M701F3型燃气-蒸汽联合循环机组蒸汽轮机低压缸冷却蒸汽优化分析

M701F3型燃气-蒸汽联合循环机组蒸汽轮机低压缸冷却蒸汽优化分析

邓杰

（广东惠州天然气发电有限公司广东惠州516000）

摘要：分析了汽轮机低压缸冷却蒸汽由辅助蒸汽供应提前切换至低压主蒸汽供应的可行性，并列举惠州天然气发电有限公司目前所做技改，为同类型机组增加启机过程中低压主蒸汽的合理利用、减少辅汽的用量提高一定的参考建议。

关键词：M701F3低压缸冷却蒸汽切换优化

引言

惠州天然气发电有限公司（以下简称惠州电厂）一期工程建有三台日本三菱/东汽联合生产的M701F3型燃气-蒸汽联合循环机组，单轴布置，燃机转子、汽机转子、发电机转子布置在一根轴上。其中蒸汽轮机型号为TC2F-30，汽轮机形式为三压再热，高中压采用合缸布置，通流部分为反向流动，低压缸为对称分流式，末级叶片长度762mm。正常运行时，低压主蒸汽与汽中压缸排汽汇合后进入低压缸做功，最终排入凝汽器。

惠州电厂一期三台机为两班制调峰机组，机组的启动时间和运行台数由中调根据系统需要决定，绝大多数情况早上启动，晚上停机，三台机组年累计启停次数多达500次。

一、汽机低压缸冷却蒸汽运行特点介绍

机组启动时，经由SFC将发电机转为电动机，拖动大轴至590rpm点火，并于2000rpm脱扣，燃机透平做功带动燃机、汽机同轴转动升速，直至汽机进汽前，汽轮机都处于“无汽”状态。因低压缸末级叶片较长，为防止鼓风摩擦导致叶片超温的情况，单独设计了低压缸冷却蒸汽系统，在达到一定转速时引入一定参数的蒸汽进行冷却，以保护低压缸叶片。在实际运行过程中，低压缸冷却蒸汽在机组发正常启机令后便开始暖管，冷却蒸汽调压阀缓慢开启，待机组转速达到2000rpm时，低压主调阀缓慢开启，冷却蒸汽通入低压缸进行冷却。随着转速升高，低压主蒸汽调节阀开度变大，冷却蒸汽流量也随之增大，当机组转速达到3000rpm时，低压主调阀开至完全冷却开度20%左右，冷却蒸汽流量达到最大值并维持至汽机进汽前。当汽机进汽条件满足、中压进汽压力达到0.4MPa后，低压主蒸汽电动隔离阀自动开启，低压缸冷却蒸汽调阀自动关闭，低压缸进汽切换至来自余热锅炉低压过热器的低压主蒸汽及中压排汽。在汽机进汽之前，低压主蒸汽通过低压旁路阀直接旁通至凝汽器，热量没有得到有效利用。系统结构如下图。

二、汽机低压缸冷却蒸汽的来源及运行要求

汽机低压缸冷却蒸汽取自于机组的辅汽母管，启机过程中，只有当机组辅汽母管的压力温度正常时，低压缸冷却蒸汽才能得以保障。惠州电厂机组辅汽母管正常压力为0.8-1.0MPa，温度要求大于180℃，其汽源主要来自于以下几路：

1、供热炉直供管，自厂内供热炉供热网引一条管至主机，再通过减压阀将压力调节至1-1.2MPa后送至厂用辅汽母管供各机组使用。该回路由于管道较长，供辅汽温度相对较低，约180-200℃。

2、启动炉，单独配置的燃烧天然气的启动炉来产汽供给厂用辅汽母管供各机组使用，出口压力设定为1MPa，供辅汽母管温度约为250℃。

3、相邻机组冷再抽汽，由正在运行的相邻机组冷再抽汽，经过减压后供至厂用辅汽母管供其它机组使用。该回路供辅汽温度相对较高，一般大于250℃。

4、本机组的冷再抽汽，当本机组冷再抽汽的参数符合辅汽要求时，可用本机冷再抽汽供机组辅汽母管。

以上四路为机组辅汽母管也就是启机时低压缸冷却蒸汽的汽源来源，前面3路均取自于本机以外，相对本机来说为外部汽源；第4路汽源取自本机，但一般只有热态或高温态启机时其参数才满足要求。

惠州电厂汽机低压缸冷却蒸汽设计温度为160℃，正常运行的温度范围允许为140℃—180℃。低压缸冷却蒸气的设计工作压力为0.25MPa，设计最大冷却流量约为20t/h。在实际生产过程中，根据启机的状态不同，冷却蒸汽的用量会有少许变化。由于低压缸冷却蒸汽没有专门的流量计，故用辅汽流量减去轴封用汽流量来估算冷却蒸汽流量，经计算得知：

1.冷态启机时，转速2000rpm前，辅汽只供机组轴封使用，由于流量表精度不够，可大约定为3t/h。

2.机组在各种状态启动过程中所耗冷却蒸汽流量基本差不多，可以近似认为机组3000rpm后冷却蒸汽消耗流量约为11t/h。

3.热态启机时，冷却蒸汽耗量比其它状态少约3t/h，主要是因为启机前，本机组冷再抽汽参数就已经符合辅汽参数要求，故在启机过程中人为提前将冷再抽汽供应至辅汽母管，部分蒸汽没有经过流量计。

三、启机过程低压主蒸汽的参数与低压缸冷却蒸汽参数对比情况

机组启动时，由于启动状态不同，低压主蒸汽的参数变化也不同，经过数据比对，四种状态启机时的低压主蒸汽参数与低压缸冷却蒸汽参数对比情况：

1.冷态启机时，若长时间空载暖机，则在并网之前低压主蒸汽的参数就已经满足低压缸冷却蒸汽的参数要求。

2.低温态启机时，由于汽包压力较低，等到机组并网并达到暖机负荷后低压主蒸汽压力才上涨。当压力达到冷却蒸汽的要求时，温度也基本满足冷却蒸汽要求。

3.高温态启机时，由于锅炉保压效果较好，机组冲转前低压主蒸汽的温度、压力及流量等参数就已经满足低压缸冷却蒸汽的参数要求。

4.热态启机时，由于锅炉保压效果较好，机组冲转前低压主蒸汽各参数已满足低压缸冷却蒸汽各参数要求。但由于有部分冷再抽汽供入辅汽而没有经过流量计，故估算出的冷却蒸汽流量比其他状态启机时偏小点。

四、汽机低压缸冷却蒸汽优化运行可行性分析

1、安全角度分析

1）压力要求

冷却蒸汽压力要求为0.25MPa，冷态和低温态在启机初期，由于锅炉低压系统没有建立压力，所以低压主蒸汽压力不符合低压缸冷却蒸汽的压力需要。当到一定负荷的时候，低压主蒸汽压力就符合冷却蒸汽的需要。高温态和热态启机时，由于锅炉侧有余压且保压效果较好，在开启锅炉低压过热器出口集箱电动阀之后，低压主蒸汽压力条件就满足了冷却蒸汽压力的要求，即在机组启动之前低压主蒸汽的压力就满足要求。

2）温度要求

低压缸冷却蒸汽的设定值为160℃，允许温度范围为140℃-180℃，而0.25MPa对应的饱和温度为139℃。查阅运行曲线得知，当低压主蒸汽压力达到0.25MPa后，低压主蒸汽温度也基本达到140℃以上。低温态和冷态启机时，低压主蒸汽温度相对来说会偏低一点，但也在冷却蒸汽温度要求的正常范围内。高温态和热态启机时，温度相对偏高点，完全满足低压缸冷却蒸汽的要求。在正常启机过程中，高温态和热态启机时，低压主蒸汽的过热度基本在设计的安全范围之上。

启机过程中，在暖机后阶段至汽机进汽前的一段时间内，低压主蒸汽的温度会逐渐升高，最高达到约220℃左右，超过最高180℃的冷却蒸汽的要求值。而在机组的实际运行过程中，正常停机时，汽机低压主蒸汽调节阀全关前低压主蒸温度有约225℃左右，可推断汽机停机时低压缸内缸金属温度大约等于220℃，按照每小时汽机内缸金属冷却1-2℃来计算，热态早上启机时，温度约213-219℃左右，故暖机后阶段的低压主蒸汽温度进入低压缸不会存在很大温差而影响机组安全。

3）流量要求

实际情况表明，低压主蒸汽流量在压力、温度条件达到冷却蒸汽的参数要求后，流量完全满足要求，同时如果降低低压主蒸汽的压力，过热蒸汽流量将更大。

2、经济角度分析

启机过程中，当低压主蒸汽参数符合低压缸冷却蒸汽的要求时，采用低压主蒸汽供冷却蒸汽，一方面可以减少辅汽的耗量，也就是减少外部汽源的耗量，即减少启动成本。另一方面可以合理利用本机的低压主蒸汽，减轻凝汽器的热负荷，延长设备寿命。

综上，在启机过程中，利用低压主蒸汽供低压缸冷却蒸汽在一定的条件下是可行的。

五、惠州电厂优化改造方案与运行经验

经过计算与研究，惠州电厂最终定下低压缸冷却蒸汽启机期间运行方式优化方案，由热控将低压主蒸汽隔离阀开启逻辑改为低压旁路阀前低压主蒸汽压力＞0.25Mpa且低压旁路阀开度＞15%。随着低压主蒸汽隔离阀逐渐开启，低压进汽压力逐渐升高，阀门设定值为0.25MPa的低压缸冷却蒸汽压力调阀逐渐全关，冷却蒸汽切换为低压主蒸汽供应。

从长达的1年的运行情况看，切换过程中运行平稳，未出现超温超压现象，汽轮机揭缸检修过程中，低压缸叶片也未发现异常。

节能效果方面，热态启机需用冷却蒸汽的时间约25分钟，在本机冷再抽汽提前投入的情况下，冷却蒸汽的平均流量约8t/h，即每次热态启机可少用约3.4t的外部冷却蒸汽；高温态启机需用冷却蒸汽的时间约45分钟，用气量约11t/h，即每次高温态启机需用约8.3t的外部冷却蒸汽；低温态与冷态因次数较少且保压情况不完全相同，无准确时间。我厂2016机组累计热态启动362次，高温态累计启动54次，若采用优化运行可节省1MPa压力等级以上的蒸汽约1835.8t，若按220元/t蒸汽价格，每年可节约费用约40万元。

六、总结

通过对M701F3型燃气-蒸汽联合循环单轴机组启动过程中低压主蒸汽参数的分析以及实践运行，证明将低压缸冷却蒸汽提前切换由低压主蒸汽供应的运行方式是完全可行的，且能起到一定的节能效果。

在环保指标日趋严格、发电运营成本与日俱增的形势下，节能降耗是提高生产效益的重要方法，建议同类型机组参照惠州电厂技改方案，对汽机低压缸冷却蒸汽进行安全可靠的运行优化，减少外部蒸汽耗量，提高启动过程中本机组低压主蒸汽的合理利用，从而达到降低机组启动成本、提高发电效率的目的。

参考文献：

［1］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：机械工业出版社，2013.5.

［2］杨顺虎．燃气－蒸汽联合循环发电设备及运行［M］．北京：中国电力出版社，2003．

［3］广东惠州天然气发电有限公司.M701F型燃气—蒸汽联合循环机组运行规程.2017.

作者简介：

邓杰（1991--），男，广东人，热能与动力工程助理工程师，从事燃气轮机发电运行工作。