大型燃氣輪機“兩班制”運行方式下的節(jié)能探討

薛 濤，李 鑫，陳君翱，白鴻宇，楊明達，李冠伯

(華能重慶兩江燃機發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶 400714)

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有啟動迅速、快速響應(yīng)調(diào)峰、污染小等眾多優(yōu)勢。從三菱燃機在全國的分布圖不難看出，其占比沿海等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)較高，內(nèi)陸地區(qū)相對較低。在西南區(qū)域，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組作為傳統(tǒng)燃煤機組的重要補充，在環(huán)境保護、節(jié)能減排、電網(wǎng)調(diào)峰等方面起到了重要作用。但機組運行往往采用朝啟晚停的“兩班制”運行方式，機組調(diào)峰停運啟動時間間隔夏季約6 h，冬季約8 h。在保證安全的前提下，如何有效降低熱態(tài)啟動過程中的能耗，如何保證輔機頻繁啟動中安全可靠運行，是運行維護工作的一個重要課題。

1 機組概述

1.1 機組參數(shù)

某廠燃機為引進三菱公司技術(shù)生產(chǎn)的 M701F4 型重型燃機(雙軸承、單軸結(jié)構(gòu)、冷端出力和軸向排汽結(jié)構(gòu))。余熱鍋爐由東方日立鍋爐有限公司生產(chǎn)，封閉布置, 型式為三壓、再熱、無補燃、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐。汽輪機采用三壓、再熱、單軸抽汽凝汽式供熱機組。發(fā)電機為全氫冷方式。

1.2 機組啟動狀態(tài)劃分

機組啟動狀態(tài)由汽輪機高壓缸進口第一級(動葉)后內(nèi)壁金屬溫度確定。冷態(tài)：高壓缸進口金屬溫度<230 ℃，停機時間大于 132 h。溫態(tài)：230 ℃≤高壓缸進口金屬溫度≤400 ℃，停機時間24～132 h。熱態(tài)：高壓缸進口金屬溫度>400 ℃，停機時間小于 24 h。

1.3 機組啟動次數(shù)占比

根據(jù)2017—2019年機組啟動次數(shù)統(tǒng)計,每年機組熱態(tài)啟動約占78%,溫態(tài)13%，冷態(tài)9%?？芍細鈾C組作為啟停調(diào)峰優(yōu)先機組，運行方式以“兩班制”為主，由于停機后再啟動間隔時間較短，基本上機組均為熱態(tài)啟動。本文將對熱態(tài)啟動運行方式優(yōu)化進行探討。

2 輔機系統(tǒng)熱態(tài)啟動優(yōu)化

2.1 循環(huán)水系統(tǒng)

由于機組“兩班制”運行，循環(huán)水系統(tǒng)可采用虹吸運行方式。在機組停運后，停運全廠循環(huán)水泵，利用虹吸原理，將前池水坑的水經(jīng)開式冷卻水泵供給各用戶。而循環(huán)水泵只需要在機組啟動前啟動即可。采用該運行方式調(diào)整可大大減少循環(huán)水泵運行時長近7 h，同時也不影響冷卻水供給。

2.2 給水系統(tǒng)

給水系統(tǒng)啟動的主要目的是對TCA系統(tǒng)進行冷卻以達到機組的啟動條件(要求TCA入口水溫需在60 ℃以下)。由于機組“兩班制”運行，高、中、低壓汽包水位不需要太高，待點火完后可進行上水操作?？紤]到TCA冷卻的原因，凝結(jié)水進入高壓給水泵入口，所以此時汽包上水還會使冷水進入汽包，導(dǎo)致汽包上下壁溫差增大。根據(jù)運行經(jīng)驗，可選擇距發(fā)啟動令前30 min啟動高壓給水泵，來滿足冷卻條件。機組“兩班制”運行方式下，啟動初期高壓給水泵入口(低壓汽包)水溫在130 ℃以上，需切至凝結(jié)水供水(水溫40 ℃左右)，機組負荷80 MW(約40 min)后再切回由低壓汽包供水(水溫160 ℃左右)[1]。啟動初期給水泵入口水源切換這一過程，水溫突降陡增幅度大，會引起高壓給水泵轉(zhuǎn)子彎曲造成高壓給水泵故障。因此現(xiàn)修改為距發(fā)啟動令前30 min啟動高壓給水泵，機組距發(fā)啟動令前10 min啟動中壓給水泵即可。因高、中壓給水泵是輔機中功率較高的設(shè)備，所以通過控制高、中壓給水泵啟動時機，有利于達到減少輔機能耗的目的。

2.3 真空系統(tǒng)

真空建立的時間長短在整個啟動過程中對耗電量影響尤為關(guān)鍵，運行人員可根據(jù)抽真空快慢來選擇啟動循環(huán)水系統(tǒng)、高中壓給水系統(tǒng)的時機，在抽真空工作完成后馬上就可以發(fā)出啟動令。在“兩班制”調(diào)峰運行常態(tài)下，機組夜間停運后可不用破壞凝汽器真空，僅停運真空泵。因夜間持續(xù)供熱，軸封蒸汽由啟動鍋爐供給，可大大降低整個機組啟動準(zhǔn)備輔機能耗。

3 邏輯優(yōu)化設(shè)定

3.1 吹掃時間修改

機組啟動過程中高盤吹掃的目的是防止燃氣輪機點火過程中發(fā)生爆燃。原設(shè)計啟動吹掃時間為620 s，但三菱要求高盤冷卻條件，最大輪盤溫度>220 ℃，吹掃時間為180 s。而熱態(tài)啟動最大輪盤溫度一般在200～230 ℃，與三菱要求高盤冷卻時間存在矛盾。根據(jù)其他同類型機組已有的經(jīng)驗，可將燃氣輪機清吹時間由620 s修改為390 s，熱態(tài)啟動時間整體縮短4～5 min。在保障安全的前提下，適當(dāng)縮短機組啟動吹掃時間，可減緩設(shè)備金屬的老化速度，也可提高余熱鍋爐的保溫保壓能力，對加快機組啟動速度、降低廠用電率等具有較大的應(yīng)用價值。參考同類型機組修改后的耗電量數(shù)值見表1[2]。

經(jīng)計算，若每次縮短啟動4 min，可節(jié)約電量約350 kW·h。

表1 清吹3 min耗電量

3.2 暖機負荷修改

目前機組采用“兩班制”運行模式，絕大多數(shù)情況下，均是熱態(tài)啟動模式，因此若修改熱態(tài)啟動的暖機負荷，也可降低機組從暖機到汽輪機的進汽完成時間，從而降低機組啟動過程中的能耗。參考同類型機組修改后[3]，根據(jù)燃機、汽機各個金屬部件膨脹趨勢，在保證機組安全的前提下，可嘗試將熱態(tài)啟動暖機負荷由原來的120 MW修改為128 MW，可縮短暖機負荷8 min左右，節(jié)約能耗500 kW·h。

3.3 給水泵滑壓方式運行

TCA 冷卻器利用高壓鍋爐給水泵的給水作為冷卻介質(zhì)。兩臺機組自投產(chǎn)以來，高壓給水泵出口壓力一直按廠家說明控制在15 MPa，通過查閱燃機運行時 TCA 給水流量、TCA 出口給水溫度、TCA 冷卻空氣溫度等相關(guān)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，其有很大的安全裕度，實際冷卻水流量比設(shè)定值高 1～2 倍，TCA 出口冷卻水溫度與相應(yīng)壓力下的飽和溫度低100 多度，TCA 出口溫度比設(shè)定值(230 ℃)低 30～50 ℃。高壓汽包給水調(diào)閥開度只有 10%～20%，節(jié)流損失很大，同時對閥門的沖刷力度也大，因此有必要研究高壓給水泵滑壓運行的可能性。

自動控制方式下高壓給水泵壓力設(shè)定值為燃氣輪機負荷函數(shù)f(x)(根據(jù)燃氣輪機負荷值線性自動改變壓力設(shè)定值見表2)與高壓汽包壓力+2.5 MPa，取大值。同時高壓給水泵自動方式下運行人員可以通過增減偏置更改高壓給水泵壓力設(shè)定值。

表2 給水泵滑壓設(shè)定值

優(yōu)化后，高壓給水調(diào)閥開度明顯增大10%，減少了閥門節(jié)流損失，降低了閥門損壞風(fēng)險；轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度平均提高10 ℃；根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)計算，燃機效率提高1%左右；高壓給水泵電流平均下降30 A。采取滑壓運行后，給水泵能耗每年可減少135×103kW·h左右，合計節(jié)約費用65萬元左右。

4 機組停機后運行方式優(yōu)化

機組運行時利用汽輪機高壓缸排汽提供熱源，機組停運后，使用啟動鍋爐經(jīng)輔汽聯(lián)箱向供熱聯(lián)箱提供供熱蒸汽。由于“兩班制”運行工況機組啟動間隔時間基本在7 h左右，若能采用高壓汽包余熱供熱，可大大降低啟動鍋爐運行時間，從而達到降低能耗的要求。根據(jù)某日停機后利用高壓汽包余熱進行供熱的實驗可知(實驗數(shù)據(jù)見表3)，當(dāng)日供熱蒸汽流量約11 t/h。燃氣輪機打閘后手動關(guān)閉中壓旁路閥、中壓主蒸汽電動閥和中壓主蒸汽電動閥旁路閥，調(diào)節(jié)高壓旁路維持冷再熱蒸汽壓力在 1.5 MPa 左右，維持高壓汽包在高水位后停運高壓給水泵，供熱期間密切監(jiān)視高壓汽包上下壁溫差是否超過規(guī)定值(50 ℃)。

表3 機組停機后供熱切至高壓汽包余熱供熱期間高壓汽包參數(shù)變化情況

從實驗數(shù)據(jù)可知，采用高壓汽包余熱在夜間供熱，第二日高壓汽包壓力仍可維持1.3 MPa，并不影響機組正常啟動，但可減少啟動鍋爐運行2.5 h左右，每小時可減少天然氣耗量900 m3，每年可節(jié)約82×103m3天然氣。

5 結(jié)論

本文針對M701F4型單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組朝啟晚停的“兩班制”新常態(tài)運行方式，提出在機組熱態(tài)啟停階段通過優(yōu)化輔機運行方式、合理修改邏輯、合理運用余壓供熱等方法減少機組耗氣、耗電等，簡單有效地提高機組“兩班制”運行期間經(jīng)濟性，對同類型機組非常具有參考價值，也為燃氣輪機機組的熱態(tài)啟動優(yōu)化運行方面提供了新的思路和方向。