600MW超临界火力发电机组 冷态启动成本与控制浅析
田永昌 任 磊
开封京源发电有限责任公司 二〇一〇年五月二十三日
摘 要
本文从火力发电厂的角度出发，以河南省某600MW超临界火力发电机组的冷态启动为例，通过对机组典型启动过程分析，研究在当前煤炭市场和电力市场环境下火力发电机组的冷态启动成本。通过对机组启动过程中的各项成本分析，以及控制成本的几项有效措施的介绍，提醒发电企业的经营者做好机组启动过程中成本控制的重要性。
关键词：火力发电机组 冷态启动 成本分析控制
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ABSTRACT
This article, taking cold start-up of one 600mw ultra-supercritical coal-fired power plant from Henan Province as a sample, by meaning of analysing of typical starting-up process, studies the cold starting-up cost of coal-fired power units in the current electricity market.By analyzing all the cost in the starting up and introducing several effective ways of cost controlling, This artice reminds the operators of power plants to recognize the importance of cost controlling in units starting-up.
Key words: Fire Power Units, cold starting-up, cost controlling
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在中国的电力行业处于垄断地位时期，发电厂只是电力系统的一个生产车间，大家只是关心机组的长期安全运行，不必考虑成本及效益，更不会关心机组的启动成本，这样使机组启动成本的研究成为了一项少人问津的课题。2002年以来，随着电力改革的推进，厂网分家以后，发电企业由原来的一个发电车间变成了自主经营、自负盈亏的独立经济实体。在煤炭、石油等不可再生能源价格飙升，以及目前发电装机容量较为富裕的电力市场环境下，发电企业面临的竞争日益激烈，如何以最低的发电成本获得最大的效益是每个发电企业追求的目标。由于煤炭等能源价格和售电单价发电企业不能掌控，那么如何降低可控成本就成了发电企业最为关注的问题，发电企业可控成本一方面是降低机组正常运行中的成本，另一方面就是要降低机组启动费用。而如何安全、经济地完成每一次发电机组整套启动，控制好每一次的机组启动费用，是各发电企业一直在研究的课题。
机组从全面停运状态到有一定功率输出的状态需要经过锅炉点火、汽轮机冲转、发电机并网等几个主要的过程。这个过程需要比机组正常运行时消耗更多的人力和物力，从而使机组的启动不可避免的形成一种显性成本，与启动时间内的隐性固定成本合称为启动
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成本。600MW火力发电机组冷态启动变动成本主要受燃料费用、外购电力费用以及启动时间的长短等因素决定。
一、火电厂机组启动方式及过程 1、汽轮机组启动过程
各种类型的火电机组的启动过程都包括以下三个阶段 （1）锅炉点火到冲动转子; （2）冲动转子到机组并网； （3）暖机加负荷。
对于处于不同状态，采用不同启动方式的机组，这几个阶段的时间长短有所不同，整个启动成本也就不同，我们以机组全冷态且采取中压缸启动模式为例进行分析探讨。
600MW超临界火电机组配套的直流锅炉需要在点火前对炉管进行冷态冲洗，锅炉点火后还要进行热态冲洗。从锅炉点火到机组冲转大约需要2.5小时，此时锅炉的蒸汽压力和温度具备汽轮机条件，打开中压调速汽门冲转转子（中压缸启动），转速达到200转/分钟时，进行摩擦检查，正常后继续升速，当汽轮机转速达到1500转/分钟时，进行中速检查、暖机，暖机结束后，开大汽门以100转/分钟速率升速，机转速3000转/分钟时，机组进行全面的检查，一切正常后，可进行机组并网。并网后，机组带5%的初始负荷暖机30分钟，锅炉调整燃料量及高低压旁路开度达到要求后，进行高压缸切换，切缸结束后负荷大约120MW，此时进行低负荷暖机，以
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稳定高压缸温度，暖机后，控制升负荷率3MW/分钟，开始逐渐升负荷，当负荷达到300MW时，再控制升负荷率6MW/分钟，直到升满负荷，每当加到一定负荷后，进行一定时间的暖机。整个启动过程大约需要8.2个小时。（本文未考虑长期停机影响，长期停机启动点火到机组冲转大约需要6小时，整个启动过程大约需12个小时）
图2-1 600MW机组冷态启动曲线
2、汽轮机组启动方式
汽轮机的启动应在合理的寿命损耗范围内平稳升速带负荷,防止发生胀差超限、缸体温差超限、动静部分摩擦、轴系振动等异常
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情况,在不出现危及主机安全及辅助设备和热控装置异常运行的情况下,尽量缩短启动时间,减少启动消耗,以取得最佳的安全与经济效益。传统的高、中压缸联合启动方式由于在启动阶段高压缸排汽温度低,再热蒸汽温度低,中压缸及中压转子的温升速度慢,汽缸膨胀迟缓,甚至有可能出现中压缸转子温度尚未超过金属的脆性转变温度时汽轮机转速已定,因而限制了启动速度。中压缸启动能够较好地满足上述要求,中压缸启动是指具有一次中间再热的大容量高参数凝汽式汽轮发电机组,启动时高压缸不进汽或只进少量汽,用中压调节汽门进汽冲转,待机组带一定负荷后,再切换到常规高中压联合进汽方式继续带负荷,直至满负荷。
3、机组启动要考虑的三个主要因素
（1）机组不能频繁启停。机组的启停要由锅炉和汽机的启停来实现。一般讲，锅炉的频繁启停会引起炉管的损坏，而汽机的频繁启停又会因机轴冷热不均匀而导致机轴弯曲等问题。因此，在确定与机组启停的有关问题时要加入相应的技术限制条件，即要求机组停机和运行要分别满足最小停机时间和最小运行时间的要求，而不能频繁启停。
（2）负荷增长速度的限制。增加发电机有功负荷的速度，主要是根据汽轮机的要求来决定的。增长得太快，锅炉蒸汽来不及供应，引起汽压及汽温下降，下降过甚时，使蒸汽中带有水分，水滴进入汽轮机容易使汽轮机发生水冲击，损坏叶片。有功负荷加得太快，
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使进入汽轮机的蒸汽量突然大量增加，汽轮机内部受热不均，各部分的膨胀不能一致，因而引起额外震动。另外，进入汽轮机内的蒸汽突然大量增加，在凝汽器内，使循环水来不及冷却汽轮机所排出的乏汽，因而引起汽轮机的真空下降。因此，机组启停和运行应当满足爬坡限制的要求。
（3）机组停机后再启动时要额外消耗一定的燃料，称为启动耗量。机组的启动耗量包括两个部分，即汽轮机和锅炉启动所需的耗煤量。汽机的启动煤耗主要用来暖管，克服转子的机械磨擦和建立转子机械转能量。由于汽机的热容量很小，故可假定汽机启动的耗煤量与停机时间长短无关而为一个常数。但是锅炉的情况则不一样。由于锅炉的热容量很大，从锅炉点火开始，然后产生蒸汽，给锅炉通汽加温，加压，一直到锅炉各个部分加热到稳定状态为止，要消耗相当的煤量。根据统计，在锅炉冷却后重新开始启动所需煤量可达到全负荷下两小时的耗煤量，甚至还要多一些。当运行着的机组停机后又启动时，启动所消耗的煤量随停机的持续时间而变化。
二、机组启动成本分析
机组的启动成本与机组的容量、机组启机效率、机组性能等多种因素有关系，不易用一个统一的标准对其进行规范。火力发电机组的启动成本主要由变动成本和固定成本构成。变动成本包括机组启动过程中消耗的燃料费用（包括燃油）、消耗的厂用费用、无盐水费用、给水加热及汽封汽耗等。固定成本指机组启动过程无形中所
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发生的员工工资、财务费用、折旧费等需要分摊的固定费用。
1、启动过程式中消耗的燃料费用 汽轮机组启动所消耗的燃料费用： F1=Ff×Cf1+Fm×Cf2
其中，F1—机组启动消耗的燃料费用（元） Ff—启动燃油量（吨） Fm—启动耗标准煤量（吨） Cf1—燃料油单价（元/吨） Cf2—标煤单价（元/吨）
2、厂用电费用 F2= ∫T0P(t) ×Ce×η×dt
其中，F2—机组启动过程消耗的厂用电费用（元） P(t)—机组启动过程中负荷出力（MW） Ce—电价（元/KWH） η—厂用电率（%） T—启动耗时（h）
3、无盐水费用
600MW火力发电机组配套直流锅炉水冷壁管径较细，对炉水水质要求较高，机组启动过程中要用无盐水对锅炉分别进行冷态和
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热态冲洗排污，因耗水量较大，纳入变动成本分析。按照冷态、热态冲洗分别两小时计算，无盐水水价按照5元/吨计算，则启动耗水费用：
F3= S×Cs
其中，F1—机组启动消耗的无盐水费用（元） S—机组启动消耗的无盐水量（吨）
Cs—无盐水价格（元/吨）
4、机组固定成本
以全年材料费1200万元，工资总额4000万元，折旧费用12500万元，修理费用2000万元，委托运行费1500万元，其他费用2400万元，财务费用8700万元测算，机组运行每小时固定成本如下表：
F4=包含以下费用
附表 600MW机组运行每小时固定成本表
项 目 材料费(固定部分） 职工薪酬 折 旧 修 理 费 委托运行费 其他费用 财务费用 固定成本合计 单 位 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 万元 预算数 0.14 0.46 1.43 0.23 0.17 0.27 0.99 3.69
以河南省某600MW机组为例，该机组单位时间内固定成本为
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3.78万元/小时。其中前5小时机组带负荷情况近似于0，后3.2小时逐步升负荷至600MW,可以认为启动全过程8.2小时中有6.5小时固定成本进入启动费用。
5、汽耗成本
因机组启动过程中需要给水加热及汽封用汽，所以具有启动汽耗成本。若机组启动多用临炉蒸汽，耗用量可忽略；若多用启动锅炉供汽，则应增加启动锅炉耗用成本。
F5= Y×Cy
其中，F5—机组启动中汽耗成本（元） Y—机组启动锅炉消耗的燃油量（吨）
Cy—启动锅炉消耗的单位价格（元/吨）
综上所述，600MW火力发电机组的冷态启动总费用为：
F= F1 +F2 +F3 +F4+F5
本文以河南某600MW机组的一次冷态启动成本做了实例计算，计算结果如表所示。
附表 600MW冷态启动成本计算表
基本参数 电价 单位 元/KWH 标煤单价 元/吨 800 耗标煤量 数值 0.48 项目名称 厂用电量 单位 KWH 吨 数值 100000 400 耗煤费用 32 计算结果 厂用电费用 单位（万元） 4.8 10
燃油价格 水价 时间 元/吨 元/吨 H 5500 5 6.5 燃油量 水耗 固定成本 吨 吨 万元 60 1000 3.69 燃油费用 耗水费用 固定费用 共计 33 0.5 23.98 94.28 启动时长（从锅炉点火到机组满负荷的时间）：按8.2小时计
从表中数据可以看出600MW机组冷态启动一次的费用高达125.12万元。当然，不同机组在启动过程中消耗的燃料油量和厂用电量差别很大，机组的启动成本与机组容量相关，大容量的机组启动费高，但是并不与容量成正比，还与机组启机效率有直接关系。随着煤价、油价的不断上涨，以及单机容量的不断增长，机组启动成本的比例也逐年增加，所以必须严格、精确的核算机组的启动成本，并且建立启动成本的数据查询库，以利于日后对启动成本的比较研究，有效降低启动成本。
三、控制机组启动成本的措施
因机组启动成本中的工资总额、折旧费用、修理费用、财务费用等固定成本不能随意改变，所以控制600MW火力发电机组的冷态启动成本主要是控制燃料费用、外购电力费用以及启动时间等因素。
1、若相临机组在运行状态，则启动机组给水加热、汽封等汽源倒为相临机组供，不要轻易使用启动锅炉。
2、机组上水前除氧器水位保持2000mm，开启辅汽至除氧器
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加热进汽门，调整水温在70-100℃。锅炉上水时要控制上水速度在60～150ｔ/ｈ（冬季上水时间控制在≮2h、夏季控制在≮1.5h），防止上水过快除氧器加热跟不上，利用给水问题提高炉膛温度。
3、若启动机组辅住用汽由相临机组供，则机组启动时用汽动给水泵上水，减少启动变压器耗电量，减少购入电力费用。
4、机组启动前，合理调整煤仓煤种，将下层煤仓上挥发份高的煤种，中层煤仓上发热量高的煤，便于有效投入下层少油燃烧器，同时合理配烧，减少燃油耗用。
5、用下层少油点火系统对锅炉进行点火启动，避免使用启动油枪。
6、锅炉吹扫后，立即启动一次风机、密封风机，维持较低的总风量（700——800 t/h），避免过多风量将炉内热量带走。
7、锅炉点火初期，尽量提高投运磨煤机出口风粉混合物温度，将一次风及送风热风再循环打开，尽量提高空预器出口热风温度，待空预器出口一次风温达170--190℃，及时退出风道燃烧器运行，并将该燃烧器进油角阀关闭，检查无漏油情况。
8、锅炉启动初期，保持较低给水流量（380—390 t/h），避免湿态下燃烧释放的热量过多的被炉水带回凝汽器而散失浪费。当炉膛温度逐步升高，锅炉主汽压力开始起压时，此时增加启动流量至410 t/h。
9、1500rpm中速暖机结束要达到如下条件：⑴高压调节级温度＞320℃。⑵中压缸进汽处内壁温度＞320℃。中压缸排汽处内壁
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温度＞240℃。⑶高中压缸膨胀＞8mm。避免暖机不充分影响后期带负荷，及退油。
10、机组并网带初始负荷暖机30分钟后，确认机组旁路控制在自动方式，及时进行中压缸启动的高缸切换操作，保持机组稳定。
11、机组负荷120MW时，确认高、低旁控制阀逐渐关闭至全关。在高旁阀完全关闭后，高中压缸切换“升负荷”程序结束机组运行稳定后，立即将厂用电切换由本机带，停运启动变压器。
12、锅炉启动过程中冷、热态冲洗期间，化学值班员加强取 样化验分离器储水罐水质，当水质合格时立即回收。
以上只是降低600MW火力发电机组启动成本的几点建议，提高大机组的设备健康水平，策划好启动程序，做好各节点衔接，才是降低启动成本的关键，才是保证机组长周期安全经济运行的关键。发电企业真正实现从生产型向经营型的转变，才是提高企业经济效益的根本方法。展望未来，国际、国内经济形式及电力市场都将会发生巨大的变化，我们只要保持清醒的头脑、高度的注意力，按照“科学决策、审慎经营、把握市场、发挥优势”的要求，将发电企业的生产、经营紧密结合起来，相信一定会促进企业利益最大化目标的实现。
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