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F级联合循环电站 不设置启动锅炉的可行性分析

2017-06-26 09:16:13本网

  热力发电F级联合循环电站不设置启动锅炉的可行性分析马悦河北省电力勘测设计研究院,河北石家庄F级联合循环机组在我国的应用越来越多。结合联合循环机组启动蒸汽的作用以及启动锅炉的现状,分析了F级联合循环机组不设置启动锅炉的可行性。结果表明:在F级联合循环机组常见的单轴和多轴配置中,发电机中置的单轴机组和多轴机组可以不设置启动锅炉,而对于发电机尾置的单轴机组必须设置启动锅炉;根据机组系统配置特点,M701F型多轴联合循环机组,需要设置启动锅炉,西门子公司SGT5-4000F和GE公司9F型多轴联合循环机组可以不设置启动锅炉;通过余热锅炉自身所产生的蒸汽作为启动蒸汽,会延长机组启动时间,增加燃料消耗量以及机组启动期间与电网调度协调的复杂性,因此建议联合循环机组配置启动锅炉。

  联合循环机组;F级燃气轮机;余热锅炉;启动蒸汽;启动锅炉1F级联合循环机组概况大型联合循环机组在我国应用广泛。在20012007年间,我国共引进GE、MHI、Siemens公司的F/E级重型燃气轮机50余套,共2000万kW.目前,除主要本体热部件以及重要阀门必须依靠进口外,国产化率已经达到70%.在国内,哈尔滨汽轮机厂有限责任公司、上海汽轮机厂有限责任公司、东方汽轮机厂有限责任公司分别与GE、Siemens、Mitsubishi公司进行合作,引进其F级机组技术,在国内市场应用广泛。

  F级联合循环机组可以分为单轴和多轴配置,单轴配置的联合循环机组,燃气轮机、汽轮机和发电机同轴布置,有发电机尾置和发电机中置2种布置方单轴联合循环机组(发电机中置)表1部分F级联合循环电站机组概况电站名称技术支持燃气轮机型号配置型式装机容量备注杭州半山一拖一单轴福建莆田LNG一拖一单轴上海漕泾一拖一单轴供热国华余姚二拖一多轴北京热电厂二拖一多轴配置SSS离合器供热北京草桥二拖一多轴配置SSS离合器供热北京高井二拖一多轴一拖一多轴配置SSS离合器供热、在建浙江绍兴一拖一单轴供热、在建浙江萧山一拖一单轴供热河南周口一拖一多轴供热、在建2.1单轴机组单轴机组的2种布置方式各有特点3,但是在启动时均为利用SFC向发电机提供频率变动的交流电源,发电机以同步电机运行,以启动燃气轮机。

  因此,启动蒸汽具有以下作用:为蒸汽轮机提供冷却用汽。由于燃气轮机、蒸汽轮机和发电机同轴布置,机组启动时燃气轮机先启动,同时带动蒸汽轮机转动,蒸汽轮机在空转时会产生大量的鼓风热量,必须为蒸汽轮机提供额外的冷却蒸汽,而且只能提供给低压缸,所以机组此时还要维持较高的真空以减少高、中压缸内的空气。)为蒸汽轮机提供轴封蒸汽。汽轮机冲转前,特别是热态启动时,应先向轴封供汽,然后抽真空,以防止大量冷空气从轴封段被吸入蒸汽轮机内,根据蒸汽轮机的金属温度不同,投入的轴封蒸汽参数也不相同。

  为余热锅炉提供给水加热和除氧器用蒸汽。

  其目的是加热给水,缩短锅炉冷态启动时间,并将水中的气体排出,降低给水含氧量。通常,在机组启动时为了保证机组的启动速度和保护受热面,采用启动蒸汽加热锅炉给水。

  为余热锅炉的首次启动提供水压试验、酸洗、碱洗和吹管用加热蒸汽。为了防止余热锅炉表面结露以及保证受热面的清洁,需要在首次启动时,向余热锅炉供给定温度的除盐水用于水压试验和清洗。

  2.2多轴机组多轴联合循环机组也是通过SFC启动燃气轮机。由于燃气轮机与蒸汽轮机分轴布置,蒸汽轮机并不需要随转,因此蒸汽轮机不需要低压缸冷却用汽。多轴机组启动蒸汽的作用主要有以下几点:(1)为蒸汽轮机提供轴封蒸汽;(2)为余热锅炉提供给水加热和除氧器除氧用蒸汽;(3)为余热锅炉的首次启动提供水压试验、酸洗、碱洗和吹管用加热蒸汽。

  3启动锅炉现状目前,国内大部分电厂都设置了启动锅炉。根据规程要求4,启动锅炉容量应满足第1台机组启动热力系统必需的蒸汽量,不包括蒸汽轮机冲转调试用汽量。不同配置联合循环机组启动蒸汽用量分别见表2和表3.通常,单轴联合循环机组启动锅炉容量为40t,由于发电机中置的单轴联合循环机组无需低压缸冷却用蒸汽,其启动锅炉容量一般仅约为10t而多轴联合循环机组的启动锅炉容量约表2某单轴F级联合循环机组启动蒸汽用量Table项目蒸汽参数压力/MPa温度/°C使用时段低压缸冷却用汽机组启停汽轮机轴封用汽启动及正常运行凝汽器热井除氧用汽启动及低负荷时合计表3某多轴F级联合循环机组启动蒸汽用量Table项目蒸汽参数压力/MPa温度/°C流量使用时段汽轮机轴封用汽>300(热态启动)<300(冷态启动)启动及正常运行余热锅炉除氧器用汽启动及低负荷时合计对于新建的联合循环电厂,启动锅炉通常选择燃气或燃油锅炉。设置启动锅炉的优点是压力低、出力小、系统简单、启动快,但缺点是使用时间短。

  大多数电厂将2台或多台机组之间辅助蒸汽联通,因此在电厂正式投入运行后,启动锅炉就很少再使用。据统计,由于启动锅炉在电厂第1台和第2台机组投人商业运行后,即停止使用,全部运行时间只有35年,且为间断运行。因此,国内许多装机在2台或2台以上的电厂启动锅炉长期停用或拆迁它用。而且,启动锅炉投资相对较大,初步估算1台20t/h燃气启动锅炉投资约为300万,其使用价值与投资不匹配。

  新建的联合循环电站如果不设置启动锅炉,则需考虑用余热锅炉自身产生的蒸汽来代替启动蒸汽。目前有一些小型火电机组采用这种方式,如国内某新建50MW燃煤机组,配置260t/h循环流化床锅炉,在无外来蒸汽的情况下实现了正常投产。

  4不设置启动锅炉的可行性分析联合循环机组启动时,燃气轮机首先启动,同时排气热量输入至余热锅炉,换热表面被加热,蒸汽开始在蒸发器中形成,系统中的压力也随即提高,在蒸汽品质达到汽轮机要求之前,余热锅炉所产生的蒸汽需要通过旁路进入凝汽器。因此,凝汽器需要建立真空,轴封蒸汽同时投入运行。

  对于发电机尾置的联合循环机组,如GE和MHI公司的产品,由于燃气轮机转动会带动蒸汽轮机转动,因此机组在整体启动之前必须为蒸汽轮机提供冷却用蒸汽和轴封用汽,必须设置启动锅炉供汽轮机叶片冷却和建立轴封系统。

  对于发电机中置的联合循环机组,如Siemens公司的产品,燃气轮机先启动而汽轮机后启动,可以考虑不设置启动锅炉,通过余热锅炉的蒸汽向汽轮机供应轴封用汽以及蒸汽轮机启动时的低压缸冷却用汽。

  对于多轴联合循环机组,蒸汽轮机与燃气轮机不同轴,也可以不设置启动锅炉。

  4.1对启动蒸汽的影响4.1.1轴封蒸汽联合循环机组可以利用余热锅炉冷态启动过程中逐渐产生的新蒸汽,通过专门设置的减温减压装置提供合适压力和温度的蒸汽,但这种方式存在以下问题:由于蒸汽轮机轴封蒸汽参数与高、中压缸轴封区转子金属表面温度差要求在允许范围内,而机组在启动过程中,燃气轮机负荷持续变化,余热锅炉的负荷也不断变化,所以蒸汽参数、蒸汽流量也在变化,如果靠设置减温减压装置为轴封提供蒸汽,将会增加系统运行操作和控制的复杂性。

  根据汽轮机启动需求,在余热锅炉的整个启动过程中,燃气轮机通常会保持进口导叶**小负荷状态,以等待蒸汽达到满足轴封要求的蒸汽品质。如果蒸汽品质和参数不能满足轴封用汽要求,燃气轮机则需要直等待,从而延长了机组的启动运行时间,增加了燃料消耗量。

  对不同型号燃气轮机,由于系统配置上的差异,蒸汽轮机轴封系统对启动蒸汽需求也不同。

  日本三菱公司的M701F燃气轮机设置了空气冷却器(丁CA),用于冷却燃气轮机。在燃气轮机启动前,TTCA要做好启动准备,由高压给水栗输出冷却水,冷却空气后回到凝汽器,所以凝汽器需要建立真空,同时蒸汽轮机也要建立轴封系统来保证缸体密封,因此燃气轮机启动和汽轮机轴封系统同时投入运行,采用余热锅炉自身所产生的蒸汽不能满足要求,所以对于M701F机组,必须设置启动锅炉。

  而对于Siemens联合循环机组,其燃气轮机均采用由压气机抽气冷却的方式,所以燃气轮机启动无冷却水向凝汽器回水,因此无需建立轴封,从蒸汽轮机轴封用汽角度考虑,可以由余热锅炉提供轴封蒸汽的方式。

  4.1.2余热锅炉加热和除氧用汽由于F级机组余热锅炉设备为一体式低压汽包和除氧器,凝结水进入除氧器后,再向中、高压给水泵提供给水。机组启动时,向低压汽包兼除氧器提供启动蒸汽,其目的为加热给水和除氧,缩短锅炉冷态启动时间,将水中的气体排出,降低给水含氧量,通常在机组启动时为了保证机组的启动速度和保护受热面,采用启动蒸汽进行加热。

  机组启动时,如果无外供蒸汽,利用余热锅炉自身产生的蒸汽提供给水加热和除氧用汽,会延长余热锅炉的启动时间。而且,由于机组启动时负荷波动,余热锅炉所产生的蒸汽如果不满足给水加热和除氧用汽的要求,余热锅炉的受热面就会面临腐蚀的危险。此外,在启动期间,燃气轮机不能频繁启停,要保持低负荷稳定运转。因此,增加了燃气轮机燃料消耗量,以及机组启动期间与电网调度协调的复杂性。

  4.1.3余热锅炉启动时的水压试验和清洗用汽一般锅炉制造、安装过程中,锅炉受热面管道内壁会形成高温氧化皮、腐蚀产物和积聚焊渣和泥沙等,为保持受热面内表面清洁,提高汽水品质,必须对新装锅炉进行清洗(酸洗和碱洗)。为了确保清洗效果,通常将清洗液加热到40140C,般采用启动蒸汽加热。所以,水压试验和清洗加热用汽对于第1次启动的余热锅炉是不可缺少的。

  设置启动锅炉时,燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机在调试过程中如果需要蒸汽均可由启动锅炉提供,即调试可分开进行,整体机组调试为并列关系;如果不设置启动锅炉,燃气轮机、余热锅炉、汽轮机必须均具备启动条件后,才可整体进行调试。所以,不设置启动锅炉会对机组整体的调试进度造成影响。

  4.2对机组启动的影响不设置启动锅炉,对机组冷态启动影响较大。

  从联合循环机组启动的过程看,从燃气轮机点火到余热锅炉可以提供蒸汽轮机所需要的辅助蒸汽的时间约40mm,考虑到蒸汽轮机真空的建立需15min,因此凝汽器真正建立真空,且具备除氧功能至少需要1h以上。在此期间,余热锅炉的给水含氧量会达到几千卩g/L,与机组正常运行中凝结水含氧量小于30ug/L、给水含氧量小于7ug/L的要求相差甚远,因此整个余热锅炉的受热面几乎全部暴露在高含氧量的气氛中,将严重影响其使用寿命。

  由于余热锅炉启动过程中蒸汽参数变化很快,因此需要综合考虑从余热锅炉至蒸汽轮机辅助蒸汽管道上的减温减压装置以及相应的控制系统。

  通常余热锅炉的排汽能力为5 %10%,如果不设置启动锅炉,在蒸汽轮机建立轴封系统之前,排汽不能进入凝汽器,必须通过排汽装置排放。如某联合循环机组在蒸汽通过旁路进入凝汽器之前**大参数约为:高压系统60t/h、4.5MPa、220C,再热系统90t/h、3.0MPa、230C,低压系统15t/h、0.2MPa、140C,这部分蒸汽需要通过排汽系统排放,因此排汽能力约为25%,远超过般的的排汽能力。所以,需要增大排汽管路容量,从而增加了投资。

  在温态启动和热态启动过程中,虽然启动较快,每次启动时余热锅炉暴露在高含氧量环境中的时间较短,但由于其启动的次数较多,且温度较高,因此对余热锅炉的腐蚀也不容忽视。

  5结论在F级联合循环机组常见的单轴和多轴配置中,发电机中置的单轴机组和多轴机组可以不设置启动锅炉,而发电机尾置的单轴机组必须设置启动锅炉。)根据机组系统配置特点,M701F机型所构成的多轴联合循环机组,需要设置启动锅炉;Siemens公司的SGT5-4000F和GE公司9F型的多轴联合循环机组可以不设置启动锅炉。

  (3)采用余热锅炉自身供应启动用汽的方式,会延长机组的启动时间,增加燃料消耗量以及机组启动期间与电网调度协调的复杂性,在定程度上影响了启动调试进度。)不设置启动锅炉,对机组的冷态启动影响较大。同时,由于联合循环机组的温态和热态启动次数相对较多,对余热锅炉的腐蚀也不容忽视。)燃气轮机电站与燃煤电站相比,其突出优势是机组启、停和负荷升降迅速,尤其是多轴配置的联合循环机组,尽管可以通过余热锅炉自身所产生的蒸汽作为启动蒸汽,但考虑到不设置启动锅炉的诸多不利因素,建议联合循环机组配置启动锅炉。

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