王维萌 宋亚军 吴 昕 司派友

（国网冀北电力有限公司电力科学研究院（华北电力科学研究院有限责任公司））

北京市四大燃气热电中心均选用燃气-蒸汽联合循环供热机组，其典型一拖一模式包括1 台燃气轮机发电系统及其附属余热锅炉和1 台蒸汽轮机发电系统；典型二拖一模式则多出1 台燃气轮机及其附属余热锅炉［1～8］。为满足热电联产需求，联合循环供热机组蒸汽轮机的汽水系统在中低压缸联通管上设置了抽汽管道与热网相联；同时，为了实现供热工况的灵活可调，相比于常规燃煤机组汽轮机轴系，联合循环供热机组蒸汽轮机通过将发电机前置并在中压与低压转子之间设置SSS 离合器，实现了低压转子与整体轴系的在线降速脱离与升速并入功能［9～11］。 笔者主要介绍三菱F4 级燃气-蒸汽联合循环供热机组不同供热模式的切换方法，为后续同类型机组供热季的安全稳定运行提供技术支撑和保障。

1 机组概况

某电厂采用一套三菱F4 级燃气-蒸汽联合循环供热机组，形式为二拖一，分三轴布置。 该机组主要为调峰运行，也可带基本负荷运行。 运行工况分为纯凝、抽凝供热和背压供热3 种（图1），可分别满足较大供电、部分供热和较大供热的不同功能需求。

图1 3 种运行工况

在非采暖季， 汽轮机以纯凝模式 （图1a）运行，高中低压转子同轴运行，中低压缸联通管处无抽汽供热；在采暖季，供热与电负荷的关系为以热定电，汽轮机采用抽凝与背压两种供热模式切换运行［12，13］：

a. 当采暖季外界环境温度较高时，在满足低压缸最小进汽量的前提下，若汽轮机最大供热抽汽量匹配热网负荷要求，则机组保持抽凝供热模式（图1b）运行，此时高中低压转子仍保持同轴运行，中低压缸联通管处有抽汽供热；

b. 当采暖季外界环境温度较低时，汽轮机最大供热抽汽量不能满足对外供热需求，则机组切换为背压供热模式（图1c）运行，此时通过操作SSS 离合器脱扣使低压转子在线降速最终脱离轴系，同时通过关闭中低压缸联通管蝶阀使原进入汽轮机低压缸用于发电的蒸汽，全部进入热网加热器供热，减少发电用蒸汽量，增加供热用蒸汽量。

在抽凝和背压供热时，还可利用安装在给水省煤器下游的热网节能换热器充分吸收来自余热锅炉的烟气，为热网提供辅助热源。 在事故工况下，还可采用将汽轮机全切的方式使炉侧高中低压蒸汽通过旁路进入热网加热器，保证热负荷稳定。

2 动态切换前的准备工作

为了保证动态切换过程安全稳定进行，作为切换操作的核心部件，首先要确保SSS 离合器正常运行。 因此在动态切换前，应对SSS 离合器的啮合、脱开、锁定和解锁功能是否完善可靠进行验证调试，上述调试工作需在SSS 离合器相关的机务或热控检修工作完成后进行， 保证静态下SSS 离合器啮合/脱开工作正常、指示正确；锁定、解锁工作正常、指示正确；相关测量装置工作正常。 其次，还要做好其他准备工作。

2.1 SSS 离合器静态调试

SSS 离合器静态调试具体步骤如下：

a. SSS 离合器静态调试前，确定离合器安装或检修工作结束，处于原始啮合状态。 检查盘车系统、润滑油系统调试完毕，可投入使用，顶轴高度已调节完毕（无顶轴油系统可略去此步），轴系已具备转动条件。 检测热工测量装置测试整定完毕，可以正常投用。 具备上述条件后，开始进行静态功能调试。

b. 锁止装置调试。在离合器处于原始啮合状态、锁止状态时，远方发出离合器解锁指令，现场确认伺服机构动作， 带动锁止环移动至解锁位，并确认远方收到解锁反馈。 然后远方发出锁定指令，现场确认伺服机构动作，带动锁止环移动到锁定位，确认远方收到锁定反馈，此步结束。 此步骤目的是确保锁止机构运动无卡涩，静态调试期间能够正常锁定从动件与中间件；检查伺服机构限位开关是否正常，远方锁定与解锁的指令和反馈是否正常。

c. 远方发出解锁指令，锁止装置处于解锁状态。 此时盘动高中压转子，由于高中压转子转速大于低压转子转速，因此离合器应该脱开。 现场确认低压转子转速低于高中压转子，则表示离合器已经脱开， 远方确认离合器脱开反馈是否正常。 离合器脱开后，继续盘动高中压转子，低压转子转速仍然低于高中压转子，处于随动状态（注：由于此时高中压转子速度太低，低压转子几乎处于静止状态）。 停止盘动高中压转子，则轴系慢慢惰走至静止。 此步骤目的是确认离合器脱开功能正常， 在高中压转子转速大于低压转子转速时，能够自动脱开。

d. 重新启动盘车，盘动低压转子，由于低压转子速度高于高中压转子， 离合器开始啮合，现场确认高中压转子与低压转子同转速转动，代表已经啮合成功，确认远方离合器啮合反馈是否正常。 啮合后，高中压转子与低压转子同转速转动时，远方发指令将离合器锁定。 锁定后，停盘车，轴系慢慢惰走至静止。 此步骤目的是确认离合器的啮合功能正常，低压转子转速大于高中压转子转速时，离合器能够自动啮合。

e. 锁止装置处于锁止状态， 盘动高中压转子，由于锁止环的作用，低压转子和高中压转子一起动作。 停止盘动高中压转子，轴系惰走至零转速。 此步骤目的是确认在锁止状态，力矩仍能够从从动件传递至主动件。

f. 锁止装置处于锁止状态，盘动低压转子，则由于锁止环的作用，高中压转子随低压转子一起动作，并且没有转速差。 此步骤的目的是最终确认啮合与锁止功能同时运转正常。

2.2 准备工作

热工专业需检查DEH、TCS 和DCS 系统中涉及抽凝-背压切换的全部监控测点、 远方控制装置、灯光音响报警信号、事故按钮、联锁、保护、顺控功能逻辑已完成模拟和传动试验，且各项定值整定正确；检查汽轮机、燃汽轮机、余热锅炉主保护、大联锁逻辑正确投入、确认切换过程应退出的保护和联锁已强制。

机务专业需掌握最新且完整的 “二拖一”机组热力系统设计数据，用于动态切换过程监视核对系统运行状态；检查汽轮机阀门活动性试验已完成，重点检查MESV、MECV 和ELCV 的活动性试验数据，确保开关功能正常；检查备用润滑油泵、备用真空泵和顶轴油泵（无顶轴油系统可略去此步）启停试验已完成；检查燃汽轮机、汽轮机、余热锅炉、热网和各辅助系统均处于稳定状态且运行良好， 无影响切换过程进行的设备缺陷， 且热网系统和凝结水系统要具备调节余量，确保凝泵前置泵、凝泵和循环水泵有可靠备用。

网调、 热调部门已批准供热模式动态切换，AGC 控制、负荷协调模式切除，机组电负荷和热负荷均可自行及时调整满足切换设计需求。

3 抽凝-背压动态切换

3.1 系统调整确认

系统调整时，首先需要保证机组在相应工况下运行， 如表1 中典型二拖一机组额定工况所示，参考75%最大抽凝工况来设定，则工况切换时联合循环总发电量定为650 MW 左右，以满足抽凝转背压时汽轮机电负荷应不低于70 MW 这一条件，同时又不会因汽轮机电负荷过高导致切换时对热网产生较大影响。 另外，在TCS 界面还要检查并满足HPCV、IPCV 和LPCV 处于压力控制模式、ELCV 处于手动控制、MECV 处于中压缸排汽压力控制模式（简称中排压控模式）等启动允许逻辑条件。

表1 典型二拖一机组额定工况满负荷参数

其次，增加热网热量，逐步关闭MECV。 在TCS 画面， 通过DEH 操作设定， 手动缓慢增大ELCV 开度，逐渐增加热网侧抽汽量。 此时，中排压控模式为了保证中排压比处于安全控制范围内会自动逐步关小MECV 开度。关闭过程中既要时刻注意中排压力和中排压比的变化，还要密切适时配合调整热网系统参数。

然后，调整机组至最大抽凝工况。 继续手动增加ELCV 开度， 使MECV 关闭到最小开度，约9%（此开度可在前期通过试验方法获得， 具体操作方法是在抽凝工况下保持两台燃汽轮机负荷不变，解除MECV 最小开度限制，手动缓慢开大ELCV 使MECV 在中排压力控制下自动逐步关小，直至低压缸末级静叶持环或低压缸排汽温度在不投低压缸喷水的前提下有上升趋势）， 并触发锁死逻辑，使MECV 保持该开度不变进而保证低压缸最小通流量防止鼓风效应产生。 这时汽轮机已处于对应负荷下的最大抽凝工况，记录汽轮机本体和热网系统各参数。

上述操作过程中，在注意监视中压缸排汽压力和中压缸压比变化的同时，还要注意监视热网汽侧的扰动，如热网加热器水位波动等。 为使中排压控模式能够全程自动调整汽轮机中压缸压比在6.0～6.5 的合适区间内平稳变化并且使热网汽侧扰动达到最小，要求对于ELCV 的手动操作一定要平缓。 对于热网循环水侧，为防止热网循泵入口压力过低、热网出水温度过高，还应适时调整热网循环水流量。 各热网加热器的进汽电动门可保持全开，可单独采用ELCV 对热网汽侧进行截流。 若有特殊情况，也可配合ELCV 的开度采用各热网加热器进汽电动门进行二次截流。

切换操作前再次调整热网侧参数。 机组达到最大抽凝工况后，为容纳由抽凝切换至背压时瞬间进入热网系统的增量蒸汽，要提前调整热网系统运行参数。 理想方式为增加热网循环水流量，以降低热网循环水出水温度（调节流量时要注意热网循泵入口压力不可过低以致触发汽蚀）。 以某F4 型二拖一机组为例， 热网系统参数可做如下调整：热网循泵3～4 台运行，增加热网循环水流量至8 200 t/h（共4 台热网循泵，单台额定流量3 585 t/h）；热网供水温度调整至约90～95 ℃；将热网加热器调整为4 台运行（共4 台），并且校对4 台热网加热器远方与就地水位显示一致，控制各热网加热器水位为正常值。

最后，切换操作前调整凝结水系统参数。 检查确认凝泵前置泵再循环手动门全开、调阀已送电并在远方控制方式； 检查确认凝汽器水位正常；保证至少两台前置泵运转，另一台投备。 前置泵再循环调阀开至80%以上开度，调整前置泵出口母管调阀至一合适开度或调节前置泵变频器至合适频率并保持手动可调状态，同时派专人随时准备操作。

另外，检查汽轮机本体运行参数，确认各瓦处转子振动、瓦温、各瓦回油温度、缸胀、胀差、轴位移及SSS 离合器两侧轴承不对中度等参数稳定无异常；汽轮机控制系统无异常报警。

3.2 切换操作步骤

切换操作步骤如下：

a. 在抽凝至背压模式切换过程中，ELCV 自动投入之前，中排压力会升高、中排压比降低，故当MECV 达到最小开度限制后，需继续手动打开ELCV， 从而使中排压力稍低于正常运行控制设定值以便后续切除低压缸时中排压比易于调节在安全范围内。 但ELCV 不可开度过大，否则中排压力将难以维持稳定并影响低压缸最小通流量造成鼓风效应。

b. 在TCS 界面检查并确认抽凝切换至背压工况 （即低压缸切除） 启动允许条件已满足，在DCS 上选择“模式一”（即背压模式）并在TCS 界面进行切换操作。

c. 远方操作SSS 离合器油压开关，使SSS 离合器锁定按钮处于解锁位。

d. 当SSS 离合器解锁后， 远方操作将ELCV由手动控制模式切换为自动控制模式，并设为自动跟踪中压缸排汽压力的变化， 即投入中排压控模式。

e. 当ELCV 投入中排压控后， 远方操作MECV 退出中排压控模式， 并按一定速率关闭，关闭速率可设定为每分钟5%。

f. 当MECV 全关后，延时1 min 关闭MESV，当MESV 全关后，抽凝转背压过程结束，低压缸进入惰走阶段。

3.3 切换及惰走过程注意事项

切换及惰走过程注意事项如下：

a. 切换操作在关闭MECV 过程中，会导致中排压力上升，这时要注意观测ELCV 在中排压控模式下是否能将中排压比控制在正常范围内。 切换全程均要预判中排压力和中排压比的变化趋势，若MECV 或ELCV 无法自动调节中排压力和压比时，需立即停止切换操作。

b. 切换全程严密监视热网加热器运行参数。检查热网加热器水位变化趋势，必要时手动干预调整， 防止加热器水位波动过大造成加热器解列。 监视热网疏水泵运行参数变化趋势，当发生疏水泵出口压力小于前置泵使加热器水位升高等异常情况，需迅速减小前置泵出口母管调阀开度并调整前置泵再循环调阀开度。 监视热网供水温度上升趋势， 稳定后温度应小于120 ℃（温升约10 ℃）。

c. 切换全程严密监视凝汽器水位变化，手动调整前置泵再循环调阀、出口母管调阀或变频器频率以控制凝汽器维持在正常水位。 若工况稳定， 将上述调阀和变频器全部投入自动控制方式，并及时调整前置泵组投运数量，保证时刻有一台前置泵运行，另两台投备。 若凝汽器水位快速下降， 及时调整凝汽器补水阀开度控制水位。总之，要保证切除低压缸的过程中对各系统扰动达到最小。

d. MECV 全关后， 低压缸转子进入惰走状态。 检查转子转速是否持续下降，直至达到随动转速（约300 r/min）后保持稳定。 若有顶轴油系统，还需检查低压转子惰走至联启转速时，顶轴油泵是否动作，若未启动需快速手启。

e. 转子惰走期间， 全面记录汽轮机本体参数， 尤其是低压缸和SSS 离合器相关各瓦振动、温度、回油温度、SSS 离合器两侧轴承不对中度以及低压缸缸胀、胀差、轴位移、偏心、排汽温度、末级静叶持环温度、真空、汽轮机润滑油压力和低压缸顶轴油压随转子惰走的变化趋势。

f. 监视低压缸转子转速的变化趋势。 当MESV 全关后， 若在规定的较短时间内低压转子转速未下降到设定值，则无论是因为SSS 离合器未完全脱开还是因为MESV 和MECV 不严大量漏汽，均需在TCS 内部直接强制快速全开MESV， 并将MECV 恢复到最大抽凝工况下对应的最小开度，同时适当增加汽轮机负荷使机组重新转回抽凝模式。 记录转子最终稳定时的随动转速，若随动转速过低或过高，应严密监视低压缸和SSS 离合器的相关参数，必要时手动打闸。若随动转速小于50 r/min，汽轮机应直接手动打闸保护SSS 离合器；若随动转速大于500 r/min， 则还需视现场情况而定， 若因SSS 离合器处仍未完全脱开发生打齿则应打闸；若因MESV 和MECV 不严少量漏汽，则还需综合考虑低压缸末级静叶持环或低压缸排汽温度在不投低压缸喷水前提下的温升情况和切换整体进行情况，确定是否重新转回抽凝模式。 若50 r/min＜随动转速＜300 r/min 还应及时调整盘车电机联锁启动的转速设定（原设定300 r/min）。

3.4 背压工况负荷变动

待联合循环机组在背压工况下稳定运行后，根据热力系统设计数据（表2）在DCS 协调控制画面内逐渐改变机组负荷，负荷调整幅度可根据情况从10 MW 逐渐增加， 观察和记录变动过程中机组和热网各项运行参数。

表2 动态切换负荷安排

4 背压-抽凝动态切换

4.1 系统调整确认

首先，注意调整凝泵前置泵运行方式，必要时启动第2 台前置泵，防止低压缸进汽后造成凝汽器水位超限；其次，注意调整循环水泵运行方式，切换前启动第2 台循环水泵，防止低压缸进汽量增大凝汽器真空无法维持；再次，切换过程中若真空急剧下降无法维持，应随时准备启动第2 台真空泵；最后，在TCS 界面中，背压切换至抽凝的启动允许需同时满足下述条件：

a. 低压转子转速小于300 r/min，即处于随动转速， 则逻辑判断机组运行状态已进入背压模式；

b. 抽凝转背压流程全部完毕， 包括MESV、MECV 全关且ELCV 投入压控等；

c. SSS 离合器两侧轴承不对中度在+0.25～-0.15 mm 之间；

d. 低压转子偏心小于50 μm；

e. 联通管疏水阀全开。

为满足以上条件，除在切换前检查确认b、c、d 各项条件是否满足外，还需在DCS 界面手动打开联通管道相关疏水阀并确定TCS 系统接收到其全开反馈信号，并等待疏水管道温度达到要求从而完成疏水操作。 同时，若低压转子随动转速大于300 r/min，则还需在TCS 逻辑中对背压模式的低压转子转速判断定值进行修改以满足该条件。

4.2 切换操作步骤

切换操作步骤如下：

a. 在TCS 界面检查确认背压切换至抽凝（即低压缸冲转）的启动允许条件已满足，在DCS 上选择“模式三”（即抽凝模式）并在TCS 界面进行切换操作；

b. 远方打开MESV 阀；

c. 当MESV 全开后，远方操作使MECV 投入转速控制模式， 这时MECV 阀位逐渐自动增加，使低压缸进汽冲转，且低压转子目标转速直接设为3 000 r/min，不需中停暖机操作。 低压转子升速过程中其升速率最大不超过每分钟300 r/min。此时ELCV 仍处于中排压控模式下；

d. 当低压转子转速与高中压转子转速偏差达到±3 r/min 以内时， 延时5 s， 远方操作锁定SSS 离合器；

e. 当SSS 离合器锁定后，远方操作使MECV由转速控制转为中排压控；

f. 当SSS 离合器锁定且MECV 处于中排压控全部完成后，远方操作使ELCV 由中排压控转为手动控制。这时手动关小ELCV，则MECV 在中排压控作用下开至最大抽凝工况下对应的最小开度（9%）以上，具备调节功能；

g. 最后手动关闭相关联通管疏水阀。

4.3 低压缸冲转过程注意事项

低压缸冲转过程注意事项如下：

a. 在低压缸冲转过程中要时刻监视汽轮机轴系振动情况，特别监视低压转子转速升至临界转速区（800～1 500 r/min）时低压缸和SSS 离合器的振动情况；

b. 若有顶轴油系统，检查低压转子升速至联停转速时，顶轴油泵是否动作；

c. 在低压缸冲转过程中应全面监视并记录汽轮机本体参数，尤其是低压缸和SSS 离合器相关各瓦振动、温度、回油温度、SSS 离合器两侧轴承不对中度以及低压缸缸胀、 胀差、 轴位移、偏心、排汽温度、末级静叶持环温度、真空、汽轮机润滑油压力和低压缸顶轴油压伴随低压转子转速上升的变化趋势；

d. 低压缸冲转过程中， 应保持热网负荷稳定，保持中排压力和中排压比稳定。 因此需密切监视中排压力和中排压比随低压转子转速上升的变化趋势。 在MECV 为转速自动控制时，程控系统会根据参数变化通过中排压控调整ELCV开度，保持中排压力和中排压比稳定；在MECV转变为中排压控后，ELCV 解除中排压控变为手动，则系统会根据ELCV 开度的变化通过中排压控自动调整MECV 开度，保证热网负荷需求的同时维持中排压力和中排压比稳定；

e. 在低压转子升速过程中，若低压转子实际转速与给定转速偏差超过规定值，延时一定时间程控系统关闭MESV 和MECV 使机组重新转回背压工况； 当低压转子成功定速3 000 r/min 时，检查并确认SSS 离合器啮合反馈是否正确，并严密监视啮合时SSS 离合器和汽轮机轴系的振动变化情况；

f. 低压缸冲转过程中，出现振动持续增大，或中排压力及中排压比无法维持等情况，需停止切换过程，手动关闭MESV 与MECV。

5 成果实际应用

三菱F4 级燃气-蒸汽联合循环供热机组作为北京市四大热电中心的主力机型，其汽轮机容量可达300 MW 以上，满足了大流量抽汽供热的现实需求。 并且通过在高中压和低压轴系之间设置SSS 离合器可实现低压缸在线解列，进而实现将高中压模块当作背压机组单独运行的功能，使原本进入低压缸发电的蒸汽全部用来供热。 对比表3 某电厂典型二拖一机组状态切换前后数据，汽轮机由抽凝切至背压后，在燃汽轮机电负荷基本不变的情况下，汽轮机供电负荷仅减少了9 MW，供热蒸汽量却增加了71 t/h。 由此可见，通过设置抽凝与背压两种不同供热工况的切换，显著提高了供热季联合循环机组热电比，并响应了电负荷减少、 热负荷增加的快速灵活多变需求，实现了热电解耦的核心思想。

表3 机组状态切换前后主要参数对比

6 结束语

国内的三菱F4 级机组在商业运行前， 并未形成一套统一成熟的供热模式切换方法，以满足同类型机组在抽凝与背压模式之间的安全稳定在线切换。 因此，针对应用于北京市四大热电中心的三菱F4 级燃气-蒸汽联合循环供热机组，进行了投产后的实际抽凝-背压模式切换研究，并充分考虑切换过程中汽轮机系统和热网系统的参数稳定，最终归纳总结出了一套可适用于同类型机组的切换方案。 经现场实践验证，效果良好，设计的切换方案安全、高效。 目前，该方案已被相关电厂作为标准操作方法，在每年的供热季进行工况切换时使用，为真正实现联合循环供热机组的热电解耦功能提供了技术支撑。