优化M701F 燃气轮机联合循环机组启动过程的探讨

优化Ｍ７０１Ｆ燃气轮机联合循环机组启动过程的探讨

张蕴峰，林炎城，陈正建，范新宇，徐　刚

（深圳能源集团股份有限公司东部电厂，广东　深圳　５１８１２０）

摘要：分析Ｍ７０１Ｆ燃气轮机联合循环机组启动过程中的各环节，并对某些环节提出优化的措施，以减少启动过程中热通道部件寿命损失，并且提高机组启动过程的经济性。着重对清吹过程，提出根据不同情况采用不同清吹方式缩短清吹时间的建议；对暖机期间建议优化主蒸汽管道疏水阀控制逻辑，加快汽轮机满足进汽条件的速度，从而缩短燃气轮机单循环运行时间，提高经济性；针对周末停机的温态启动汽轮机进汽温度与缸温相差较大，提出了提高“热温态”暖机负荷和升负荷速率，减少启动时间，提高经济性和减少氮氧化物排放。关键词：燃气轮机；联合循环机组；启动优化；清吹时间；汽轮机进汽；温态启动；热温态启动

0 前言

国内F级燃气轮机发电机组从第1批打捆招标投入生产运行至今已有7年多的时间，目前这些燃气轮机在电力系统中基本担任调峰任务，昼启夜停，每台机组全年启动次数平均基本都在200次左右（深圳某燃气轮机电厂2010年226次、2011年182次）；每台机组全年平均供电量12亿kWh左右。由此可见这些燃气轮机在电力系统中所起的作用举足轻重，机组安全、快速、经济启动非常重要。鉴于此,认真分析机组启动过程数据，从中发现了一些问题，并对优化M701F燃气轮机启动过程进行了深入探索，与同行共探讨。

问题，余热锅炉保温保压能力也会有所下降。

（2）燃气轮机启动清吹与燃气轮机高速盘车冷却程序操作要求相矛盾

首先对比燃气轮机启动清吹（机组点火挂闸前的状态）与燃气轮机高速盘车冷却基础逻辑条件，压气机进口可转导叶开度、旁路阀门开度、转速（700 r/min）完全一致。按机组的程序操作说明书，当机组最大轮间盘温度（DCT）≥220 ℃时，高速盘车冷却时间控制在180 s以内；当机组最大轮间盘温度低于220 ℃、高于或等于150 ℃时，高速盘车冷却控制时间在300 s以内；机组最大轮间盘温度＜150 ℃时允许连续高速盘车。

而在日常启动时机组的最大轮间盘温度（DCT），热态基本都在200 ℃~ 230 ℃范围内，温态在175 ℃~ 200 ℃范围内，温度范围变化是由于环境温度随季节变化造成的。目前燃气轮机启动点火前清吹时间逻辑要求550 s，所以这与最大轮间盘温度的高速盘车冷却时间要求存在矛盾。

（3）燃气供应系统在防爆、防泄漏上有一个非常好的设置：在燃气关断阀与后面的两道调节阀（压力、流量调节阀）之间设计了一个放散阀。机组在打闸的瞬间，燃气关断阀和两道燃气调节阀关闭的同时放散阀会立即开启并与大气连通，这种状态会一直保持到机组点火之前。１．１　原有的安全策略

1 优化机组启动过程的清吹时间

机组启动过程的清吹主要目的是防止燃气轮机点火瞬间发生燃气爆燃[1]，保护发电设备和人员的人身安全。三菱M701F机组启动清吹是在机组转速维持700 r/min情况下运行550 s，近10 min的时间。通过运行实际观察，发现550 s的清吹时间偏长，存在以下问题：

（1）燃气轮机在电网中主要承担系统调峰任务、长期处于两班制运行，过长启动清吹时间会加剧产生如金属疲劳、热部件的局部烧蚀等设备安全上的

第3/4期张蕴峰 等：优化M701F燃气轮机联合循环机组启动过程的探讨· 59 ·

机组停机之后为防止燃气爆燃的清吹，可以分为3个阶段：

第1阶段是机组停机打闸之后转子的惰走阶段。机组打闸之后转速从3 000 r/min到1 590 r/min期间大约49 s时间有气体流量数据记录，至少100万m3的空气进入热通道从锅炉的烟囱排出。转速降到1 590 r/min以下肯定有气体流量，但可能由于压力较低，测量表计的精度较低，没有显示出来。

第2阶段是机组打闸后杂用空气的引入，主要是防止机组停机之后透平缸温差大变形的辅助措施，但对防止启动爆燃是有益的，可以起到稀释可燃气体的作用。根据杂用空气压力0.6 MPa，管道的工称直径及4 h的清吹时间，约有1 440 m3的气体吹入。

第3阶段就是机组启动中700 r/min的清吹过程以及启动前随余热锅炉烟气挡板的开启形成的烟道抽吸过程。

１．２　缩短机组启动清吹时间的好处

主要体现在以下几个方面：

一是减缓对燃气轮机透平叶片骤然冷却程度。启动前机组在热态情况下，燃气轮机轮间盘温度DCT）225 ℃、燃气轮机叶片通道温度(BPT) 295 ℃、燃气轮机排气温度（EXT）265 ℃，300 s清吹后DCT 175 ℃、BPT 127 ℃、EXT 170 ℃，550 s清吹后DCT 173 ℃、BPT 115 ℃、EXT 151 ℃。

二是保持余热锅炉参数，努力减缓温度变化引起的余热炉蒸汽金属管道产生疲劳应力。机组在清吹过程中，随着燃气轮机排气温度迅速下降，余热锅炉的蒸汽管壁温度下降明显。余热锅炉在启动前、清吹300 s后、清吹550 s后热通道金属管壁温度变化情况：再热器2入口温度 279 ℃↘ 210 ℃↘ 173 ℃；再热器2出口温度 280 ℃↘ 247 ℃↘210 ℃；高压过热器2出口温度 282 ℃↘ 263 ℃↘244 ℃；再热器1号再热出口温度 282 ℃↘279 ℃↘269 ℃。

三是对降低厂用电率有好处，节能降耗。机组启动变频装置SFC的额定功率是6 600 kVA，辅机设备中最大负荷循环水泵额定功率2 200 kW。１．３　缩短机组清吹时间建议及措施

缩短机组清吹时间有好处，但安全与否是关键。经调研目前国内某9F燃气轮机电厂机组启动清吹时间由原来的550 s减至120 s，现已安全运行几年。深圳某燃气轮机电厂9E机组清吹策略是：正常清吹

120 s，如果首次点火失败清吹时间自动变更为360 s。

机组启动清吹的目的是防止可燃气体发生爆燃，保护机组设备及人员安全。如果使用仪器能真实地检测可燃气体的含量，可帮助运行操作人员在启动前明确启动操作的安全裕度，采取相应的应对措施。

建议清吹时间缩短至180 s，并安装可燃气体检测仪器在关断阀后管道处或余热锅炉顶部天然气容易聚集处。如果检测可燃气体含量在安全范围内，清吹时间为缩短后的180 s；如果可燃气体含量超出了安全范围，清吹时间为550 s；机组如果第一次点火失败后的启动，清吹时间恢复为550 s。１．４　小结

通过分析机组清吹时间的意义，目的是使机组安全顺利的启动。在保障安全的前提下，缩短机组清吹时间，不仅可以减缓设备金属的疲劳损伤，还可以提高余热锅炉保温保压的能力并提高电厂的经济性。

2 优化汽轮机进汽管道疏水阀控制逻辑

汽轮机进汽管道疏水阀设计布置在主汽阀前，控制逻辑是根据阀前管道蒸汽计算出来的过热度而自动开启或关闭，从而防止管道积水，避免出现水击现象。在自动控制下，进汽管道的疏水阀只在燃气轮机点火时开启一段时间，排放一下管道积水和冷蒸汽，待蒸汽过热度大于零以上后就会自动关闭，之后在正常启动过程中就不会再自动开启。可是在日常启动的操作中，操作人员经常在汽轮机进汽前就手动开启高、中压蒸汽管道的疏水阀，目的是为了提高进汽管道蒸汽的升温率，缩短汽轮机进汽的等待时间，减少气耗。

从日常统计的数据来看，如果启动过程中完全不加手动干预机侧疏水阀，一般汽轮机进汽等待时间（从燃机并网到汽轮机进汽）冬季需要约24 min，夏季需要约20 min；选择在恰当时间人力开启机侧疏水阀，进汽等待时间冬季最快只需要17 min左右，夏季只需要14 min左右，效果明显。

由于这是操作人员的手动操作，人有不同的操作习惯，从统计数据来看效果也就不尽相同，有的缩短时间明显 ，有的则看不出成效。通过查看启动过程的温度变化曲线和结合实际操作得出的数据，待锅炉侧蒸汽温度升温并超过机侧蒸汽温度时再手

（· 60 ·燃气轮机发电技术第14卷

动开启高、中压蒸汽管道疏水阀的效果最明显；这个节点在热态启动大概是机组带负荷90 MW左右时，而温态启动则是燃气轮机点火后5 min左右。２．１　优化汽轮机进汽管道疏水阀控制逻辑的建议

在阀门的控制逻辑中建议增加高、中压蒸汽管道疏水阀自动开启的逻辑条件：①点火成功后；②锅炉侧高压蒸汽或再热过热蒸汽温度，大于汽轮机主汽阀前高压或中压主蒸汽温度时。２．２　小结

增加这一条疏水阀自动开启的逻辑条件，可以在启动过程最恰当的时间自动开启疏水阀进行疏水暧管，避免了手动操作的滞后性和盲目性，最大限度缩短汽轮机进汽等待的时间。从数据反映来看，选择恰当的时间开启疏水阀相比完全自动控制的情况，热态启动平均可以节省5~6 min，温态启动平均节省时间1~2 min，全年来看具有良好的经济效益。

3 优化机组温态启动过程

目前对机组启动状态的普遍定义是根据机组汽轮机高压缸入口的金属温度的高低程度，区分为热态、温态、冷态。机组温态定义为汽轮机高压缸入口温度介于400 ℃~230 ℃之间。由于燃气轮机电厂在系统中两班制的运行方式，同时机组周末大部分为停运状态（1天或2天），在周一启动时机组缸温基本处于390 ℃~350 ℃的范围。这一范围处于机组温态的上限区域，机组启动时间依目前的逻辑过程时间会较长。根据缸温实际情况，采取优化机组启动的逻辑条件，使得机组启动过程真实反映机组状态，在满足启动逻辑前提下可以加快启动速度，进而多发电，节能降耗。

联合循环机组启动过程主要分三部分，首先燃气轮机启动，即从升速到并网带暖机负荷，在稳定的暖机负荷等待蒸汽参数满足汽轮机进汽条件，最后是汽轮机启动，汽轮机进汽后缓慢增大主蒸汽调节阀开度直至全开进入滑压运行，机组启动完成。对比不同状态下机组完成汽轮机的启动（机组带负荷200 MW）的耗时情况：冷态（暖机负荷52 MW）110 min左右，温态（暖机负荷78 MW）80 min左右，热态（暖机负荷120 MW）40 min左右。当然决定上述时间的差异主要在于机组汽轮机进汽后的升负荷的速率：冷态1.5

MW/min、温态2.5 MW/min、热态4 MW/min。３．１　增设“热温态”启动状态

考虑机组周启停情况，机组缸温接近热态、温态分界点（400 ℃），这时的温态和热态的缸温相差很小，但是按照机组热态和温态区分，暖机负荷和升负荷率相差较大，综合考虑温度匹配和热应力、经济性，可以细分启动状态，即可以在热态和温态中间增设一个启动状态：缸温400 ℃以上为热态，400 ℃~350 ℃为热温态，350 ℃~230 ℃为温态。这样细分启动状态，提高热温态的暖机负荷和汽轮机进汽后的升负荷率，缩短汽轮机进汽前的暖机等待时间和汽轮机进汽后的升负荷时间，提高启动的经济性。３．２　热温态启动对汽轮机安全性验证

按照目前的温态暖机负荷78 MW，升负荷率2.5 MW/min，实际的温态启动过程中，汽轮机转子热应力[2]通过高压缸金属温度的升温率计算[3]，最大的热应力约为-200 N/mm2，假如热温态按照暖机负荷100 MW，升负荷率3 MW/min设计，由于汽轮机升负荷速率的提高虽然高压缸金属温度的升温率略有提高，但是机组汽轮机高中压缸为双层缸结构，内缸具有较强的承温能力。根据机组运行过程中的温度参数和机组的惯性，通过估算汽轮机转子的最大热应力应该在-200 N/mm2，转子承受的压应力略有增加，但是增幅不大，且离报警值-290 N/mm2还有一定的安全裕度。由于提高了汽轮机的进汽速率，静止部件的膨胀较快，而转子部件膨胀较慢，汽轮机高中压缸胀差[4]较正常温态启动会偏小，按照设计高中压缸胀差的低报警设计值-5.0 mm是在短转子工况下，即转子部件的温度为满负荷工作温度的75%，静止部件为满负荷工况的温度。按极端情况估计在热温态下，转子表面温度也不会低于满负荷工作的75%（约370 ℃），不会达到报警，所以汽轮机的动静部分间隙是处在安全区域的。３．３　余热锅炉的温度变化情况分析

在燃气轮机启动期间，机组并网后的升负荷率是一定的，燃气轮机排气温升速率也基本上稳定在20 ℃/min左右，对不同的启动状态，热态时燃气轮机排气温度变化从并网后的300 ℃升至120 MW后的460 ℃，该过程耗时约8 min，温升率为20 ℃/min；温态启动时燃气轮机排气温度变化从并网后的290 ℃升至78 MW后的430 ℃，该过程耗时约6

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min,温升率为23 ℃/min；假如按照热温态工况考虑，燃气轮机排气温度变化从并网后的290 ℃升至100 MW后的450 ℃，该过程耗时约7 min,温升率为23 ℃/min。对于同样的高压缸金属温度对应的余热锅炉状态，热温态时的燃气轮机排气温度变化率没有变大。而对启动过程中的汽轮机启动过程用同样方法分析得到，细分的热温态汽轮机启动过程中的锅炉温升率和典型温态启动时基本相同。所以对于锅炉来说，热温态带来的温升变化对余热锅炉安全和寿命都没有影响。

３．４　燃气轮机的温度变化情况分析

联合循环机组启动过程中，燃气轮机首先启动完成，汽轮机开始进汽直到主蒸汽调节阀全部开启后，汽轮机启动完成，整套机组也就启动完成。当细分温态启动后，热温态启动过程中，燃气轮机的暖机负荷较细分前的典型温态时提高了，但是在燃气轮机启动过程中的升负荷率是一定的，燃气初温温升率不会有太大区别。所以燃气初温温升率带来的各部件的热应力对部件的影响是可以忽略不计。在汽轮机启动过中，虽然此时热温态的机组升负荷率变大了，但是由于暖机负荷也相应的提高，所以燃气轮机初温的上升幅度也变小，整体来说燃气初温较典型温态是基本保持不变。对于燃气轮机来说热温态带来的温升变化对锅炉安全和寿命都没有影响。

经过简单的安全性分析，设计的热温态（高压缸金属温度350 ℃~400 ℃）暖机负荷100 MW，汽轮机启动期间升负荷率3 MW/min的启动工况对机组整体来说没有带来任何风险。对电厂周末停机的机组来说，不仅提高了经济性，而且减少的启动过程中的氮氧化物的排放。将设计的热温态启动工况反映给了机组制造厂家，经过厂家的确认认为可行，目前电厂已经完成项目立项，开始进行实施阶段，并计划向其他采用同样运行方式的同型机组推广该技术。３．５　经济性估算

首先提高暖机负荷可以提高锅炉侧的蒸汽品质，缩短进汽时间，减少暖机时段的燃气轮机单循环运行时间，提高经济性，其次也增加了启动过程中的汽轮机启动速度，减少了启动时间，提高经济性和减少排放。按照估算热温态启动时间比以前温态启动时间缩短近20 min，同时也间接地提高了负荷率，启动过程在总的运行时间中的占比例变少，利于提

高机组的负荷率。通过初步估算热温态启动每台次可以少耗天然气量近10 t，经过启动过程发电量对比平衡后经济性大概每台次2万元左右。 ３．６　小结

过往机组启动过程中，根据汽轮机高压缸金属温度的高低情况，机组自动将启动状态区分为冷态、温态、热态。随着对机组启动工况认识的深入，发现机组对这种状态的区分描述太宽泛、笼统，有时甚至对机组启动产生不利影响。通过逻辑条件的修改增设“热温态”，使得机组启动过程更加契合实际缸温情况[5]，细化了机组启动过程。修订后不仅对汽轮机本身没有影响，对燃气轮机和锅炉等也都没有影响，同时提高机组周启停的经济性，缩短启动时间提高了负荷率，还能减少启动过程中氮氧化物的排放，带来环保效益。

4 结束语

随着国内燃气轮机发电市场的不断发展壮大，燃气轮机组在电网结构中的作用日趋明显。鉴于目前燃气轮机在电网中的调峰作用，积极研究燃气轮机的动态性能，如何更加契合电网的需求，如何提升自身设备安全快速的响应能力显得愈加重要。针对目前M701F燃气轮机的实际运行状况以及发生的客观问题，提出了优化机组启动过程的方案，希望通过积极的尝试，能够对同类型的机组设备的安全、快捷启动起到帮助和借鉴作用。

参考文献：

[1] 郑体宽，杨晨. 热力发电厂 [M]. 北京：中国电力出版社，2008.[2] 杨晓飞. 汽轮机转子温度场的状态仿真及其故障诊断 [D]. 武汉：

武汉理工大学，2009.

[3] 张宝衡. 大容量火电机组寿命管理与调峰运行 [M]. 北京：水利

电力出版社，1987.

[4] 林汝谋，金红光. 燃气轮机发电动力装置及应用 [M] .北京：中

国电力出版社，2004.

[5] 王坤. 大型汽轮机转子寿命问题研究 [D]. 武汉：华中科技大学，

2004.

作者简介：张蕴峰　（１９６９－），男，河北人，上海交通大学　，工程硕士，运行主任工程师，主要从事燃气轮机电厂的运行管理工作。