109FA燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的節(jié)能改造

肖維龍

（張家港華興電力有限公司，江蘇張家港 215627）

張家港華興電力有限公司（以下簡稱華興公司）擁有2臺出力為395MW級的F級單軸燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，是我國西氣東輸?shù)南掠闻涮醉椖?，作為我國第一批捆邦招標?FA級燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組，主要設備由美國GE公司提供。2臺機組分別于2005年5月和2006年1月投入商業(yè)運行。

1 改造鄰爐上水系統(tǒng)

機組設計為調(diào)峰機組，自投產(chǎn)以來，大多為一臺機組運行，另一臺機組備用，約每周進行一次機組切換。備用機組的切換在符合啟動條件之前必須先對余熱鍋爐各系統(tǒng)上水，由于電廠的余熱鍋爐低壓汽包給水直接來自凝結(jié)水，在對余熱鍋爐上水前必須進行凝結(jié)水除氧，但是由于備用機組凝汽器未建立真空，只能依靠熱力和化學除氧?？紤]到凝汽器循環(huán)水側(cè)管路的安全性，在實際運行中蒸汽（熱力）除氧要求把凝結(jié)水加熱到45℃左右，化學除氧藥劑量消耗大而且效果不好。另外，由于機組的高中壓給泵的入口接自低壓汽包，在高中壓系統(tǒng)上水的過程中凝結(jié)水泵必須保持運行，在余熱鍋爐上水期間凝結(jié)水泵再循環(huán)門大多保持在全開位置，不僅廠用電消耗大而且增加了化學藥劑的消耗。

另外，切換后停機的機組，考慮到冷備用機組的鍋爐的保養(yǎng)，機組達到余熱鍋爐放水條件立即進行鍋爐高、中、低壓蒸汽系統(tǒng)帶壓放水。在對凝結(jié)水泵的設計參數(shù)和實際運行工況進行分析后發(fā)現(xiàn)，待停機組切換前凝結(jié)水泵的余量，可以滿足備用機組的低壓鍋爐上水需求。為此，2007年1月對鍋爐上水系統(tǒng)進行了改造，即將2臺機組的凝結(jié)水啟動放水管相連接。

改造后，在備用機組余熱鍋爐低壓系統(tǒng)上水時，可以利用運行機組的凝結(jié)水泵的余量對備用機組的凝汽器、鍋爐低壓系統(tǒng)進行上水；在對備用機組的高中壓系統(tǒng)進行上水時，也可以使用運行機組的凝結(jié)水泵對備用機組的低壓系統(tǒng)進行補水。改造后運行機組凝結(jié)水泵電機的工作電流雖然會略有增加，但是備用機組的凝結(jié)水泵（額定功率500MW）少運行5～6h，可以節(jié)約大量用電，而且改造后化學藥劑的使用量可以大大減少，特別是備用機組的上水，來自運行機組的凝汽器通過真空除氧器的除氧水，有利于保護鍋爐的受熱面。

2 循泵電機改為雙速

燃機循環(huán)水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)方式，由冷卻水塔、前池、啟閉器、鋼閘門、平板濾網(wǎng)、循環(huán)水泵、凝汽器和相關(guān)管道及閥門等設備組成。電廠補水取自附近河道，通過補水泵輸送至水塔，然后由循環(huán)水泵輸送至凝汽器。每臺機組各配置2臺循環(huán)水泵，春冬低溫季節(jié)1臺運行，1臺備用，夏季高溫季節(jié)采用2臺循環(huán)水泵并列運行。另外，循環(huán)水系統(tǒng)還向開式水系統(tǒng)及工業(yè)水系統(tǒng)提供水源。

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組輔機設備較少，循環(huán)水泵耗電在整個機組的廠用電中占的比例比較高（單循泵運行時達到10%，雙循泵運行時達到20%）。受到天然氣供應和電網(wǎng)調(diào)峰的限制，機組大部分時間處于二班制運行或低負荷運行狀態(tài)下，但是循環(huán)水泵電機要求始終在額定轉(zhuǎn)速下運行，即使單臺循環(huán)水泵運行，循環(huán)水流量往往還是有富裕，特別是冬季循環(huán)水溫較低，凝汽器已經(jīng)達到了最有利真空（96kPa以上）狀態(tài)，但是不能有效地增加燃機負荷。另外，機組停機后循泵仍需運行一段時間，過大的循環(huán)水量也會造成循泵電耗的浪費。

為了降低整個機組的廠用電率，同時把機組控制在最有利真空運行狀態(tài)，2009年12月及2010年1月，利用機組檢修機會將2號機4號循泵及1號機2號循泵返廠進行電機雙速改造。改造工作通過更換電機所有定子線圈將電機改造為14／16極雙速電機，電機實際極數(shù)通過切換連接片完成。改造后電纜接線盒位置不變，電機高低速切換在電機改造后新增加的切換箱內(nèi)進行，在實際運行中利用停機機會，在停電后改變連接片連接方式，完成高低速切換。

改造后循泵功率從900kW下降到720kW，廠用電率大幅度降低，節(jié)電效果明顯。

3 新增停機輔助凝結(jié)水泵

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組停運后凝汽器汽側(cè)真空指標很快降為零，為了防止低壓缸與凝汽器喉部超溫，在實際運行中凝結(jié)水泵必須繼續(xù)運行一段時間，用以滿足低壓缸噴水減溫及凝汽器水幕噴水的需要。通常在保證低壓缸排汽溫度不超過50℃，所需噴水減溫量較小，最大噴水量不超過60t／h，并且機組停運后凝結(jié)水泵停止對低壓汽包的上水，因此凝結(jié)水泵的負荷很低。但是機組配套的凝結(jié)水泵功率（額定功率500kW，額定流量625.6t／h）較大，為了保證凝結(jié)水泵的運行安全，必須通過控制凝結(jié)水泵再循環(huán)開度使凝結(jié)水再循環(huán)流量大于120t／h，不僅浪費大量電能，而且這種小流量長時間運行對凝結(jié)水泵的損害較大。為此，決定采用停機后用停機輔助凝結(jié)水泵取代凝結(jié)水泵的工作方式，并要求改造后可以對低壓汽包進行啟動前上水，以便進一步減少凝結(jié)水泵的運行時間。

2010年2月，在原機組凝結(jié)水泵坑內(nèi)增設一臺停機輔助凝結(jié)水泵，采用立式多級泵，出口壓力為1.0MPa，流量為100t／h，功率為45kW。把入口管道接在甲凝結(jié)水泵入口管上，把出口管接入凝結(jié)水泵出口門后母管管道上。新增停機輔助凝結(jié)水泵入口管各設1只手動門和電動門，出口管上也各設1只電動門、逆止門和手動門。在泵出口管上設再循環(huán)旁路，旁路接至主凝結(jié)水泵再循環(huán)管調(diào)門后，并設一手動門，新增管道均采用不銹鋼材質(zhì)。

在機組兩班制停運期間及機組非兩班制停機后，從原來的凝結(jié)水泵運行改為停機輔助凝結(jié)水泵運行，凝結(jié)水泵功率從322.6kW下降為45 kW，節(jié)電效果明顯。

4 凝泵電機改為變頻

正常運行時，機組的凝結(jié)水進入低壓省煤器1、低壓省煤器2，通過低壓水位調(diào)節(jié)閥自動控制來實現(xiàn)對低壓汽包的補水，凝結(jié)水泵電機始終在額定轉(zhuǎn)速下運行，1臺運行1臺備用。

機組運行中，通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵再循環(huán)調(diào)門及低壓汽包水位調(diào)門開度的節(jié)流，實現(xiàn)對凝結(jié)水流量的控制，但是由于低壓汽包的上水調(diào)門開度較小不僅節(jié)流損失很大，而且引起低壓水位調(diào)門閥體及閥心沖刷嚴重，導致閥門內(nèi)漏，節(jié)流導致的巨大運行噪聲也造成對環(huán)境的污染。運行結(jié)果表明，在機組不同負荷時凝結(jié)水泵電機輸出功率變化幅度不大，存在大馬拉小車現(xiàn)象；在機組啟停與低負荷時所需凝結(jié)水量少，節(jié)流損失大、效率低，特別是發(fā)電機組平均負荷率較低時，能量損失非常可觀。

2011年2月，利用2號機組壓氣機按第四升級包升級改造和機組D修機會，實施了“一拖二”加電動旁路方案，對凝結(jié)水系統(tǒng)凝泵電機進行變頻改造。改造后凝泵采用變頻運行方式，根據(jù)機組負荷調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速，在燃機基本負荷（390 MW）運行時，凝泵電機的工作電流從原來的47 A減少到24A，從而減少了凝結(jié)水泵的電能消耗，取得了較好的經(jīng)濟效益。

5 高壓主汽疏水技術(shù)改造

美國GE公司提供的機組熱態(tài)啟動曲線參考圖如圖1所示，2號機組某次熱態(tài)啟動的實時動態(tài)曲線如圖2所示。

圖1 GE推薦的熱態(tài)啟動曲線

圖2 2號機組熱態(tài)啟動曲線

圖2 中曲線1為轉(zhuǎn)速；曲線2為高壓旁路開度；曲線3為高壓主汽門（CV閥）開度；曲線4為天然氣溫度；曲線5為機組負荷。

從圖1可以看出，機組從啟動到帶基本負荷需耗時65min，而2號機組從啟動到帶滿負荷需耗時87min，與GE公司提供的參考曲線相比，多花了22min。通過比較，多耗時11min的主要原因發(fā)生在金屬溫度匹配過程中。

在燃機熱態(tài)啟動過程中，為了較快地提升燃機的排煙溫度得到相應于汽缸溫度的高壓蒸汽，要求主蒸汽溫度高于汽缸溫度20℃后才能實施高壓進汽。投入金屬溫度匹配程序，燃機會自動地將汽缸上缸溫度加上115℃，作為控制燃機排煙溫度的基準值，熱態(tài)啟動汽缸上缸溫度一般都為470℃以上，因此燃機排煙溫度的基準值要求到達585℃，不過燃機溫度匹配所能達到的最高排煙溫度只有566℃，要到達此溫度，燃機的負荷要在45MW以上。但在實際啟動過程中，由于受到天然氣預熱溫度的限制，在金屬溫度匹配的前12min，機組負荷只能加載到35MW左右，在天然氣預熱溫度沒有達到170℃以前，燃機加負荷將受到韋伯指數(shù)的限制而停滯，從而延長了金屬溫度匹配的時間，此過程要比GE推薦的時間多花費11min。

為了縮短啟動過程中金屬溫度匹配的時間，對高壓主汽疏水系統(tǒng)實施了改造。針對GE公司原先設計的主汽閥前疏水管徑偏小，疏水量較小，暖管速度慢，影響汽機高壓缸進汽時間的設計缺陷。在2011年1月進行的技改項目中，在高壓主截閥前增加了一路管徑較大的疏水。用以提高主蒸汽的溫升速度，縮短啟動過程中主蒸汽溫度與金屬溫度匹配的時間，從而提高機組的啟動速度。

改造后，在機組啟動過程中通過優(yōu)化疏水開啟方式，高壓主汽閥前疏水量的增加不會對主汽閥座及管道支架產(chǎn)生明顯的應力作用，通過汽輪機側(cè)高壓主汽U型彎完全可以吸收管道熱膨脹，同時，暖管速度加快了約11min，通過3次停機后的探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)該疏水管道有異常情況，因此，從安全角度看，該溫升速度不會對高壓主汽管材造成損害。實施疏水改造后2號機組某次熱態(tài)啟動時間分段列表比較如表1所示。

顯然，在實施高壓主汽疏水改造后，主蒸汽溫度與金屬溫度匹配的時間由原來的22min縮短為現(xiàn)在的11min，從而使熱態(tài)機組啟動至加至基本負荷時間從87min減少為77min，提高了109FA燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱態(tài)啟動速度，達到了節(jié)能降耗的目的。

表1 改造前后機組熱態(tài)啟動過程各階段啟動時間得比較min

6 結(jié)語

節(jié)能減排，提高能源利用率是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的目標。華興公司通過對燃機系統(tǒng)一系列的技術(shù)改造，有效提高了F級單軸燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的整體運行能耗，達到了節(jié)能降耗的目的，同時也提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。