燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠小島運(yùn)行階段燃料切換的實(shí)現(xiàn)

張愛舟，李江榮

（1.中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市，430071；2.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州市，310014）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的小島運(yùn)行通常是指發(fā)電廠在與電網(wǎng)解列的情況下，快速甩負(fù)荷（fast cut back，F(xiàn)CB）后僅帶廠用電運(yùn)行，在電網(wǎng)故障解除或燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)故障消除、機(jī)組輸出恢復(fù)時(shí)，迅速回復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)下向電網(wǎng)供電。由于燃機(jī)可靠性高、啟停迅速靈活，其小島運(yùn)行所承擔(dān)的功能更多的是外部電網(wǎng)安全的需要，即帶廠用電運(yùn)行保持隨時(shí)可自啟動(dòng)狀態(tài)，在電網(wǎng)故障消除后迅速啟動(dòng)并向網(wǎng)內(nèi)其他機(jī)組提供啟動(dòng)電源，對(duì)電網(wǎng)的快速恢復(fù)供電具有重要的作用[1-12]。

隨著我國(guó)火力發(fā)電對(duì)外總承包項(xiàng)目及出口項(xiàng)目的增多，許多發(fā)展中國(guó)家都要求機(jī)組尤其是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有小島運(yùn)行功能，并在合同中列為考核指標(biāo)。蘇丹某聯(lián)合循環(huán)電廠為天然氣/輕柴油雙燃料、“二拖一”多軸燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)工程，安裝2臺(tái)6B型號(hào)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組。由于蘇丹電網(wǎng)容量小，而且水電占據(jù)較大比重，但其水電供應(yīng)在枯水季節(jié)又無(wú)法保證，整個(gè)電網(wǎng)極不穩(wěn)定，電網(wǎng)故障頻頻發(fā)生，對(duì)供電和天然氣的供應(yīng)都產(chǎn)生了很大影響，經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)斷電、斷氣的情況。該電廠設(shè)計(jì)合同中要求機(jī)組帶小島運(yùn)行功能。初步方案設(shè)計(jì)結(jié)束后，業(yè)主反映該地區(qū)一旦電網(wǎng)發(fā)生故障，供電和供氣都無(wú)法保證，因而特別要求電廠在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下機(jī)組能從天然氣切換到燃輕柴油的情況下帶小島運(yùn)行。針對(duì)這一要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)在小島運(yùn)行模式下如何順利實(shí)現(xiàn)天然氣/輕柴油的切換進(jìn)行分析研究，提出了2種可行方案，并對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1 電廠總布置及燃料系統(tǒng)

1.1 電廠總布置

主機(jī)按照“2-2-1”形式配置，即2臺(tái)6B燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組配套2臺(tái)余熱鍋爐及1臺(tái)凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。全廠設(shè)置1套200 kW應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組集中布置。天然氣調(diào)壓站布置在電廠東南角，距離燃機(jī)約200 m。油罐區(qū)布置在電廠西北角，距離燃機(jī)約250 m。

1.2 天然氣系統(tǒng)

電廠天然氣來(lái)自距電廠約5 km的天然氣公司。天然氣經(jīng)增壓機(jī)增壓后通過(guò)埋地管網(wǎng)供給下游數(shù)個(gè)化工廠及水泥廠，然后送到該燃機(jī)電廠。由于天然氣管網(wǎng)容量偏小，化工廠、水泥廠及居民等用戶用氣量較大，天然氣管網(wǎng)幾乎不具備調(diào)峰能力。

正常情況下，天然氣公司供給電廠的天然氣壓力為2.80～3.25 MPa。電力供應(yīng)中斷時(shí)，供氣壓力迅速下降到1.8 MPa以下。燃機(jī)燃?xì)饽K前要求的進(jìn)氣壓力為2.20～2.65 MPa。

天然氣在電廠天然氣調(diào)壓站內(nèi)經(jīng)過(guò)濾、調(diào)壓、計(jì)量后通過(guò)埋地管道送至燃機(jī)前的天然氣前置過(guò)濾模塊、計(jì)量模塊及燃?xì)饽K，最后進(jìn)入燃機(jī)燃燒室燃燒。

1.3 燃油系統(tǒng)

電廠采用輕柴油為輔助燃料。輕柴油由汽車運(yùn)至電廠，通過(guò)卸油泵儲(chǔ)存到油罐區(qū)2個(gè)3000 m3的油罐中，供電廠備用。燃機(jī)供油泵布置在油罐區(qū)油泵房?jī)?nèi)，輕柴油通過(guò)供油泵從油罐輸送到燃機(jī)區(qū)燃油前置模塊，經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量后送入燃機(jī)燃燒室和空氣混合燃燒。

2 天然氣壓降曲線

當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，電力供應(yīng)將中斷，天然氣公司增壓機(jī)不能保證工作以及電廠和上游用氣點(diǎn)的存在，天然氣壓力將迅速下降到1.8 MPa以下。

對(duì)于廠內(nèi)天然氣，關(guān)斷天然氣緊急關(guān)斷閥后，其壓力變化可通過(guò)計(jì)算確定。

計(jì)算天然氣壓力變化所依據(jù)的氣體狀態(tài)方程為

pV=znRT （1）

不同壓力和溫度下，體積為V的天然氣折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積為

已知天然氣容積、溫度、天然氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積，由式（2）得出天然氣壓力計(jì)算公式：

假設(shè)在Δt時(shí)段內(nèi)天然氣體積修正系數(shù)f和溫度T不變，天然氣壓力變化率計(jì)算公式為

上述公式中：p為管道內(nèi)天然氣壓力，bar（0.1 MPa）；V為天然氣管系容積，m3；z為天然氣壓縮系數(shù)；T為天然氣溫度，K；QN為天然氣耗量，取Δt時(shí)間內(nèi)平均耗量，m3/s；帶下標(biāo)N的參數(shù)表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)天然氣相應(yīng)參數(shù)。

燃機(jī)發(fā)生FCB后，將會(huì)瞬間甩掉負(fù)荷，數(shù)秒鐘之內(nèi)即可從帶滿負(fù)荷運(yùn)行甩負(fù)荷至帶小島負(fù)荷運(yùn)行?？紤]斷路器延遲，F(xiàn)CB信號(hào)滯后等因素留給控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間和機(jī)組從斷路器跳閘至燃機(jī)甩負(fù)荷完成的總用時(shí)仍可控制在20 s以內(nèi)。為簡(jiǎn)化計(jì)算天然氣壓力變化，假設(shè)在甩負(fù)荷期間，天然氣流量線性遞減。

依據(jù)式（4），取步長(zhǎng)Δt為5 s計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的天然氣壓力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出天然氣壓力、耗量、體積修正系數(shù)變化曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出，從燃機(jī)甩負(fù)荷開始大約30 s后，天然氣壓力下降到2.3 MPa以下。

初設(shè)方案將燃油系統(tǒng)中油泵房布置在油罐區(qū)，通過(guò)油泵房?jī)?nèi)供油泵將油泵出，經(jīng)過(guò)廠區(qū)油管道輸送到燃機(jī)。由于廠區(qū)油管線長(zhǎng)，燃油設(shè)計(jì)流速低，從供油泵啟動(dòng)到燃油進(jìn)入燃機(jī)燃油模塊所需時(shí)間長(zhǎng)達(dá)155 s。

燃油系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)有關(guān)初始數(shù)據(jù)如表1。

表1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表Tab.1 Design data

3 小島運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)燃料切換的關(guān)鍵及方案

3.1 廠用電不失是燃料順利切換的關(guān)鍵

從上述天然氣壓降及燃油輸送時(shí)間關(guān)系可以看出，在小島運(yùn)行階段切換燃料將會(huì)出現(xiàn)燃料供應(yīng)間斷的情況，間斷時(shí)間約為125 s（155 s-30 s=125 s）。在此期間，由于燃機(jī)無(wú)燃料，暫時(shí)無(wú)法輸出廠用電，電網(wǎng)也無(wú)法提供廠用電，輕柴油輸送泵的負(fù)荷以及其他小島運(yùn)行負(fù)荷必須由應(yīng)急柴油機(jī)提供的廠用電來(lái)提供。但設(shè)計(jì)方案配置的應(yīng)急柴油機(jī)功率僅200 kW，而小島運(yùn)行所需負(fù)荷約為1800 kW（約為單臺(tái)燃機(jī)負(fù)荷的4.5%），應(yīng)急柴油機(jī)無(wú)法滿足要求。因此現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)故障情況下維持廠用電不失，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)天然氣/輕柴油的切換。因此，在小島運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)燃料切換的過(guò)程中，必須保證廠用電不失。

3.2 保持廠用電不失的解決方案

可以通過(guò)2種途徑保持廠用電不失：一是配置與小島負(fù)荷相匹配的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，在燃料供應(yīng)的間斷期間由柴油機(jī)提供廠用電；二是實(shí)現(xiàn)燃機(jī)燃料切換過(guò)程中燃料不間斷，保證燃機(jī)輸出不中斷。

為此，通過(guò)分析，分別從電氣和工藝角度出發(fā)，提出增大柴油機(jī)容量（方案1）、優(yōu)化工藝系統(tǒng)（方案2）2種解決方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。

3.2.1 增大柴油機(jī)容量

將應(yīng)急柴油機(jī)容量增大至2000 kW并改造相關(guān)輔助系統(tǒng)，增加投資約700萬(wàn)。此方案可靠且簡(jiǎn)單，但費(fèi)用增加較多。

3.2.2 優(yōu)化工藝系統(tǒng)

優(yōu)化工藝系統(tǒng)包括對(duì)天然氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)改造燃機(jī)MARK VI控制系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)燃機(jī)燃料切換過(guò)程中燃料不間斷，即要延長(zhǎng)天然氣供應(yīng)時(shí)間，縮短燃油輸送時(shí)間。

（1）延長(zhǎng)天然氣供應(yīng)時(shí)間。

在天然氣系統(tǒng)中設(shè)置天然氣儲(chǔ)罐以及增大天然氣管道管徑和輸送距離等措施以提高天然氣管系容積。比較合理的方案是設(shè)置天然氣儲(chǔ)罐，使電廠維持一定的儲(chǔ)氣和調(diào)峰能力。

（2）縮短燃油輸送時(shí)間。

可采取的措施有：減少燃油管道管徑以提高設(shè)計(jì)流速，減少燃油管道輸送距離以縮短供油時(shí)間。比較合理的方案是在燃機(jī)區(qū)增設(shè)日用油箱及供油泵，并盡量靠近燃機(jī)布置，縮短輸油距離。

從安全角度出發(fā)，首先對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。即在燃機(jī)區(qū)增設(shè)日用油箱，原有布置在油泵房的供油泵布置在日用油箱出口，在油泵房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)100%流量低壓油泵（1用1備），增加費(fèi)用不到5萬(wàn)元。由于輕柴油為備用燃料，輸油泵功率較?。s8 kW），年運(yùn)行費(fèi)用增加很少，與增加柴油發(fā)電機(jī)組容量相比優(yōu)勢(shì)明顯。優(yōu)化后，供油泵后管線減少250 m，按設(shè)計(jì)流速計(jì)算，縮短供油時(shí)間約138 s，為機(jī)組在小島運(yùn)行階段進(jìn)行燃?xì)?燃油切換提供了保障。優(yōu)化后的燃油系統(tǒng)如圖2所示。

對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，從日用油箱至燃機(jī)燃油模塊之間燃油輸送時(shí)間縮短到不到20 s，燃料連續(xù)供應(yīng)得到保障。

為最大程度保證燃料供應(yīng)的連續(xù)性及降低對(duì)控制系統(tǒng)的要求，同時(shí)在天然氣系統(tǒng)中增加5 m3天然氣儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)氣調(diào)峰，將天然氣供氣時(shí)間增加到120 s以上，增加費(fèi)用約1萬(wàn)元。圖3為增加不同容積儲(chǔ)罐后天然氣的壓降曲線。

由于在小島運(yùn)行階段燃料切換模式不同于正常狀態(tài)下燃料切換，其邏輯順序有別。正常狀態(tài)下，造成天然氣向輕柴油切換的原因是天然氣失壓，即天然氣中斷后燃機(jī)控制系統(tǒng)才發(fā)出燃料切換指令，此時(shí)電廠依賴電網(wǎng)倒送提供的廠用電啟動(dòng)供油泵并維持廠用電負(fù)荷正常；而在小島運(yùn)行階段，必須在天然氣失壓前完成燃料的切換，即在FCB信號(hào)發(fā)出時(shí)，應(yīng)同時(shí)由燃機(jī)MARK VI控制系統(tǒng)發(fā)出供油泵啟動(dòng)信號(hào)，以便燃料的替換能在天然氣失壓前完成。因此，需要相應(yīng)修改MARK VI控制系統(tǒng)中的邏輯程序。

4 結(jié)論

經(jīng)各方討論，認(rèn)為對(duì)燃油系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)優(yōu)化的方案可靠，安全可行，相比于增加柴油機(jī)的方案，不但節(jié)省了費(fèi)用，而且還減少了廠用電的切換次數(shù)。此方案也得到業(yè)主及其咨詢方、燃機(jī)廠家（GE）認(rèn)可并予以采納，燃機(jī)廠家也同意調(diào)整其MARK VI控制系統(tǒng)在小島運(yùn)行階段燃料切換的邏輯順序，并對(duì)燃機(jī)燃料系統(tǒng)采取一定保護(hù)措施，避免出現(xiàn)天然氣、燃油混燃的情況。

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