M701F4联合循环机组锅炉预暖系统投运策略研究

0引言

某电厂M701F4联合循环机组自投产以来,一直存在冷态启动时间偏长、机组启动经济性较差的问题。M701F4联合循环机组的启动时间是从燃机发启动令至机组负荷达270 MW。为了方便研究,将机组启动过程划分为三个部分:第一部分是从燃机发启动令到燃机升至暖机负荷,第二部分是从燃机升至暖机负荷到汽轮机满足冲转条件,第三部分是从汽轮机进汽后到机组负荷270 MW。由于燃机启动时间基本固定,冷态启动时间主要是受锅炉和汽机状态的影响,其中第二部分主要受余热锅炉的蓄热能力和主蒸汽升温升压速率的控制。为了缩短机组冷态启动时间,提高机组启动的经济性,机组冷态启动前应对锅炉高压汽包进行预暖。

1 高压汽包预暖目的

某电厂M701F4型燃气—蒸汽联合循环机组的余热锅炉配置有高压汽包预暖系统,如图1所示,利用辅助蒸汽加热余热锅炉高压汽包和蒸发器内的炉水,提前建立水循环,加快点火后锅炉升温升压速度,节省启动时间,提高经济性;同时保证汽包上下壁温差在允许范围内,减小热应力冲击,延长其使用寿命。

锅炉高压汽包预暖主要目的是减小机组启动过程中高压汽包上下壁温差。在余热锅炉启动过程中,汽包内壁从工质吸收热量,其温度逐渐升高。燃机点火升压初期,特别是锅炉冷态启动过程中,高压汽包炉水自然循环尚未正常建立,汽包下部的炉水流速低或局部停滞,汽包下壁与炉水的换热方式是以对流换热为主。当锅炉开始升压时,产生的饱和蒸汽与温度较低的汽包上壁接触后会发生冷凝现象。由于蒸汽冷凝过程的传热效率远高于汽包下半部水侧的对流传热(通常相差数倍),上壁温升速率明显快于下壁。这种传热差异使得上壁温度迅速接近当前压力下的饱和温度,而下壁温度上升相对滞后,从而在汽包壁面形成轴向温度梯度。值得注意的是,升压速率与温差形成呈正相关性——升压过程越剧烈,饱和温度变化越急剧,由此产生的壁面温差也越显著。这种热力学现象直接影响汽包的结构应力分布[1]。只有当汽包内的炉水达到对应压力的饱和水温度后,产生连续饱和蒸汽,才能使得汽包上下壁温差逐渐减小。

当汽包上下壁存在温差时,会在金属壁内部形成额外的热应力分布。具体表现为:汽包上半部分承受轴向压缩应力,而下半部分则受到轴向拉伸应力,这种应力分布会导致汽包整体呈现上拱变形。温差数值与热应力大小呈正相关关系,若温差过大导致应力超过材料的屈服极限,可能引发结构失效风险,甚至威胁运行安全。同时,长期反复的热应力作用还可能在汽包表面诱发疲劳裂纹,影响其服役寿命[2]。

因此,在锅炉启停过程中,必须对汽包上下壁温差进行严格监测和控制,以确保设备安全稳定运行。尤其是冷态启动,提前投运高压汽包预暖系统,适时加强新产出蒸汽的流通,加快汽包内汽水循环,可有效减缓汽包壁温差增大。

2 高压汽包升温速率控制

水和蒸汽在饱和状态下,温度和压力之间存在一定的对应关系,锅炉的升压过程也是温升过程,所以在锅炉启动过程中,当汽包上下壁温差过大时,通常以控制升压速率来限制汽包的升温速率,M701F4联合循环机组控制高压汽包升压速率逻辑关系如图2所示。

在机组启动升压阶段,当高压主蒸汽压力大于0.5 Mpa,高压汽包下壁温度低于150℃ ,高压汽包上壁最高温度与汽包下壁最低温度之差大于30℃时,触发汽轮机高压旁路阀压力设定值速率闭锁,从而控制高压汽包升压速率以达到控制高压饱和蒸汽温度的目的,防止高压汽包上下壁温差过大。

3 高压汽包预暖效果

3.1 高压汽包预暖过程

图3为2025年2月18日某台机组高压汽包预暖系统投运后汽包上下壁温升变化曲线。

辅助蒸汽温度约350℃ ,辅助蒸汽压力1Mpa,辅助蒸汽调阀开度30%,投运预暖前高压汽包上、下壁温均为22℃ ,投运预暖300 min后,高压汽包上壁温度105℃ ,高压汽包下壁温度96℃ ,预暖升温速率约15℃/h。

辅助蒸汽加热炉水是蒸汽通过冷凝传递热量,蒸汽能在恒定温度下凝结,释放出大量潜热加热炉水,因此高压汽包预暖的特点是升温快速,效果显著。高压汽包下壁温度预暖能达到的上限(小于预暖蒸汽温度)主要受高压汽包压力的影响。该日预暖投运后,高压过热器疏水阀全程开启,高压汽包内保持一个大气压,预暖温度上限为100℃ ,且温度越接近100℃ ,汽包下壁温升速率越慢。理论上可以通过调整高压汽包的压力来控制高压汽包的水温,从而提升预暖的最高温度。

3.2投运预暖后锅炉启动过程

图4为机组冷态启动投运高压汽包预暖后启机过程汽包温度和高压旁路阀压力设定值变化情况,燃机启机吹扫过程中,锅炉受热面被冷却,高压汽包下壁温度稍微下降,高压汽包上下壁温差逐渐增大,燃机冷态启动过程中约3000 r/min时,锅炉高压系统开始起压,产生的蒸汽对高压汽包上壁凝结放热,导致高压汽包上壁温度快速上升,高压汽包上下壁温差进一步增大,由于启动前投运高压汽包预暖,汽包下壁温度升温也较快,启停过程中高压汽包上下壁最大温差约30℃ ,未触发汽轮机高压旁路阀压力设定值速率闭锁,高压旁路阀的压力设定值按照固定速率逐渐升高至目标值3.8 Mpa,从而控制高压旁路阀开度。

4 高压汽包预暖影响分析

4.1未投运预暖对暖机时间的影响

因电网系统负荷紧张,某台机组冷态被电力调度机构临时调开,时间上来不及投运高压汽包预暖,在启机过程中出现高压汽包上下壁温差大限制锅炉升温升压现象。图5为某次启机锅炉未投预暖时高压汽包温度和高旁压力设定值变化情况。

从图5中可以看出,机组启动前高压汽包上下壁温度均为21℃ ,高压汽包开始起压后,高压旁路阀的压力设定值未按照固定速率逐渐升高至目标值3.8Mpa,从而控制高压旁路阀开度。在发启动令后35~58 min时,高压旁路阀的压力设定值未上涨,主要受高压汽包上下壁温差限制,高压汽包上下壁温差大于30℃时,暂停升压,直到高压汽包上下壁温差小于50℃后再升压,在此期间耗时约23 min。冷态启动过程中,燃机并网后 自动升负荷至冷态暖机负荷40 MW,并维持暖机负荷不变以等待汽机进汽冲转条件满足。假设高压主蒸汽压力达到目标压力后即满足汽机冲转条件,主蒸汽压力能和旁路压力设定值同步达到3.8 Mpa,那么冷态启机的暖机时间差异主要在于高压旁路阀压力设定值是否受到高压汽包上下壁温差限制的影响。

4.2锅炉预暖对启动经济性的影响

由上述两次冷态启机过程分析可知,机组冷态启机前投运锅炉预暖,可以减少锅炉高压汽包上下壁温差,从而缩短高压旁路阀升压速率受限的时间,进而缩短启动过程暖机时间。忽略除盐水耗量,以燃机40 MW暖机时的上网电量、天然气耗量估算,暖机过程的毛收益=暖机上网电量× 电价-暖机过程天然气耗量×天然气价格(燃机负荷40 MW时天然气耗量约28 000 Nm3/h,电价取长协价0.55元/(kW.h),气价取3.5元/Nm3),此时每分钟毛收益约为(40× 103 ×0.55-28000×3.5)/60≈-1 267元。如果缩短暖机等待时间23 min,可节约成本约2.91万元。

4.3锅炉预暖对高压汽包安全性的影响

对比分析上述两组冷态启动试验数据发现,当采用高压汽包预暖措施时,汽包上下壁面温差峰值可控制在30℃左右;而未采取预暖措施工况下,该温差峰值则高达89℃ 。预暖措施的实施使得汽包壁温分布更加均匀,有效降低了启动阶段的热应力水平,从而大幅提升了高压汽包在低温工况下的运行可靠性,显著优化了汽包在冷态启动过程中的热力学性能,为设备安全运行提供了有力保障。

5 高压汽包预暖投运策略

从锅炉预暖过程分析中得知,高压汽包预暖投运后,高压汽包下壁温的温升速率可以达到15℃/h。根据历史数据,高压汽包下壁温达到100℃时,可以有效减小锅炉启动过程中高压汽包上下壁温差。

为降低机组冷态启动时高压汽包上下壁温差,本厂M701F4联合循环机组对冷态启动高压汽包预暖系统做出以下规定:冷态启动时,汽包温度较低的工况下,需提前5 h投运高压汽包蒸发器底部预暖系统,以降低启动过程中高压汽包上下壁温差,将高压汽包水位降低至-650 mm,打开高压蒸发器底部加热电动隔离阀,检查确认除氧器辅助蒸汽电动隔离阀在全关位置,微开锅炉侧辅助蒸汽压力调节阀,暖管结束后,再将锅炉侧辅助蒸汽压力调节阀开大至30%~35%开度,随着蒸发器内冷凝水增加,汽包水位会缓慢上涨,待高压汽包上下壁温度均上涨至100℃左右或者燃机启动前,退出高压汽包蒸发器底部预暖系统[3]。

6 结束语

经多次冷态启动试验,在机组启动前采用辅助蒸汽将高压汽包及蒸发器内工质预热至约100℃的预处理措施,可有效避免因高压汽包上下壁温差过大导致的金属热应力超标问题,同时缩短机组启动时间,提高机组启动的经济性和安全性。该研究成果为燃气-蒸汽联合循环机组的优化启动提供了可靠的技术参考。

[参考文献]

[1]张旭,徐山.自然循环锅炉汽包壁温差的控制[J].宁夏电力,2005(增刊1):29-31.

[2] 张宇,王燕齐,张巍.燃气蒸汽联合循环机组降低余热锅炉汽包上下壁温差的措施[J].今日制造与升级,2024(3):150-152.

[3]广东惠州天然气发电有限公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电设备与运行:机务分册[M].北京:中国电力出版社,2023.

《机电信息》2025年第19期第17篇