燃气—蒸汽联合循环机组的汽轮机启动过程优化要求

燃气—蒸汽联合循环机组的汽轮机启动过程优化要求

钟鑫亮

南方电网调峰调频发电有限公司工程建设管理分公司广东广州510630

摘要：文章以有限元计算为基础，采用DCS动态组的方式，实现对机组的监视、在线应力计算等，并且对整个机组的启动过程进行优化，保证机组良好的经济效益。

关键词：联合循环；汽轮机；优化

燃气—蒸汽联合循环发电机组可在应用过程中主要由燃气轮发电机组、余热锅炉、汽轮发电机组三部分构成，在实际应用中，整个机组启动较慢，通常需要3-4h才能正常工作，就会出现燃气轮机已经运行达到额定负荷，汽轮机还在暖机阶段，废气直接排出造成较大的能源损失。

一、燃气-蒸汽联合循环概述

1.燃气-蒸汽联合循环简介

燃气-蒸汽联合循环机组在运行过程中是将燃气作为高温工质，蒸汽作为低温工质，由燃气轮机排气作为蒸汽轮机装置循环加热源实现联合加热。燃气-蒸汽联合循环机组属于第二代增压流化床联合循环（2G－PFBC－CC）也被称为补燃增压流化床燃气－蒸汽联合循环，其工作本质是增压流化床联合循环（PFBC－CC）基础上增加一套炭化炉、煤气除尘装置及燃气轮机补燃燃烧室。煤在炭化炉中分解，就会产生低热值煤气以及焦炭，焦炭被送到增压流化床中燃烧，产生蒸汽，驱动汽轮机发电。煤气送入燃气轮机燃烧室补燃，将增压流化床送来的烟气加热至1000℃以上，送入透平做功。这种方案集中了IGCC和PFBC－CC的优点，能使循环的总功率和热效率都得到提高。

2.燃气-蒸汽联合循环研究内容

燃气-蒸汽联合循环研究内容主要包括：第一，增压循环流化床气化技术的研究；第二，补燃燃烧室系统的研究；第三，高温烟气对燃气轮机叶片磨蚀研究。

3.燃气-蒸汽联合循环基本形式及特点

燃气—蒸汽联合循环可以分为三种基本形式：（1）余热锅炉型（2）平行双工质型（3）增压锅炉型。平行双工质型、增压锅炉型两种形式由于自身条件的限制，严重影响了其发展。余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环系统的构成和部件特点，余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环在运行过程中主要是以燃气轮机的高温排气作为锅炉运行的热源，由于锅炉自身不消耗燃料，通过对燃气轮机排气余热的利用进行工作，因此被称为余热锅炉，所以整个机组也被称为余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环系统。

二、控制系统与计算机模型

1.控制系统

在研究过程中，文章主要以某机组为例进行分析，该机组包括：9E燃机机组、300MW燃气—蒸汽联合循环机组，一共2台燃气机组，2台立式非补燃单压强制循环炉，与其相对应的100MW汽轮发电机组为单缸、多级、冲动、纯凝式轴向排汽机组，其额定功率103MW、主蒸汽压力6.6MPa，主蒸汽温度为503℃。经过改造优化以后，燃气轮机的控制系统选择使用MARKVIE，汽轮机控制系统选择采用DCS控制系统，余热锅炉以及电站的控制系统采用DCS系统，改造优化以后，整个机组可以实现对整套机组的全面控制，还可以进行简单循环或者联合循环等多种运行方式，能够实现对负荷的自动控制。

2.有限元模型及算法

在整个机组中，转子属于轴对称配件，根据其实际规格的大小，就可以达到二维有限元模型，然后采用离心力等效方式就可以获得离心力圆环，将单元网格设定为plane55网格自动化划分，然后在应力汇集处等一些关键地方对其进行机密细化处理，应力场计算过程中单元属性就会转变为plane182单元，从而获取转子的有限元模型。如下图：

在获得二维转子有限元模型以后，采用热-结构耦合的计算方式，根据模型代入各级参数，对温度场进行计算，及时完成热分析，再转化单元属性，进入结构计算，每分钟为1个载荷步，通过ansys稀疏矩阵求解器进行计算，就可以得出相应的结果。

3.转子热边界条件分析

假设热转子边界条件为：

（1）转子左右断面是整段转子在汽缸外的截断面，热流密度小，所以在有限元计算中做绝热处理。

（2）转子无中心孔，中心边界做绝热处理。

（3）与蒸汽接触的转子外表面作为第三类边界条件，已知换热系数与介质温度。

（4）转子左右轴承处由于润滑油的冷却作用，在有限元计算中设为70℃，按第一类边界条件处理。

在整个机组在启动过程中蒸汽参数和换热系数都会受到时间和位置的变化而变化。

三、机组启动优化分析

1.机组暖机时间的优化

在优化过程在中，应该以设备安全为基础，以节能技术为核心，及时对汽轮机温态启动和冷态启动时间长短进行优化。第一，可以减少负荷前的暖机时长，如下图

在图1中，如果汽缸壁温度为250~350℃，此时采用次热态启动，在设备冲转过程中，转速达到2200r/min，此时暖机5min。设备转速从0到3000r/min总共需要10min，汽机带负荷过程中燃机负荷保持50MW。如果汽缸壁温度为193~250℃，此时应该选择采用温热态启动，在设备冲转过程中，所采用的方式和原温度启动的方式相同，升速率控和次热态的升速率的相同，汽机带负荷过程中燃机负荷保持50MW。如果，汽缸壁温低于193℃，此时应该采用冷态启动方式，在设备冲转过程中，暖机分段和启动方式完全相同，并且设备的升速率稳定不变，设备转速从0到600r/min和暖机时长总共为10min，从600r/min到1200r/min和暖机时长总共为23min，然后安全原来计划将设备转速提高到3000r/min，冲转升速总时长为58min左右。第二，提升低负荷的暖机时间，同时，还要不断增强对负荷率的控制，升负荷速率=升负荷速率初始定值×安全裕度系数，如果安全裕度系数小于0.1，应该保证调门开度维持不变；主蒸汽母管压力受旁路阀控制。

2.机组控制逻辑的优化

第一，旁路控制，汽轮机事件触发控制状况下进行并网，旁路的设定值为4MPa，变成主蒸汽母管压力以后需要增加0.2MPa，旁路逐渐抽掉压力控制，直至到旁路关闭。第二，应该及时对调门开关速率进行限制，可以通过增加应力裕度系数提升应力限制，保证工作人员可以及时掌握转子的运行状况，如果安全裕度系数K≤0时，就表明应力满足实际需要。

3.优化后应力裕度系数变化分析

冷态启动应该及时对在线应力进行监测图2所示，及时掌握其结果。带负荷为10%时，应力裕度系数整体呈现下降趋势，此时应该采用带负荷暖机，暖机工作完成以后，逐渐转变为滑压运行；在带负荷到达25%时，应力裕度系数出现最小值，约等于0，此时应该及时停止加负荷暖机，一直到应力裕度系数大于0.2。缸温超过300℃时，整个机组可以的转子可以直接升速到3000r/min，应力裕度系数保持在0.9左右。施行并网后，低负荷阶段应该及时对升负荷率和升温率进行控制，据曲线图显示，应力上升时刻就是机组带负荷10%以后，这个时候应力水平大幅提升，裕度系数最低值为0.1左右。施行并网以后，调节级温度也呈现快速上升，负荷达到25%，暖机可以让应力裕度系数稳步上升。

四、总结

综上所述，在电站发展过程中，及时对燃气—蒸汽联合循环机组的汽轮机启动进行优化，能够有效节约整个机组的启动时间，避免造成资源浪费，同时，还可以为电站带来良好的经济效益促进医院的持续发展。

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