F级联合循环电站不设置启动锅炉的可行性分析

1、 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 庄摘要 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 级 联 合 循 环 机 组 不 设 置 启 动 锅 炉 的 可 行 性 。 结 果 表 明 ：在 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

2、置 的 单 轴 机 组 必 须 设 置 启 动 锅 炉 ；根 据机 组 系 统 配 置 特 点 ， 型 多 轴 联 合 循 环 机 组 ，需 要 设 置 启 动 锅 炉 ，西 门 子 公 司 和 公 司 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 。词联 合 循 环 机 组 ；

3、级 燃 气 轮 机 ；余 热 锅 炉 ；启 动 蒸 汽 ；启 动 锅 炉关 键中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号（） 编号 ，：， ， ， ， ； ， ：；作 者 简 介 ：马 悦 （），男 ，河 北 沧 州 人 ，硕 士 ，工 程 师 ，从事火力发电厂热机系统设计工作 。： 第 期马 悦 级联合循环电站不设置启动锅炉的可行性分析 级联合循环机组概况 大 型 联 合 循 环 机 组 在 我 国 应 用 广 泛。 在年 间 ，我 国 共 引 进 、 公 司 的 级 重 型 燃 气 轮 机余 套 ，共万 。目 前 ，除主 要 本体热部 件以及重要阀 门 必 须 依 靠 进 口

4、外 ，国 产 化 率 已 经 达 到 。 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 、公 司 进 行 合 作 ，引 进 其 级 机 组 技 术 ，在 国 内 市 场 应 用 广 泛 。 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 置种 布 置 方 式 （图 、图 ）。 多 轴 配 置 的 联 合 循 环 机 组 ，燃 气 轮 机

5、和 蒸 汽 轮 机 分 别 拖 动 发 电 机 运 行（图 ）。在 我 国 级 联 合 循 环 机 组 中 ，单 轴 和 多 轴 配 置 均 具 有 相 当 的 数 量 ，我 国 近 几 年 所 建 设 的部 分 级 联 合 循 环 机 组 概 况 见 表 。图 单轴联合循环机组 （发 电 机 尾 置 ） （）图 单轴联合循环机组 （发 电 机 中 置 ） （）启动蒸汽的作用 对 于 联 合 循 环 机 组 ，为了确保余热锅炉 、蒸 汽 轮 机 组 设 备 安 全以及满足工艺的 要 求 ，在 机 组 启 动 过 程 中 需 要 使 用 蒸 汽 ，不 同 配 置 的 机 组 启 动 蒸 汽 作

6、用 相 同 。图 多轴联合循环机组 表 部 分 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 山福 建 莆 田 上 海 漕 泾 国 华 余 姚一 拖 一 单 轴一 拖 一 单 轴 一 拖 一 单 轴 二 拖 一 多 轴 供 热配 置 离 合 器供 热配 置 离 合 器 供 热配 置 离 合 器 供 热 、在 建供 热 、在 建 供 热供 热 、在 建北 京 热 电 厂二 拖 一 多 轴 北 京 草 桥二 拖 一 多 轴 二 拖 一 多 轴一 拖 一 多 轴一 拖 一 单 轴 一 拖 一 单 轴 一 拖 一 多 轴 北 京

7、 高 井浙 江 绍 兴浙 江 萧 山 河 南 周 口 ： ：热 力发 电 年面 结露以及保证受热面的清洁 ，需 要 在 首 次 启 动 时 ，向 余热锅炉供给一定温度的 除 盐 水 用于 水压 试验和 清 洗 。单 轴 机 组单 轴 机 组 的 种 布 置 方 式 各 有 特 点，但 是 在 启 动 时 均 为 利 用 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

8、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

9、 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 多 轴 机 组多 轴 联 合 循 环 机 组 也 是 通 过 启 动 燃 气 轮 机

10、 。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 ：（） 为 蒸汽轮机提供轴封蒸汽 ；（）为 余 热 锅 炉 提 供 给 水 加 热和除氧器除氧用蒸汽 ；（）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 。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，启 动 锅 炉 容 量 应 满 足 第 台 机 组 启

11、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 和 表 。 通 常 ，单轴联合循环 机 组 启 动 锅 炉 容 量 为 ，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 ，而 多 轴 联 合 循 环 机 组 的 启 动 锅 炉 容 量 约 为 。表 某 单 轴 级联合循环机组启动蒸汽用量 蒸 汽 参 数项 目压 力温 度使 用 时 段流 量低压缸冷却用汽 汽轮机轴封用汽 凝汽器热井除氧用汽 合

12、计机 组 启 停启动及正常运行 启动及低负荷时 表 某 多 轴 级联合循环机组启动蒸汽用量 蒸 汽 参 数项 目压 力温 度流 量使 用 时 段（热 态 启 动 ）（冷 态 启 动 ）汽轮机轴封用汽 启动及正常运行 余热锅炉除氧器用汽 合 计启动及低负荷时 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 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 。

13、据 统 计，由 于 启 动 锅 炉 在 电 厂 第 台 和 第 台 机组投人商业运行后 ，即 停 止 使 用 ，全 部 运 行 时 间 只 有 年 ，且 为 间 断 运 行 。 因 此 ，国 内 许 多 装 机： ：第 期马 悦 级联合循环电站不设置启动锅炉的可行性分析 在 台 或 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 台 燃 气 启 动 锅 炉 投 资 约 为 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

14、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 燃 煤 机 组 ，配 置 循 环 流 化 床 锅 炉 ，在 无外来 蒸 汽的情况下实现了正常投产 。（图 ）。如 果 蒸 汽 品 质 和 参 数 不 能 满 足 轴 封 用 汽 要求 ，燃气轮机则需要一 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 。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

15、 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 （图 ），如 和 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

16、 和 建 立 轴 封 系 统 。对 于 发 电 机 中 置 的 联 合 循 环 机 组 （图 ），如 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 。图 某多轴联合循环机组启动曲线 （）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

17、 司 的 燃 气 轮 机设 置 了 空 气 冷 却 器 （），用 于 冷 却 燃 气 轮 机 。 在 燃 气 轮 机 启 动 前 ， 要 做 好 启 动 准 备 ，由 高 压 给 水 泵 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 机 组 ，必 须 设 置 启 动 锅 炉 。而

18、 对 于 公 司 的 和 型 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 。对 启 动 蒸 汽 的 影 响余 热 锅 炉 加 热 和 除 氧 用 汽轴 封 蒸 汽由 于 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

19、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

20、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

21、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 口导叶最小负荷 状 态 ，以 等 待 蒸 汽 达 到 满 足 轴 封 要 求 的 蒸 汽 品 质： ：热 力发 电 年停 ，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

22、与 电网调度协调的 复 杂 性 。因 此对余热锅炉的腐蚀也不 容 忽 视 。结论（）在 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 ， 机 型 所 构 成 的 多 轴 联 合 循 环 机 组 ，需 要 设 置 启 动 锅 炉 ；公 司 的 和 公 司 型 的 多 轴 联合循环机组可以不设置 启 动 锅 炉 。（）采用余热锅炉 自 身 供应 启动用汽的

23、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 一 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

24、 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 。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

25、 热 到 ，一 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 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。

26、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 ，考 虑 到 蒸 汽 轮 机 真 空 的 建 立 需 ，因 此 凝 汽 器 真 正 建 立 真 空 ，且 具 备 除 氧 功 能 至 少 需 要 以 上 。 在 此 期 间 ，余 热 锅 炉 的 给 水 含氧 量 会 达 到 几 千 ，与机组 正常运行中凝结 水 含氧 量 小 于 、给 水 含 氧 量 小 于 的 要 求相 差 甚 远，因 此 整 个 余 热 锅 炉 的 受

27、 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 ，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最 大 参 数 约 为 ：高 压 系 统 、 、 ，再热 系 统 、

28、 、 ，低 压 系 统 、 、 ，这 部 分 蒸 汽 需 要 通 过 排 汽 系 统 排 放，因此排汽能力 约 为 ，远 超 过 一 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 ，参 考 文 献王 铭 忠 天 然气能源与天然气 联 合 循 环 发 电 热 力 发 电 ，（）： ，（）：周 支 柱 大 功率发电用燃气轮 机 的 发 展 概 况 发 电 设 备 ，（）： ，（）：何 语 平 大型天然气联合循环电厂机组的轴系 配 置中 国 电 力 ，（）： ，（）： ，大 中型火力发电厂设计规范 北京 ：中国计划出版社 ， ， ：，（下 转 第 页）： ：第 期赵 志 丹 等 循环流化床机组模拟量控制系统优化 赵 志 丹 ，赵 毅 ，张 长 志 ，等 北联电蒙西发电厂 循 环 流 化 床 号 机 组 调 试 报 告 西 安 ：西 安 热 工 研 究 院 ， ， ，