下滑至文末獲取論文全文

摘要

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)初期需進(jìn)行天然氣吹掃，避免天然氣在余熱鍋爐區(qū)域發(fā)生集聚，由此產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。但天然氣清吹延長了發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，還會(huì)對下游余熱鍋爐產(chǎn)生不必要的熱應(yīng)力。本文根據(jù)發(fā)電機(jī)組防火、防爆的要求以及機(jī)組實(shí)際情況，提出了一種燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)優(yōu)化方案，縮短發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)初期清吹時(shí)間，提高發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)速度，提升發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)；天然氣清吹；清吹時(shí)間；策略優(yōu)化

——以下為正文——

0

引言

截至2023年年底，浙江省燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量約為1200萬千瓦，年平均利用小時(shí)約為2000小時(shí)，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著啟停調(diào)峰任務(wù)，運(yùn)行方式基本為日啟夜停方式，每臺機(jī)組年平均啟動(dòng)100~200次[1]。燃?xì)廨啓C(jī)的主要廠家有GE公司、西門子公司、三菱公司和安薩爾多公司等，各廠家生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)均需在啟動(dòng)過程中開展天然氣清吹工作。根據(jù)各種燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行維護(hù)手冊數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)的清吹時(shí)間一般為8~15分鐘[2-5]。清吹時(shí)間的長短主要受燃?xì)廨啓C(jī)清吹轉(zhuǎn)速、燃?xì)廨啓C(jī)熱通道及余熱鍋爐煙道凈煙氣容積的影響[6]。燃?xì)廨啓C(jī)通過清掃其本體熱通道及余熱鍋爐區(qū)域，避免發(fā)生天然氣集聚而導(dǎo)致爆燃[7]，但長時(shí)間的燃?xì)廨啓C(jī)清吹產(chǎn)生的熱沖擊對余熱鍋爐設(shè)備造成相應(yīng)的損傷。因此，在滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時(shí)，有必要根據(jù)本地設(shè)備的實(shí)際情況開展清吹策略研究，減少清吹時(shí)間或取消清吹，縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求，減少機(jī)組啟動(dòng)能耗，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[8-9]。

1

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)初期清吹的作用及要求

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)初期清吹的作用

燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)后，燃料供應(yīng)系統(tǒng)可能存在閥門泄漏，造成天然氣在熱通道及鍋爐煙道內(nèi)聚集，燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火時(shí)易引起爆燃。同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)熱通道及鍋爐煙道內(nèi)未設(shè)置可燃?xì)怏w監(jiān)測裝置，燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火前進(jìn)行一定時(shí)間的清吹是確保燃?xì)廨啓C(jī)安全的必要手段。為了消除該安全隱患，目前各燃?xì)廨啓C(jī)廠家均設(shè)置清吹邏輯，在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)前，通過使用外部動(dòng)力系統(tǒng)將燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)到規(guī)定轉(zhuǎn)速，向燃?xì)廨啓C(jī)送入大量的空氣，將燃?xì)廨啓C(jī)及后續(xù)煙道內(nèi)殘留的可燃?xì)怏w完全帶出，對燃?xì)廨啓C(jī)及余熱鍋爐部分清吹，對余熱鍋爐和燃氣輪機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行充分置換，確保燃?xì)廨啓C(jī)及余熱鍋爐的運(yùn)行安全[10-11]。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)初期清吹的規(guī)范要求

按照燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)要求，燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置啟動(dòng)清吹程序，不同國家和組織對燃?xì)廨啓C(jī)清吹要求不盡相同。各國及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)清吹規(guī)定如表1所示。按照中國、日本、英國和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前將（包括延長在內(nèi)的）排氣系統(tǒng)的空間進(jìn)行3倍體積的清吹。而根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前將（包括延長在內(nèi)的）排氣系統(tǒng)的空間進(jìn)行5倍體積的清吹。清吹倍率越高，清吹越徹底，所需時(shí)間越長，同時(shí)對后部的余熱鍋爐等部件影響越大。對于有可替代的預(yù)防措施時(shí)，可以不清吹[4]。

表1 各國及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)清吹規(guī)定

1.3 清吹的副作用

（1）燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組日啟夜停、頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致余熱鍋爐金屬管道疲勞加劇和保溫保壓能力下降。過長的啟動(dòng)時(shí)間加劇余熱鍋爐參數(shù)變化，對金屬管道產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力。在清吹過程中，隨著燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度迅速下降，余熱鍋爐的蒸汽管壁溫度下降明顯，余熱鍋爐保溫保壓能力也會(huì)有所下降[15]。

（2）三菱燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)初期清吹程序與燃?xì)廨啓C(jī)高盤冷卻程序操作要求相矛盾。對比燃機(jī)啟動(dòng)初期清吹(機(jī)組點(diǎn)火掛閘前的狀態(tài))與燃機(jī)高盤冷卻基礎(chǔ)邏輯條件，壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉與燃燒器旁路閥開度、轉(zhuǎn)速(700r/min)完全一致。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組程序操作中明確說明，最大輪間盤溫度≥220℃時(shí)，高盤冷卻時(shí)間控制在180s以內(nèi)；

150℃≤最大輪間盤溫度<220℃時(shí)，高盤冷卻控制時(shí)間在300s以內(nèi)；最大輪間盤溫度<150℃時(shí)允許連續(xù)高盤。而在日常啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)最大輪間盤溫度基本都在200～230℃范圍內(nèi)，溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)在175～200℃范圍內(nèi)。而目前燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火前清吹時(shí)間邏輯要求360s，這與最大輪間盤溫度的高盤冷卻時(shí)間要求存在矛盾[16]。

（3）清吹過程中，需要外部動(dòng)力系統(tǒng)輸入能量，一般為靜止變頻啟動(dòng)裝置（Static Frequency Converter，SFC）或負(fù)載換相逆變器（Load Com-mutated Inverter，LCI），清吹時(shí)間過長，將增加大量廠用電消耗，同時(shí)延長機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。

基于以上情況，各燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠均將縮短清吹時(shí)間作為節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，但從目前來看，縮短清吹時(shí)間的策略大多是通過計(jì)算清吹容積，盡量靠近清吹倍率下限的方式來實(shí)現(xiàn)，無法大幅減少清吹時(shí)間。

2

優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)清吹時(shí)間的

可行性及對應(yīng)措施

2.1 縮短燃?xì)廨啓C(jī)清吹時(shí)間的可行性

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)初期清吹主要是將機(jī)組熄火后可能集聚在燃?xì)廨啓C(jī)熱通道及余熱鍋爐煙道內(nèi)的天然氣清除，以消除發(fā)電機(jī)組點(diǎn)火階段的爆燃隱患。如果確保發(fā)電機(jī)組在點(diǎn)火前燃?xì)廨啓C(jī)熱通道及后續(xù)煙道內(nèi)沒有集聚天然氣，則可取消啟動(dòng)清吹?；谠摾砟睿绹鳱FPA85《鍋爐與燃燒系統(tǒng)的危險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)》在2015年進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)更新，根據(jù)更新后標(biāo)準(zhǔn)對余熱鍋爐的要求，可通過在燃?xì)饽K中增加一個(gè)隔離模塊，確保下游系統(tǒng)與天然氣完全隔絕。增加隔離模塊后，在滿足壓力密封的狀態(tài)下可取消吹掃，完成燃?xì)廨啓C(jī)的安全啟動(dòng)[17]。

以三菱公司的燃?xì)廨啓C(jī)為例，傳統(tǒng)的三菱燃機(jī)燃料控制模塊如下圖1，燃?xì)怅P(guān)斷閥負(fù)責(zé)燃料截?cái)?，燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥A/B負(fù)責(zé)調(diào)整閥后壓力，主A燃?xì)饬髁靠刂崎y、主B燃?xì)饬髁靠刂崎y、值班燃?xì)饬髁靠刂崎y、頂環(huán)燃?xì)饬髁靠刂崎y分別控制各集管流量，燃?xì)怅P(guān)斷閥與燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥A/B之間設(shè)置放散閥。機(jī)組停機(jī)熄火后，燃?xì)怅P(guān)斷閥關(guān)閉，燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥A/B關(guān)閉，放散閥打開。待機(jī)組轉(zhuǎn)速降至500r/min，主燃料壓力控制閥B打開30%開度，維持90s以排盡燃料關(guān)斷閥和流量控制閥之間的燃?xì)狻?/p>

在這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于控制閥嚴(yán)密性不足，且在長期使用過程中，燃?xì)怅P(guān)斷閥與燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥A/B也會(huì)存在一定泄漏，導(dǎo)致高壓天然氣可能通過燃料模塊進(jìn)入燃機(jī)系統(tǒng)，最終流入余熱鍋爐，形成部分集聚，因此需要在啟動(dòng)前進(jìn)行天然氣清吹。

圖1 三菱燃?xì)饽K布置圖

2.2 天然氣隔離模塊技術(shù)措施

為了取消發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)初期清吹，確保天然氣系統(tǒng)與下游完全隔離，需對天然氣燃料模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如圖2所示，在傳統(tǒng)的燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥與各燃料控制閥之間增加一個(gè)放散閥，燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥與各燃料控制閥之間接入一條管路，用于充入惰性氣體（氮?dú)猓?/p>

圖2 三菱燃?xì)饽K改進(jìn)示意圖

發(fā)電機(jī)組停機(jī)熄火后，燃?xì)怅P(guān)斷閥、燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥及各路燃料控制閥關(guān)閉，燃?xì)怅P(guān)斷閥與燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥之間放散閥打開，主燃料壓力控制閥B打開30%開度并維持90秒后，燃?xì)怅P(guān)斷閥與燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥之間管道保持常壓，內(nèi)部氣體為空氣。

后期將燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥與燃料控制閥之間放散閥先打開，再開啟燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥與燃料控制閥之間充氮閥，充入高壓氮?dú)?，將該管段天然氣置換完成后，該管段放散閥關(guān)閉，燃?xì)夤鈮毫φ{(diào)節(jié)閥與各燃料控制閥之間管段內(nèi)充滿氮?dú)?，并通過調(diào)整充氮閥開度使該管段壓力高于大氣壓力，確保天然氣系統(tǒng)與燃機(jī)燃燒模塊、余熱鍋爐系統(tǒng)物理隔離[18]。

2.3 天然氣隔離模塊監(jiān)控措施

通過上述的分段隔離并充氮措施，已完成了天然氣系統(tǒng)與上游系統(tǒng)的物理隔離。為了進(jìn)一步確保設(shè)備安全，還可以采取其他監(jiān)控保障措施。（1）對閥門位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要對該系統(tǒng)中的隔離閥和放空閥的位置進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。一旦連續(xù)監(jiān)測丟失，需重新進(jìn)行清吹程序。（2）對P2管段與P1X管段壓力差值的監(jiān)控。如圖2所示，通常將P2管段與P1X管段壓力差值最小值設(shè)定為20kPa，一旦壓力差值檢測丟失，或是壓力段壓力比前段壓力的差值小于20kPa，需要重新清吹。

3

效益分析

根據(jù)三菱公司的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備說明書，M701F4機(jī)型機(jī)組升速至500r/min時(shí)開始清吹計(jì)時(shí)，并繼續(xù)升速至700r/min清吹排氣管道和余熱鍋爐，清吹計(jì)時(shí)為360秒。360秒清吹結(jié)束后，燃機(jī)經(jīng)過約80秒降速至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。在整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)點(diǎn)火過程中，與清吹相關(guān)時(shí)間共計(jì)440秒。通過采用物理充氮隔離方式取消啟動(dòng)清吹，則機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間可減少440秒。

3.1 安全效益

取消燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)清吹，可以減少啟動(dòng)階段壓氣機(jī)排氣對燃機(jī)本體和余熱鍋爐受熱面的強(qiáng)化冷卻，一方面有利于減少金屬疲勞和由于熱脹冷縮引起的不必要的形變，另一方面可以減少余熱鍋爐熱損失[19]。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

燃?xì)廨啓C(jī)清吹采用發(fā)電機(jī)作為啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)在清吹前部分輔機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)投運(yùn)，例如凝結(jié)水泵、高壓給水泵、中壓給水泵、循環(huán)水泵、閉式水泵等，這些泵均為6kV高壓電機(jī)，在燃?xì)廨啓C(jī)清吹時(shí)耗費(fèi)大量的電力[20]。取消啟動(dòng)清吹，則機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間可減少440秒，廠用電量的減少。三菱公司M701F4燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組各輔機(jī)設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 三菱公司M701F4型發(fā)電機(jī)組清吹階段主要運(yùn)行輔機(jī)參數(shù)

以三菱公司M701F4型發(fā)電機(jī)組為例，假設(shè)每年燃機(jī)啟動(dòng)150臺次計(jì)算，減少的電力消耗主要是啟動(dòng)機(jī)和循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵等輔機(jī)，預(yù)計(jì)全年電機(jī)共節(jié)約電量10.9萬千瓦時(shí)。

清吹時(shí)間的優(yōu)化，可縮短燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，提高其應(yīng)變調(diào)峰能力，更好地體現(xiàn)了調(diào)峰電廠的特色，肩負(fù)起了更多社會(huì)責(zé)任。

4

總結(jié)

通過對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組深入研究，并結(jié)合國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)，提出設(shè)置天然氣隔離段的方式取消燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)階段清吹，可大幅縮短燃?xì)鈫?dòng)時(shí)間，并減少啟動(dòng)能耗，對于提升燃?xì)鈾C(jī)組的啟停調(diào)峰作用具有重大意義，為國內(nèi)、外燃?xì)鈾C(jī)組在研究燃?xì)廨啓C(jī)清吹時(shí)間時(shí)提供借鑒和參考。

點(diǎn)擊下方藍(lán)字下載論文全文：

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)清吹策略討論與優(yōu)化.pdf

來源：能源工程，作者劉林、傅洪軍