于第二个方面，值得一提的是，在机组冷态启动中，西门子公司多采用中压系统的相关参数参与自动控制，如，采用中压轴表面金属温度作为机组启动状态的判定依据，采用中压蒸汽、中压旁路的有关参数参与冷态启动计时的计算等，因此在启动过程中，因着重关注中压系统有关参数。此处要求中压旁路前、后压力达到一定值、中旁有一定开度、中压蒸汽有一定流量，也就是意味着要求具备一定参数的蒸汽进入凝汽器后，方能开始冷态启动计时。这几个参数的相关曲线见图2。
 
 图2 参与冷态启动计时激活的中压系统参数
 综合以上分析，要尽早激活冷态启动计时，达到有效暖机的目的，启动后应密切监视相关蒸汽参数情况，适度调整燃机负荷，使蒸汽参数在要求范围内，从图中可以看出一般来说最后满足的条件为中压蒸汽流量，应重点关注；同时开启真空调整门，合理调节真空。
2.2.2.2 尽量缩短冷态启动计时
    尽早激活冷态启动计时是不够的，因为该计时是720min以反向积分形式递减。我们显然应尽量让720分钟保护以-2y的速度进行积分，同时尽量提高y值，以达到快速通过计时，完成暖机。
 积分速率则由-1y变为-2y的条件有两条：
 （1） 汽机转速MYA01CS901＞10Hz；
 从汽轮机启动过程可知，只有释放蒸汽品质按钮，汽机转速才能上升至14.5Hz，进行中速暖机，此时方可满足转速＞10Hz的条件。因此应充分利用西门子给定的蒸汽品质允许范围，在蒸汽品质许可的前提下，尽早释放蒸汽品质。
 （2） 中压叶片上游压力（MAB50CP001）+1bar＞凝汽器真空（MAG10FP002）×1.5
 在冷态启动中，中压叶片上游压力基本上始终为0，也就是在此情况下凝汽器真空需要小于1×105Pa/1.5=66666.67Pa=66.67kPa，下文中将阐述，冷态启动过程中凝汽器真空一般调节为25kPa左右，因此该条件是完全可以满足的。
 
 图3 冷态启动中中压叶片上游压力与真空之间的关系
 以上两个条件满足，可保证积分速率切换为-2y，显然要使冷态启动计时最短，还需y最大，y的计算对应法则已在表1中给出，根据表1可见，当v≥30kPa时，y可取最大值2，冷态启动计时最短，为180min。但是，此时机组低真空保护跳闸的设定点即为30kPa，因此，真空绝不可过于接近甚至达到30kPa，否则将会引起低真空保护动作，机组跳闸。根据我们的运行经验，通过调节真空调整门，将真空调整为25kPa左右较为恰当。既不会因为机组运行工况的瞬时波动导致真空接近30kPa，又能够较明显地缩短冷态启动计时至大约200min。
 可见，针对缩短冷态启动计时进行的优化效果是显著的，如果不对真空加以人为调整，其数值一般为7～9kPa，相对应的y值很小，冷态启动计时可能长达400～500min。若反向积分速率切换到-2y过迟，也将影响启动时间。也就是说，仅冷态启动计时的缩短，就可以节约200min以上的启动时间，相对同样的天然气消耗量，至少可以多发23万kWh的电量。
2.2.3 汽水品质问题
 GUD 1S.V94.3A机组要求正常运行中蒸汽电导在0.2μS/cm以下，一般来说，机组启动初期，尤其是冷态启动初期，汽水品质较差，难以达到0.2μS/cm的标准，但从上文可以看出，如不能释放蒸汽品质，进入中速暖机，冷态启动计时的积分速率将无法由-1y变为-2y，大大延长暖机时间。对此，西门子通过下表，给出了汽水品质“分级”的概念。
 根据西门子公司的解释，只要满足此表的要求，对汽轮机的不利影响就能降至最低，因此应密切监视汽水品质，积极进行排污，保证汽水品质有稳定的好转趋势，就可以在汽水品质达到三级时，释放蒸汽品质按钮，冲转汽轮机，使转速达到14.5Hz，加快冷态启动计时。
 
 表2 汽水品质等级
参数 单位 一级 二级 三级 四级
（立即停机）
25℃时在采样点连续测量强酸性采样阳离子交换器下游的电导率 μS/cm ≥0.2<0.35 ≥0.35<0.5 ≥0.5<1.0 ≥1.0
钠（Na） μg/kg ≥5<10 ≥10<15 ≥15<20 ≥20
二氧化硅（SiO2） μg/kg ≥10<20 ≥20<40 ≥40<50 ≥50
铁总量（Fe） μg/kg ≥20<30 ≥30<40 ≥40<50 ≥50
在该等级下可连续运行的时间 h ≤100 ≤24 ≤4 02）
每年累计时 h/y ≤2000 ≤500 ≤80 02）
（1）为了提高机组运行效率，同时防止汽机寿命减少，在机组启动时，只要汽水品质达到好于三级的要求，同时显示出明显的下降趋势，就可以冲转汽轮机
（2）当汽水品质达到四级，意味着蒸汽质量严重受损，会迅速导致汽轮机叶片腐蚀或积垢，需尽快停运汽机
 
 值得一提的是，影响汽水品质的因素具有不易量化分析和控制的特点，除启动后加强排污外，在对锅炉上水前投入旁路除氧器运行，启动前投入锅炉蒸汽底部推动加热，对于改善汽水品质，尽早释放蒸汽品质按钮都是有益的。但是，如上述措施未达到理想效果，汽水品质在较长时间内仍不合格，那么只能推迟释放蒸汽品质按钮，持续排污至汽水品质达到要求为止，否则一旦不合格蒸汽进入汽轮机，将对叶片寿命带来损害，是得不偿失的。本文对启动优化的讨论，均建立在汽水品质合格的基础上。同时，我们必须严格执行表中西门子公司的要求，如汽水品质未达到三级，绝不允许冲转汽轮机，如在运行中汽水品质恶化，达到四级，则应果断停运汽机。
2.2.4 启动监视画面
 在以上对汽轮机暖机时间优化的讨论中，我们提到了对多个参数的调整与控制。但是，本机组的自动控制水平较高，例如中压旁路阀的控制就完全是自动的，如非紧急情况操作员不应手动干预。能够进行合理调整的因素主要就是燃机负荷，我们曾试图根据逻辑要求的蒸汽参数及设备状态，寻找出所对应的燃机负荷，给出确定的启动曲线来指导操作。但经过实践经验，发现燃机的显著特点之一就是运行工况受大气情况影响相当大，一旦大气环境发生变化，燃机运行特性就随之变化，导致蒸汽参数也发生变化。因此，找出确定的燃机负荷启动曲线来优化冷态启动这一思路是难以实现的。我们应密切监视相关的汽水系统参数，以此为根本依据，在合理范围内灵活调整燃机负荷，达到要求。
 由于所涉及到的参数显示位置较为分散，甚至有些参数是控制系统的计算值，并不在OM界面上显示，为监视、调整带来难度，我们对TXP控制系统的OM界面进行了修改优化，增加启动参数监视画面，将影响到启动的参数集中显示，对逻辑要求值给予提示，方便操作员的控制、调整，达到了很好的效果。
 
 图4 在OM界面中添加的启动监视画面

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