（镇海发电有限责任公司燃气热电运行部 浙江宁波 315000）
摘要：热电联产设计的燃气--蒸汽联合循环机组被用于调峰，温热态启动不便、有隐忧，通过引入轴封电加热器彻底解决了安全性问题，还带来可观的经济环保效益。
关键词：联合循环；轴封电加热器；安全经济；增加负荷率；减低NOX
引言：
随着西气东送和天然气的开发，以及人们环保意识的不断加强，燃气轮机在我国得到了广泛的应用，特别在长三角、珠三角、京津冀等经济发达地区。镇海燃气热电有限责任公司位于长三角南翼，配置两套型号为STAG 109FA MS的“一拖一多轴”型式燃气--蒸汽联合循环发电机组。每套联合循环机组主要由PG9351FA型燃气轮机、QFR-252-2型全氢冷发电机组成的燃气轮机发电机组；HG-9FA-361-10.1/539.6-2P型余热锅炉；及由型号LNC/N115-9.88/539/1.9抽凝汽轮机、型号为QF-100-2全空冷发电机组成的汽轮机发电机组组成。汽机按高压缸内缸内壁温度区分启动状态，汽机高压内壁上、下缸温度小选在205℃以下为冷态；汽机高压内壁上、下缸温度小选在205～370℃为温态；汽机高压内壁上、下缸温度小选在370℃以上为热态；汽机高压内壁上、下缸温度小选在450℃以上为极热态。电站集散控制系统（DCS）采用上海艾默生的OVATION系统，燃机采用GE公司Mark VIe控制系统。两套联合循环机组先后于2014年5月、10月建成投产。由于政策、配套热用户没跟上等原因，现在因其具有启停速度快的优点，被用作调峰机组。采用两班制运行方式，启停频繁。由于机组是以热电联产长期连续运行为目标设计的，因此在启停便利性方面没有做太多考虑，特别是温热态启动尤为困难。
本厂机组两班制运行，夜间有6~9小时的停机时间，在正常保温保压的条件下，第二天启动前锅炉出口的主蒸汽温度约320℃，因管线的散热及暖管蒸汽流量有限等因素影响，在机组启动初始阶段，轴封母管的温度一般在200℃左右。汽机启动前的高压缸内壁金属温度在420~460℃，根据汽机厂家规范，所需的轴封汽温度必须在310~350℃。经过6~9小时冷却的主蒸汽温度显然无法满足匹配汽机缸温投轴封的条件。
如图示一，汽机轴封母管三个汽源分别来自辅助蒸汽管道、机组低压母管和高压主汽管道。当本厂机组全停时，辅助蒸汽管道和机组低压母管的来源都是低压供热母管（镇海电厂煤机是低压供热母管的另一个热源），高压主汽管道是本机锅炉至汽机的主汽管道。来自低压供热母管的温度只有200℃左右，可以用于机组冷态启动，但远不能满足热态启动的需要。热态启动必须要用本机锅炉出产的主蒸汽。
图示一（轴封母管的汽源布置）
一般来说，在燃机点火前需投入汽机旁路系统，便于控制锅炉的升压速度，确保联合循环机组启动过程安全可靠。汽机热态启动必须先投轴封后抽真空，真空到一定程度后才允许投入旁路系统。燃机点火前轴封汽温度无法满足投轴封的条件，投入旁路系统便无从说起。
在引入轴封电加热器之前，我们如何热态启动机组联合循环呢？如图二所示，当燃机点火后锅炉开始升温升压，此时高压旁路系统不满足投运的条件，我们把既有的高压主汽供热管线当做旁路来控制锅炉升压速度和主汽管道的暖管升温。这是创造性的办法，但需要精细熟练的操作且背后潜藏着巨大的隐患。首先既有的高压主汽供热管线本身并不是为了机组热态启动而设计的，调节供热压力的调节阀的调节性能并没有像旁路调节阀那样好用。第二供热母管有自己的温度流量限制，第三由于凝汽器未建立真空，凝汽器本身容量就小，为控制凝汽器压力、排气温度必须控制进入凝汽器的疏水量，主汽#1、2疏水开启时间被延缓，直接影响主汽门前的主汽温度满足汽机冲转要求的速度。用这种方法进行机组热态启动，主汽供热调节阀既要控制阀前的锅炉升压速度又要控制阀后进入供热母管的流量，我们增加了主汽供热调节阀的控制和保护逻辑并根据实际运行操作进行了多次修正，即便如此运行操作仍然压力很大。因为供热母管有对蒸汽的温度要求而当主汽温度符合供热母管的温度要求时主汽压力已经很高，此时开启主汽供热调节阀过慢余热锅炉有超压的危险，过快则会对热网造成很大的冲击。所以说这是种创举但潜藏有巨大风险，运行操作难度很大，一直是本厂的一块心病。针对第三个问题，我们采用在机组停运前低负荷运行一段时间使汽机缸温低一些，在第二天机组启动时，汽机汽缸温度低一方面利于轴封温度提早满足条件以期旁路系统及早投入降低风险，另一方面也利于汽机冲转参数的提前满足条件。这样的结果机组启动相对安全了但停机前的低负荷运行又影响了经济性。如图三所示，汽机停机前滑缸温时间为50~60分钟，缸温由533℃滑至480℃左右。
图示二（主蒸汽管路的布置）
图示三（汽机停机滑缸温数据）
为了解决上述难题，提高机组温热态启动的安全性经济性，根据现场的状况我们在厂区辅助蒸汽母管上增装了轴封电加热器，如图四所示
图示四（轴封电加热器在辅助蒸汽系统中的安装位置）
轴封电加热器选用江苏镇江裕太防爆电加热器有限公司生产的BGY60-380-650型电加热器，具体技术参数如下：防爆等级ExdⅡCT4，防护等级IP66，设计压力2.1MPa，工作压力1.8MPa，工作电压380V三相50HZ△形接法工作功率650kW（分六组）设计温度400℃，进口温度≥160℃，出口温度180~380℃，加热密度3W/cm²，流量4t/h。安全阀型号为A48SY-40C 进口DN50，排放口DN65，整定压力为1.9MPa。电加热器可在DCS和就地控制柜上实现启停、设置温度命令并上传综合故障报警至DCS，DCS和就地控制柜可显示各种温度测点和6组加热器的电压电流信号。
理论上轴封电加热器越靠近汽机轴封母管，加热保温的效果越好。但由于现场场地的限制，轴封电加热器被布置在离汽机轴封母管50米远的位置。为了减少热量损失取得良好的效果我们为此还更换了轴封电加热器至汽机轴封母管段的管道保温。第一次试投轴封电加热器，实测汽机轴封母管温度极限只能到达300℃左右，经检查轴封电加热器出口管道的温度只有350℃，确认厂家出厂设置的出口温度不准或者说偏小。经与厂家沟通联系后确定在轴封电加热器出口筒体周围增加5个温度测点，在轴封电加热器出口电动阀后增装一个温度测点，将轴封电加热器出口温度控制测点替换为轴封电加热器电动阀后的温度测点，并增加保护——任意一点筒体温度超过400℃跳轴封电加热器。改进后实测轴封母管最高温度可达350℃左右，基本能够满足机组两班制运行的温热态启动要求。
引入轴封电加热器后，我们就可以通过轴封电加热器加热来自低压供热母管的辅助蒸汽满足投汽机轴封的要求，在每次联合循环机组热态启动之前就可以投入汽机轴封汽并抽真空，在燃机点火锅炉起压后就可以投入旁路系统。真空建立旁路投运后，可以随心所欲的控制进入凝汽器的疏水，为主蒸汽更快的满足汽机冲转参数创造了条件。另外，旁路系统投入后，为了尽量的减少热能的损失，可以适当的减少通过旁路进入凝汽器的蒸汽而将这部分蒸汽供向热网系统。由于旁路系统的良好可调性，切换操作毫无压力。联合循环机组温热态启动的安全性和经济性都得到了极大的提高。
增装轴封电加热器后，在机组温热态启动安全性得到良好保证的前提下，我们在停机阶段不再滑缸温运行。第二天启动做汽机冲转参数会稍微增加点时间但相比停机滑缸温已微不足道。
如图五所示，轴封电加热器加装前后，#1联合循环机组热态启动的时间节点。统计从燃机点火至汽机并网的时间（燃机启动至点火及汽机并网后加负荷速率都是程控统一的时间），增装前平均约为61.7分钟，增装后平均约为57.5分钟。
图示五（轴封电加热器安装前后的启动时间对比）
节能效果
启动过程减少的时间和停机过程中汽机滑缸温缩短的时间总共约为一小时左右，相当于提高了机组的负荷率。机组启动阶段做汽机冲转参数和机组停机阶段滑缸温都是在燃机负荷20~30MW时段，经对增装轴封电加热器前后的机组启停状况的对比，可以基本认定为燃机负荷20~30MW时的运行经济性跟燃机带基本负荷时的运行经济性的对比。
燃机负荷20~30MW时：
收益：1、电量部分（燃机负荷26MW，汽机负荷35MW，电价为0.4153元/千瓦时）
（26+35）*1000*0.4153=25333（元）
成本：1、天然气（基本负荷下天然气消耗量23km³/h，气价2.21元/m³）
23*1000*2.21=50830（元）
亏本运行，每小时损失25497元
燃机带基本负荷时：
收益：1、电量部分（燃机负荷250MW，汽机负荷80MW，电价为0.4153元/千瓦时）
（250+80）*1000*0.4153=137049（元）
2、供热部分（高压供热30吨，240元/吨；低压供热120吨，200元/吨）
30*240+120*200=31200（元）
成本：1、天然气（基本负荷下天然气消耗量72km³/h，气价2.21元/m³）
72*1000*2.21=159120（元）
2、除盐水部分（供热部分除盐水不回收，1.05是损失系数）
（30+120）*1.05*10=1575（元）
每小时盈利7554元
两种工况下的厂用电部分基本相同，可忽略不计。每次启停时间缩短一小时，大约可带来的收益：7554-（-25497）=33051（元）
两台机组每年启停100次计算，共可带来收益为330.51万元。
增装了轴封电加热器后不但缩短联合循环机组启停时间提高了负荷率，更重要的是提高了联合循环机组温热态启动的安全性，减少了运行操作调整的压力，也是降非停的一个重要举措，对公司和个人都具有非常巨大的现实意义。另外，国家对环保的要求越来越高，特别是我们经济较发达的长三角地区，缩短机组的启停时间还能减少启停过程中氮氧化物的排放量，带来环保效益。
论文作者:虞明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/5
标签：汽机论文; 机组论文; 温度论文; 电加热器论文; 旁路论文; 蒸汽论文; 负荷论文; 《电力设备》2018年第22期论文;