關于9E燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組設置煙氣擋板的分析

王勝寅

引言

然而在部分燃機聯(lián)合循環(huán)機組中，考慮到發(fā)電經(jīng)濟性（聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電比，充分降低發(fā)供電油耗），同時為了降低機組的初始投資，在建造機組時不再設置煙氣擋板，但這同時也暴露出不少的問題，如：燃機與鍋爐汽機由于金屬材料存在差異，在啟動過程中的金屬承受交變應力造成啟動速率、加載率不能相互匹配，燃機啟動速率得到很大的限制，調(diào)峰、調(diào)頻、應急性能大大降低；在余熱鍋爐、汽機設備故障時，不能實現(xiàn)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)的切換，燃機運行受到嚴重影響；機組的使用壽命縮短等方面問題。本文以國網(wǎng)東嘎發(fā)電公司9E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為例，結(jié)合實際運行情況，從經(jīng)濟性、安全性、調(diào)峰靈活性以及機組使用壽命等方面著手，針對燃機聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐是否需要配備煙氣擋板進行分析及探討。

一、煙氣擋板的結(jié)構(gòu)

目前聯(lián)合循環(huán)機組大多配有旁路煙囪，煙氣擋板在燃機排氣系統(tǒng)中起到三通轉(zhuǎn)換的作用，當擋板處于關閉位置----通往余熱鍋爐側(cè)關閉，燃機排氣則直接通過旁路煙囪排入大氣，此時聯(lián)合循環(huán)機組進行燃機單循環(huán)運行；當擋板位置處于全開位置-----通往旁路煙囪側(cè)關閉，燃機排氣則進入余熱鍋爐，對余熱鍋爐進行加熱，實現(xiàn)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電。煙氣擋板系統(tǒng)一般有以下主要設備組成：煙氣擋板門、密封空氣系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)、就地PLC控制柜。

1、煙氣擋板門。采用中間骨架+雙面絕熱結(jié)構(gòu)（三明治結(jié)構(gòu)）。每片絕熱結(jié)構(gòu)四周都安裝有雙層柔性金屬密封片，當擋板全開或者全關時，雙層密封片和殼體上的固定氣封座形成一圈封閉的環(huán)形空氣密封通道，從而起到密封煙氣的作用。擋板門采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。內(nèi)襯板采用耐熱不銹鋼，內(nèi)襯板的布置必須考慮煙氣對保溫材料的沖擊，杜絕出現(xiàn)煙氣吹走保溫材料現(xiàn)象的發(fā)生。

2、密封空氣系統(tǒng)。兩臺增壓風機，正常運行時一臺運行，一臺備用，入口處設置逆止閥以防止高溫煙氣回流，安裝在管道中的兩組電動高溫蝶閥可切換系統(tǒng)向旁通側(cè)或鍋爐側(cè)送風。此時，空氣密封系統(tǒng)可隨時使用，連續(xù)運行。密封空氣根據(jù)擋板全開、全關（擋板處于0°或90°）時的位置，通過旁通側(cè)電動閥或是鍋爐側(cè)電動閥進行輸送密封空氣。當擋板全開時，密封空氣可以防止高溫煙氣漏入旁路煙囪，提高煙氣的利用率，使機組的整體熱效率上升。當需要簡單循環(huán)時，擋板全關，這時密封空氣可以防止高溫煙氣漏入余熱鍋爐內(nèi)，在余熱鍋爐不運行時，將使受熱面超溫，造成鍋爐空燒，嚴重時產(chǎn)生爆管。

3、液壓油系統(tǒng)。由兩臺液壓油泵、雙連桿液壓缸、蓄能器、壓力開關、溫度開關、控制電磁閥等組成。液壓泵為高壓齒輪泵，兩臺泵可合并供油，也可單獨供油。泵從油箱經(jīng)吸油濾油器吸油，泵壓力油經(jīng)單向閥、高壓濾油器輸出兩股壓力油，一股向系統(tǒng)供油，另一股經(jīng)單向閥向蓄能器充液。當蓄能器內(nèi)油壓低于壓力繼電器設定值時，油泵加載充液，當蓄能器內(nèi)油壓充至壓力繼電器設定值時，油泵卸荷。

4、就地PLC控制柜?？赏ㄟ^PLC上的“控制切換”旋鈕選擇就地控制或遠方控制，若選擇遠方控制，則由DCS發(fā)指令給PLC進行自動控制。若選擇就地，則可以在就地進行控制，一般在DCS遙控控制失靈、故障或是進行校驗時采用就地控制方式。

二、煙氣擋板的作用

1、增加了聯(lián)合循環(huán)裝置運行的靈活性。通過旁路擋板的隔離作用，實現(xiàn)燃氣輪機獨立于余熱鍋爐系統(tǒng)而單獨運行。當燃氣輪機運行時，余熱鍋爐可處于隔離狀態(tài)。特別適合電網(wǎng)容量小，要求啟動速率快，應急響應快的條件下運行。

2、余熱鍋爐和燃氣輪機的協(xié)調(diào)性能好。燃氣輪機從冷態(tài)啟動到額定負荷只需要10-30min，而余熱鍋爐和汽輪機的升溫、升壓和升負荷速度取決于金屬允許的熱應力，調(diào)節(jié)煙氣擋板開度可以使余熱鍋爐、汽輪機和燃機很好的匹配，從而解決由于燃氣輪機和余熱鍋爐的特性不同而帶來的不協(xié)調(diào)問題。

3、在負荷急劇變化期間，為了避免余熱鍋爐超壓可用作分流煙氣，使余熱鍋爐快速減負荷。

4、在事故處理中，在汽輪機跳閘或汽輪機甩負荷運行時，煙氣擋板的快關功能是實現(xiàn)余熱鍋爐快速減負荷的最有效手段。

三、無煙氣擋板機組的利弊分析

燃機聯(lián)合循環(huán)機組不配備煙氣擋板主要是考慮到減少設備的初始投資，并在投產(chǎn)后可以節(jié)省一部分擋板的運行維護費用。該聯(lián)合循環(huán)機組的燃氣輪機、余熱鍋爐、汽機三者就是一個整體。在燃機運行時，考慮到余熱鍋爐不能干燒，所以在正常運行方式時只能以聯(lián)合循環(huán)方式運行。另外無擋板機組在啟停過程中，也有相應的要求：啟動時，應盡量選擇滑參數(shù)啟動方式；停機時，應盡量采用額定參數(shù)停機方式。

西藏東嘎發(fā)電公司的燃機機組型號為PG9171E，由于電廠為華潤集團援建的舊機組，建成后預留旁路煙囪，但未裝設煙氣擋板門，通過煙道隔絕板將旁通煙道封堵，從而旁路煙囪不再使用。

目前在運行中暴露出的問題：

1、燃機啟動過程中對余熱鍋爐部件的熱沖擊。燃機的啟動過程要經(jīng)過點火、暖機、升速等幾個階段，整個過程燃機都是自動控制，這期間燃機的排氣溫度變化較大，余熱鍋爐煙氣系統(tǒng)的各受熱面處于一個交變溫度場內(nèi)，換熱管束受到的熱沖擊很大，對于各部件的使用壽命將產(chǎn)生很大的影響。

燃機在啟動過程中排氣溫度上升很快，從點火到帶負荷整個過程一般在30min，高溫排氣直接對余熱鍋爐進行加熱，而通過調(diào)節(jié)擋板開度可以控制進入余熱鍋爐的煙氣量，從而有效的控制余熱鍋爐升溫升壓率。

2、不利于運行參數(shù)的調(diào)整。燃機啟動至并網(wǎng)一般只需要十幾分鐘，燃機排氣溫度階躍性變化，而在這個過程中，從余熱鍋爐的安全特性考慮，需要嚴格控制升壓率、升溫率及汽包壁溫差在允許的范圍之內(nèi)。對于沒有煙氣擋板的余熱鍋爐就存在無法人為控制這些參數(shù)。同時對于汽包水位的調(diào)整也帶來一定的難度，啟動過程中，由于無擋板，燃機的排氣全部用來對爐水的加熱，特別對于冷態(tài)啟動的余熱鍋爐，未飽和水過快的吸收燃機排氣的熱量，在到達飽和溫度時，容積往往增長過快而導致汽包產(chǎn)生過高的虛假水位，不利于運行人員的控制。

3、機組運行方式單一，不利于事故處理及檢修。在余熱鍋爐發(fā)生故障，汽水循環(huán)不能建立的情況下，為了防止鍋爐干燒，燃氣輪機將不得不緊急停止運行，嚴重縮短其壽命和檢修周期。一般情況下，一旦發(fā)生跳爐、跳機現(xiàn)象，機組都會保護會動作而聯(lián)跳燃機。

特殊情況下，當在汽輪機發(fā)生故障不能運行時，如果此時余熱鍋爐汽水循環(huán)與汽機真空可以維持的情況下，根據(jù)實際工況，燃機雖然可以運行，一般只能維持負荷在40MW左右，蒸汽通過旁路進入凝汽器，但往往會造成凝汽器溫度升高，低壓軸封溫度超限；如果汽機真空無法建立，燃機只能控制在20MW以下負荷，并通過鍋爐集汽箱對空排汽，蒸汽大量消耗，對經(jīng)濟性產(chǎn)生重大影響。

東嘎電廠燃機作為華潤援建的二次安裝機組，鍋爐及汽機的故障率較高，人員技能水平相對較差，通過增設煙氣擋板門，并重新啟用旁通煙道，在余熱鍋爐或汽輪機發(fā)生故障的情況下，保護動作快關煙氣擋板門，燃氣輪機將可以繼續(xù)正常運行，機組調(diào)峰的負荷率不受影響，并立即開展緊急搶修工作。同時余熱鍋爐或汽機在大小修期間，燃機仍能作為緊急備用機組，隨時可以并網(wǎng)發(fā)電，不影響鍋爐及汽機的檢修。

4、經(jīng)濟性問題。對于頻繁啟停調(diào)峰機組來講，機組停機后擋板可以有效的隔離燃機和鍋爐的熱通道。燃機停機后必須進行低速盤車，而盤車過程中將產(chǎn)生大量鼓風，對于無擋板的余熱鍋爐將加速其爐內(nèi)的熱量損失，使爐內(nèi)蒸汽的壓力和溫度快速下降，造成下次啟動過程中延遲機組并網(wǎng)時間。以9E配備擋板的聯(lián)合循環(huán)機組為例，停機后到第二天早上啟爐，爐膛溫度要比無擋板機組高200℃左右，在啟爐過程中可以減少20-30min的啟動時間。

四、煙氣擋板機組的運行方式

煙氣旁路擋板一般不作為調(diào)節(jié)余熱鍋爐壓力和溫度的手段，可以通過調(diào)節(jié)燃機的負荷控制蒸汽溫度，而壓力一般通過蒸汽旁路來進行調(diào)節(jié)，只在特殊情況下采取煙氣擋板調(diào)節(jié)。

機組啟動時擋板有兩種打開方式：一種是先設定余熱鍋爐擋板全開，再啟動燃氣輪機，燃機并網(wǎng)后，根據(jù)相應的余熱鍋爐狀態(tài)（冷、溫、熱態(tài)）設定的燃機的升負荷率，一般在燃機冷態(tài)時為防止升溫升壓率超限，不采取此方式。

另一方式是擋板全關，燃機按單循環(huán)方式啟動并網(wǎng)后，再啟動余熱鍋爐，根據(jù)余熱鍋爐汽包壓力控制擋板開度，分段逐步將擋板打開至100%開度，一般在鍋爐熱態(tài)時采用該方式，以避免燃機啟動開機時排氣溫度過低，對熱態(tài)余熱鍋爐爐膛進行冷卻，使溫度急劇下降。通常該控制方式，可以使燃機和余熱鍋爐協(xié)調(diào)性變的更好。在后一種方式中，煙氣擋板也可作為余熱鍋爐啟動閉鎖保護，即余熱鍋爐啟動條件沒達到時，擋板開啟閉鎖。對于液壓控制的煙氣擋板通常分為正常關閉和緊急關閉。正常關閉時間一般為60S，而緊急關閉時間為20S—30S。

結(jié)論

綜上所述，9E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組配備煙氣擋板，將增加機組建設時的初始投資以及平時的運行維護消缺的費用，但從安全、靈活、協(xié)調(diào)性等方面考慮有著很大優(yōu)勢，特別對于經(jīng)常啟停的調(diào)峰機組，總體來說利大于弊。

（作者單位：國網(wǎng)上海電力公司閘北發(fā)電廠）