M701F型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組點火流程分析與優(yōu)化

燕金棟

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司， 廣東惠州 516082)

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M701F型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組點火流程分析與優(yōu)化

燕金棟

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司， 廣東惠州 516082)

摘要：通過分析燃氣輪機點火流程，總結(jié)了M701F型機組預(yù)防點火爆燃的安全措施，結(jié)合現(xiàn)有的燃氣輪機工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在綜合考慮安全性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上確定了更加合理的燃氣輪機吹掃時間，并提出了點火流程的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機； 點火； 吹掃時間

燃氣輪機點火前應(yīng)保證其排氣通道內(nèi)無可燃氣體積聚，以避免點火后引致爆燃，損害設(shè)備。某電廠燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組采用三菱M701F3型燃氣輪機，燃氣輪機點火前要求進行高盤吹掃，使其滿足點火安全性的要求。該機組主要以兩班制方式運行，單機年啟停約200次。由于機組的啟動頻繁，其點火流程對機組運行效率會產(chǎn)生一定影響，因此分析和優(yōu)化其點火流程對提高機組的安全性和經(jīng)濟性都很有意義。筆者通過對M701F3型燃氣輪機點火流程的分析，結(jié)合現(xiàn)行燃氣輪機工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了燃氣輪機點火流程的優(yōu)化方案。

1點火流程

機組發(fā)出正常啟動指令后，點火器推入工作位置，主燃料和值班燃料的壓力控制閥開啟至設(shè)定開度，并維持60 s，靜態(tài)變頻器(SFC)帶動機組升速至高盤轉(zhuǎn)速(約700 r/min)，機組維持高盤轉(zhuǎn)速對燃氣輪機排氣通道進行吹掃，吹掃時間從轉(zhuǎn)速高于500 r/min開始計時550 s，計時結(jié)束后，燃氣輪機開始降速至點火轉(zhuǎn)速約550 r/min，自燃氣輪機開始降速起計時90 s后，點火器帶電開始點火，同時控制油系統(tǒng)跳閘電磁閥關(guān)閉，建立安全油壓，安全油壓正常后天然氣供應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)閥門開啟，自燃料投入起10 s內(nèi)檢測到火焰，則判斷點火成功。

高盤吹掃是燃氣輪機點火流程的固有程序，其主要作用是清除燃氣輪機排氣通道內(nèi)可能積聚的天然氣，以避免由此導(dǎo)致燃氣輪機點火時爆燃甚至爆炸。燃氣輪機點火時的安全性直接影響機組的安全運行，特別對兩班制運行的機組，頻繁啟停使得該危險性大幅提升，因此預(yù)防燃氣輪機點火爆燃是點火流程至關(guān)重要的一環(huán)[1]。

圖1為燃氣輪機點火時序圖。

2防止燃機點火爆燃的措施

為了避免燃氣輪機點火時爆燃，保證燃氣輪機點火安全，M701F型燃氣輪機在設(shè)計中主要采取以下三個措施：

(1) 可靠的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)。

燃氣輪機熄火后及停機期間排氣通道內(nèi)積聚的天然氣主要來自天然氣供應(yīng)系統(tǒng)。圖2為天然氣供應(yīng)系統(tǒng)流程圖。在燃料截止閥后設(shè)有燃料放散閥。燃料放散閥在燃氣輪機熄火至下次點火期間保持常開，以排空截止閥后管道內(nèi)的天然氣。在燃氣輪機熄火降速至500 r/min時，以及燃氣輪機啟動后，主燃料和值班燃料的壓力控制閥都會短時開啟一定開度，以排放燃料截止閥后管道內(nèi)積聚的天然氣，這樣就基本避免了機組熄火期間天然氣經(jīng)供應(yīng)系統(tǒng)進入燃氣輪機。

(2) 熄火期間排氣通道可燃氣體的監(jiān)視。

考慮到天然氣供應(yīng)系統(tǒng)閥門內(nèi)漏的可能性，以及布置在壓氣機進氣濾附近的天然氣系統(tǒng)管道和閥門外漏的天然氣也可能會進入燃氣輪機，在燃氣輪機排氣段裝設(shè)了一套可燃氣體濃度檢測裝置，用于燃氣輪機熄火后排氣段內(nèi)可燃氣體的監(jiān)視。當(dāng)該取樣點測得的可燃氣體濃度超過25%LEL(爆炸下限)時，發(fā)出報警信號，只有執(zhí)行專門的高盤吹掃程序?qū)缶盘枏?fù)位后，機組才可以正常啟動。

(3) 燃氣輪機點火前的高盤吹掃。

采取上述兩個措施，基本上可以保證燃氣輪機點火前排氣通道內(nèi)不會積聚天然氣；但從燃氣輪機運行的安全性考慮，在燃氣輪機點火前還有一個吹掃過程，通過高盤吹掃將可能積聚的天然氣吹掃干凈，進一步提高點火的安全性。

3吹掃時間的分析

3.1 吹掃時間的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于燃氣輪機吹掃時間，目前我國現(xiàn)行的最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14099.3—2009 《燃氣輪機-采購第3部分：設(shè)計要求》[2]規(guī)定：啟動控制系統(tǒng)應(yīng)提供足夠時間用于燃氣輪機自動清吹，以確保燃氣輪機和下游部件的安全運行。除非國家另有規(guī)定，清吹周期通常應(yīng)在機組點火前至少將(包括煙囪在內(nèi)的)整個排氣系統(tǒng)的空間進行3倍體積的清吹。對于有可替代的預(yù)防措施時，可以不需要這樣做。對于排氣系統(tǒng)容積過大而導(dǎo)致清吹次數(shù)過多的情形，有關(guān)各方可對減少清吹循環(huán)次數(shù)協(xié)商一致。

國際上現(xiàn)行的最新標(biāo)準(zhǔn)為ISO 21789：2009Gasturbineapplications-Safety[3]。該標(biāo)準(zhǔn)專門針對燃氣輪機安全問題，規(guī)定燃氣輪機啟動前的吹掃操作要完成包含煙囪在內(nèi)的整個排氣通道3倍容積的氣體置換，并提出應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)臏y控裝置來度量置換容積和效果，并引入啟動閉鎖邏輯。

日本標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(JSA)針對燃氣輪機工業(yè)制定有強制性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS B8042Gasturbines-Procurement-Part3:Designrequirements[4]，其中也規(guī)定要進行3倍容積的清吹，其表述內(nèi)容與我國標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

3.2 吹掃時間計算

根據(jù)杭州鍋爐廠提供的數(shù)據(jù)，機組從燃氣輪機排氣口起至余熱鍋爐煙囪出口，包括燃氣輪機排氣擴壓段、進口過渡煙道、進口煙道、鍋爐本體、出口煙道、主煙囪的整個煙氣通道的總?cè)莘e為9 300 m3。

另外，測算得燃氣輪機在700 r/min的吹掃轉(zhuǎn)速下每分鐘的空氣體積流量約為4 000 m3。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“機組點火前至少將(包括煙囪在內(nèi)的)整個排氣系統(tǒng)的空間進行3倍體積的清吹”的要求，計算得到吹掃時間約為420 s。

根據(jù)M701F燃氣輪機控制邏輯，機組吹掃時間為550 s，而根據(jù)上述計算，將吹掃時間縮短為420 s即可滿足現(xiàn)行通用標(biāo)準(zhǔn)的要求。吹掃時間長雖然能更好地降低爆燃的可能性，但由于SFC帶動機組維持高盤轉(zhuǎn)速需要消耗大量的廠用電，且吹掃時間越長，燃氣輪機熱部件和鍋爐受熱面的熱應(yīng)力損傷越嚴重，因此合理設(shè)置機組啟動過程中的吹掃時間非常必要。

實際上燃氣輪機從啟動升速起就開始了吹掃，且從高盤降速至發(fā)點火指令之間的90 s時間內(nèi)也在吹掃，將機組控制邏輯設(shè)定的吹掃時間由550 s縮短為300 s，基本能滿足3倍容積的吹掃要求，兼顧了機組運行安全和經(jīng)濟性。

3.3 吹掃時間縮短的經(jīng)濟性分析

吹掃時間優(yōu)化后，機組運行的經(jīng)濟性得到了提高：(1)燃氣輪機吹掃時間減短，直接縮短了SFC的運行時間，節(jié)約了廠用電，全廠3臺機組以年啟動次數(shù)600次測算，每年可節(jié)約廠用電費約5萬元；(2)燃氣輪機吹掃時間越短，燃氣輪機熱通道部件和余熱鍋爐各模塊快速冷卻時間越短，可以減少相關(guān)設(shè)備的應(yīng)力損傷，延長它們的使用壽命，同時也減少了設(shè)備應(yīng)力損傷可能引起的設(shè)備突發(fā)故障；(3)機組啟動時間縮減，可以相對增加機組的運行時間，提高單臺次啟停的發(fā)電量，提高機組運行的經(jīng)濟性。

4點火流程的優(yōu)化

為了保證機組的安全性，對燃氣輪機點火流程進行了以下優(yōu)化：

(1) 完善高盤吹掃邏輯。根據(jù)原邏輯，燃氣輪機發(fā)出啟動指令后，若排氣段出現(xiàn)可燃氣體濃度高報警，將繼續(xù)執(zhí)行點火程序，其安全性考慮不夠。改進后，燃氣輪機高盤吹掃結(jié)束前檢測到可燃氣體濃度達到報警值，將維持高盤轉(zhuǎn)速繼續(xù)吹掃，直至濃度降至零后再執(zhí)行降速點火程序。具體邏輯圖見圖3。

(2) 增加點火失敗邏輯。如果由于點火器故障造成燃氣輪機點火失敗時，必然會有部分天然氣排入燃氣輪機，因此要求點火失敗后，下一次啟動時的吹掃時間恢復(fù)為550 s。具體邏輯圖見圖3。

(3) 在燃氣輪機排氣段原有可燃氣體濃度檢測裝置基礎(chǔ)上增加一套可燃氣體濃度檢測裝置，任一裝置檢測到可燃氣體濃度高都將觸發(fā)高盤吹掃請求，通過冗余配置提高了裝置可靠性。改造后的可燃氣體檢測流程見圖4。

5結(jié)語

燃氣輪機點火的優(yōu)化方案在確保機組安全性的基礎(chǔ)上，降低了機組廠用電率，對機組運行效率產(chǎn)生了積極作用，且設(shè)備改造成本非常低。該方案實施一年多以來，很好地滿足了機組兩班

制運行的實際需求。

參考文獻：

[1] 徐剛，張?zhí)N峰. M701F3型C/C機組點火吹掃時間的調(diào)整和改進[J]. 東方電氣評論,2013,27(2): 58-62.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 14099.3—2009燃氣輪機 采購 第3部分：設(shè)計要求[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[3] International Organization for Standardization. ISO 21789—2009 Gas turbine applications-Safety[S]. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 2009.

[4] Japanese Standard Association. JIS B8042-3—2007 Gas turbines-Procurement-Part 3: Design requirements[S]. Tokyo, Japan: Japanese Standard Association, 2007.

Analysis and Optimization on the Ignition Process of M701F Gas-Steam Combined Cycle Units

Yan Jindong

(Guangdong Huizhou LNG Power Co., Ltd., Huizhou 516082, Guangdong Province, China)

Abstract：Through analysis on the gas turbine ignition process, safety measures were summarized to prevent M701F unit from deflagration during ignition period, based on which reasonable purging time was determined according to existing gas turbine standards on the premise of considering the unit safety and economy, while an optimization scheme was proposed for the ignition process.

Keywords：gas turbine; ignition; purging time

收稿日期：2015-11-02

作者簡介：燕金棟(1982—)，男，工程師，主要從事電廠運行工作。E-mail: yanjindong@126.com

中圖分類號：TM611.31

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0194-03