燃气—蒸汽联合循环机组冷态启动优化
范一凡，李明骏
（宜昌市夷陵区中基热电有限公司，湖北省 宜昌市 443700）
Optimization of Cold Start for Gas-Steam Combined Cycle Units
Yifan Fan,Mingjun Li
(Yichang Yiling Zhongji Thermal Power Co., Ltd., Yichang 443700, Hubei Province)
ABSTRACT：Aiming at the problems of long time consumption, high fuel consumption and difficult parameter control existing in the cold start process of the 2×75MW Siemens 6F gas-steam combined cycle units of Yichang Yiling Zhongji Thermal Power Co., Ltd., an optimization study on cold start was carried out based on the backward deduction method combined with actual production conditions. By clarifying the cold start-up parameters of the steam turbine, deducing the economic load of the gas turbine, optimizing the auxiliary steam source and start-up process, a targeted cold start optimization scheme was formulated. Application results show that after optimization, the cold start time of the unit is shortened by 0.5h, 3312 Nm³ of natural gas and 487 kWh of on-site power consumption are saved per start-up, with a direct economic benefit of approximately 9600 RMB. Meanwhile, the safety and automatic adaptability of unit start-up are improved, which provides a reference for the cold start of similar units.
Key words：Siemens 6F units;cold start; backward deduction method；economic load；auxiliary steam modification；parameters coordinated control
摘要：针对宜昌市夷陵区中基热电有限公司 2×75MW 西门子 6F 燃气 - 蒸汽联合循环机组冷态启动过程中存在的耗时较长、燃料消耗偏高、参数控制难度大等问题，基于逆推法结合生产实际工况，开展冷态启动优化研究。通过明确汽轮机冷态冲车参数、推导燃气轮机经济负荷、优化辅助蒸汽汽源及启动流程等措施，形成了针对性的冷态启动优化方案。应用结果表明，优化后机组冷态启动耗时缩短 0.5h，每次启动节省天然气3312Nm³、厂用电量 487kWh，直接经济效益约9600元，同时提升了机组启动的安全性和自动化适配性，为同类型机组冷态启动提供了参考依据。
关键词：西门子6F机组；冷态启动；逆推法；经济负荷；辅助蒸汽改造；参数协同控制
0 引言
当前，随着城市化进程的快速发展，环境问题也日益突出，环境治理已经刻不容缓，这给天然气发电带来了前所未有的发展机遇。与燃煤发电相比，天然气属于一种清洁能源，燃烧不产生灰、渣、二氧化硫等有害物质，而且燃气—蒸汽联合循环机组的发电效率接近60%，相比燃煤机组约40%的热效率，能源利用率有了很大提高；同时，启停机灵活快速、负荷反应灵敏等特性使其具有更好的调峰能力[1]。为满足电网调峰要求，燃气电厂启停机较为频繁，因此，机组能否安全、顺利启动，关系到电网的稳定运行；而合理的启动方式能有效减少机组能源损耗、提高发电厂的经济效益[2] 。本文针对西门子6F燃气—蒸汽联合循环机组冷态启动过程中容易遇到的问题，采用反向推理的方式，对机组整个冷态启动过程进行分析，并提出优化启动方案。
1 机组概述
宜昌市夷陵区中基热电有限公司在夷陵区小溪塔工业园区内新建天然气热电联产项目，建设 2×75MW 燃气-蒸汽联合循环供热机组。燃气轮机发电机组和汽轮机 发电机组为“一拖一”配置，包括 2 台 SGT-800型燃气轮机、2 台余热锅炉、1 台抽凝式汽轮机、1 台背压式汽轮机。在机组启动阶段，燃机
初始负荷偏低易导致余热锅炉蒸汽参数达标滞后，进而延长汽机冲车时间，不仅影响机组启停效率、增加燃料消耗，还可能影响对片区内用热峰谷时段的供热响应速度。为破解这一关键问题，本文聚焦项目抽凝式机组特性，开展以提升燃机初始负荷与缩短汽机冲车时间为主的燃气-蒸汽联合循环机组冷态启动优化的专项研究。
2 启动前准备
启机前先将公用系统设备投备用：循环水系统、开闭式水系统、空压机系统等运行正常，联锁投入。
燃气轮机的闭式水、润滑油、罩壳风机系统运行正常，联锁投入；燃气轮机离线水洗完成，所有疏水门关闭。
锅炉的高压给水泵运行正常 ，联锁投入；汽包上水至启动水位，高、低压汽包液位均置于-150 mm。
汽轮机凝结水系统运行正常，凝结水泵联锁投入；旁路无报警，可正常投入。
电气系统具备启动条件，励磁系统正常投入，影响机组启动的报警全部复位，且保护压板投入。
无影响机组启动的检修工作及缺陷等
3.机组启动过程及注意事项
3.1 燃气轮机启动
确认燃机无启动闭锁报警，在燃机主画面执行燃机启动功能组。
启动顺控激活后检查盘车是否脱开，若未脱开应打闸停机，避免盘车装置损坏；转速达到 1500 rpm时关注是否开始点火及点火是否成功。
燃气轮机转速在 200 rpm时顶轴油泵应退出运行。
5050 rpm 时达自持转速，启动电机功率降至0，由燃料拖动燃气轮机继续升速；达到 6500 rpm应关注防喘阀是否关闭。
待启机结束后设定转速为 6616 rpm。
燃气轮机由点火至定速耗时约 6 min，在定速后应对辅助系统进行全面检查，并开始注意锅炉水位和升压速度。
3.2 余热锅炉控制
启动初期，将高压上水调门置于手动位，并各给定 5%开度，保持高压省煤器始终有过流，防止因汽包水位波动使上水调门关闭而导致高压省煤器干烧汽化或省煤器入口压力高导致安全门动作 。建议将高压给水泵出口（省煤器入口）压力编号做成曲线，关注其变化趋势。
冷态启动初期，汽包水位的控制非常关键，高压汽包尤为明显。为防止虚假水位带来的液位剧烈波动，通过上水调门和蒸发器排污进行液位控制。随着燃气轮机的启动并网，逐渐打开炉侧主蒸汽的疏水门进行暖炉、暖管；并将各汽包排氧门、汽侧的排气门打开，排除系统内的空气。
当汽包建立压力后，各排汽、疏水自动关闭，待有一定蒸发量、汽水开始循环后，将水位和高、中压给水泵投入自动。由于启动初期汽包和管道水质较差，需要将高压连排尽量开大，水质正常后关至5%以下；为防止启动过程中汽包壁温差过大，应在燃气轮机点火成功后启动低压省煤器再循环泵，提高进入低压汽包的水温。
3.3 汽轮机冲车
当燃气轮机定速6616rpm后设定初始负荷2MW，配合余热锅炉升温升压及汽机冲车并网。
当余热锅炉高压过热蒸汽温度大于400℃时，打开高压过热蒸汽喷水减温电动阀和调节阀，控制高压过热蒸汽在冲车范围内，投入汽机轴封、抽真空及旁路系统。旁路开始建立压力后，由炉侧到机侧依次打开疏水，初期应慢开疏水，防止主汽中空气大量进入凝汽器引起真空大幅降低。暖管完成后继续提升蒸汽参数，当蒸汽满足冲车要求后，做汽轮机冲车准备。
提升参数过程中根据循环水温度启动机力塔风机，冲车参数合格后，启动汽轮机EH油系统，检查汽机相关辅机系统运行正常，做冲车前准备 。
启动过程中，关注振动、轴承温度、胀差、轴位移、汽轮机辅助系统等参数 。 在定速 5025 rpm 后做汽轮机并网准备，确保主变中性点刀闸和发变组保护压板投入正确。
4.优化分析
本文通过逆推法，结合生产实际，分析得出优化的机组冷态启动燃气轮机负荷及辅助蒸汽改造方式。首先，根据汽轮机高压缸温确定汽轮机冷态启动的冲车参数，再由冲车参数确定进入余热锅炉的烟气温度，进而推算出相应的燃气轮机负荷 。具体过程如下：
从以上数据可拟合得到以下图表：
4.1 汽轮机冷态启动冲车参数确定
宜昌市夷陵区中基热电有限公司汽轮机冷态冲转参数的选择：
主蒸汽压力2.5MPa，温度350℃;
主蒸汽过热度＞80℃;
4.2 余热锅炉烟温确定
余热锅炉烟气温度应满足机组设定的冷态情况下的最高冲车参数，宜昌市夷陵区中基热电有限公司在实际启动过程中为避免高压过热蒸汽压力过快升高，控制燃机初始负荷为2MW，此时高压过热蒸汽温度为406℃左右。
4.3 燃气负荷确定
即可根据烟气温度计算出相应的燃气轮机负荷 。 以上已结合生产实际确定合适的烟气温度约为450℃。由于燃气轮机排气至余热锅炉的距离很短，可近似认为烟气温度即为燃气轮机排气温度 。 根据西门子厂家燃气轮机精燃烧调整后的负荷与排气温度曲线，可得出在特定负荷段燃气轮机与排气温度的关系，如图1所示。
图1 燃机排气温度与燃机负荷趋势图
当燃气轮机定速6616r/min 后，排气温度约为406℃。由图1可知，燃气轮机由并网至15MW负荷过程中排气温度跟负荷呈线性关系，根据其线性关系可得出关系式：
t=10.7f+386， （1）
式中t—燃气轮机排气温度，℃；
f—燃气轮机负荷，MW；
式中10.7为斜率，386 为燃气轮机并网前温度，单位为℃。
利用式（1），结合冷态启动需要的排气温度450 ℃ , 得出冲车的经济负荷f为 6 MW，并与实际启动过程进行对照，满足生产中冷态冲车参数 。这样即避免了启动过程中盲目升负荷带来的燃料浪费以及冲车参数控制不合理导致机组寿命缩短问题。同时，根据式（1），可推算出机组在滑参数停机过程中燃气轮机的降负荷速率，从而更安全地控制汽温的下降速率，保证设备的材料安全。
4.4 汽轮机启动过程分析
汽轮机的启动大致分为3个阶段：启动、升速暖机、并网升负荷。
4.4.1 启动阶段
经计算，汽轮机冲车时的燃气轮机经济负荷为6MW，而燃气轮机具有启动快速灵活的特点，由启动至定速6616r/min约为6min，并网后直接带2MW初负荷，且负荷升降响应快。但是，汽轮机在启动前需要较长时间进行暖管、暖阀。因此，在进行暖阀至冲车前的这段时间，应尽量保持主汽温度始终缓慢上升同步完成汽水品质化验完成，故不宜将燃气轮机负荷直接升至6MW进行冲车参数提升，而应采取等微增率的方法，使燃气轮机负荷由2MW升至4MW的时间等于暖阀时间，一般为30min 左右。这样既节省了燃料，又可避免设备的疲劳应力，有利于延长机组寿命。
4.4.2 升速暖机阶段
在升速暖机过程中，需将燃气轮机负荷由4MW升至6MW。进一步提升蒸汽参数，以便汽轮机升速过程中保持一定的升速率，防止升速率低冲车失败；且不能升负荷过早，若在开始暖机时即升负荷，则会影响启机过程中的经济性。在升速过程中，应加强监视临界转速时各瓦的振动值以及润滑油压力等参数。
4.4.3 并网升负荷阶段
汽机定速5025rpm后即可完成并网操作。在前文描述中，冲车阶段汽机已充分暖机，并网后可直接将燃机升至满负荷52.723MW。在升负荷期间，提前开启机组抽气供热管道相关疏水，缩短调峰锅炉供热时间，有效节省燃料。
4.5 调峰锅炉改造分析
宜昌市夷陵区中基热电有限公司设计无辅助蒸汽，目前轴封蒸汽只有高压主蒸汽一路汽源，投入需高压主蒸汽满足参数条件，影响真空、旁路系统投入时间。为缩短该阶段等待时间，同时考虑到调峰锅炉运行参数满足轴封投入条件，可将之做为辅助蒸汽汽源。
5 优化方案及实施效果
5.1 优化方案
基于上述分析，结合实际生产中的机组启动过程，可得出西门子6F机组冷态启动的优化方案：
（1）利用调峰锅炉蒸汽做为辅助蒸汽，提前投入汽机轴封系统；
（2）汽机冲车前疏水暖管阶段与汽水品质化验同步完成；
（3）汽机冲车阶段，燃气轮机负荷由初始2MW优化为等微增率至6MW；
（4）汽机并网后，优化燃机满负荷时间；
（5）汽机升负荷阶段，提前开启抽气供热管道疏水暖管。
5.2 实施效果
优化后的西门子 6F机组冷态启动过程耗时约3.5 h，较之前冷态启动时间减少了约 0.5 h；明确了各个节点的经济负荷和应注意的问题，避免启机失败浪费时间，提高了机组启动的经济性和安全性；而且可将此优化方案应用到 APS 一键启停方案中，在提高机组自动化水平的同时节约了能源[6]。
6 应用效果
以应用冷态启动优化方案前后机组缸温较为接近的3次冷态启动为例，选取从燃气轮机启动到汽轮机并网的时间段，经查询DCS 数据后进行对比分析（见表1所示）。
表1 优化前、后3次启动重要数据对比
通过表1中的2组数据对比可以看出，机组冷态启动时，采用冷态启动优化方案后较之前节省天然气量3312Nm3，节省厂用电量487kWh；按照天然气价格2.9元/m3 计算，每次启动可节省约9600元。在提高经济性的同时，减少了机组启动时间。故在优化启动方案后，可使企业效益得到进一步的提高。
7 结束语
本文基于西门子 6F燃气—蒸汽联合循环机组特性，结合生产实际，阐述了机组启动过程中容易出现的问题，利用反向推理的方式，对机组整个冷态启动过程中的经济性、安全性进行了分析，提出了优化的冷态启动方案 。此方案有助于实现机组安全、经济、省时启动，为更好地指导生产实际提供了参考依据。
参考文献：
[1] 周晓峰.M701F型燃气蒸汽联合循环机组启停过程经济性分析[J].发电设备，2011，25（5）：317-320.
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[4] 任帅.燃气蒸汽联合循环机组缩短汽轮机启动时间的研究[J].北京：《产品可靠性报告》，2024.
[5] 王列科等.50MW级SGT-800型西门子燃气轮机的性能验证[J].上海：《燃气轮机技术》，2014.
[6] 陈永琪.F 级燃气—蒸汽联合循环机自动启停控制系统的设计与实现[D].广州：华南理工大学：1-80.
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