9H級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組增壓機(jī)無(wú)擾切換研究

任淵源，光 旭，林俊光，劉建波，錢曉棟

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

0 引言

9H級(jí)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組是目前全球最高容量、最高效率的燃機(jī)機(jī)組。巴基斯坦某聯(lián)合循環(huán)電站項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“巴基斯坦項(xiàng)目”)的設(shè)計(jì)規(guī)模為1套9H級(jí)“二拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，包括2套GE公司9HA.01型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，2套三壓、再熱、自然循環(huán)帶SCR的余熱鍋爐和1套三壓、再熱純凝式蒸汽輪發(fā)電機(jī)組、燃用天然氣和輕柴油雙燃料。燃?xì)廨啓C(jī)出力為406.732 MW，汽 輪 機(jī) 出 力 為418.391 MW， 聯(lián)合循環(huán)總出力約為1 231.9 MW，聯(lián)合循環(huán)全廠凈效率達(dá)到63.04%。

巴基斯坦項(xiàng)目的總承包合同中對(duì)主輔機(jī)性能和可靠性提出了非常嚴(yán)格的要求，例如，要求提供緩沖容積，使得燃機(jī)在任何負(fù)荷工況下天然氣增壓機(jī)之間均能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，并且不降低燃機(jī)的負(fù)荷。

我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5174—2003《燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定》[1]中規(guī)定：“需要設(shè)置增壓機(jī)時(shí)，增壓機(jī)宜每套燃?xì)廨啓C(jī)配置一臺(tái)，不設(shè)備用”，國(guó)內(nèi)大部分電廠多年以來(lái)都遵循此規(guī)定。這是基于國(guó)內(nèi)聯(lián)合循環(huán)電廠多為調(diào)峰機(jī)組的考慮，且一般增壓機(jī)可靠性比較高(電廠常用的離心式增壓機(jī)可用率一般可達(dá)99.35%以上，被迫停運(yùn)時(shí)間29.7 h/a，兩次故障間平均時(shí)間5.85 a以上)。而國(guó)外燃機(jī)電站很多是需要帶基本負(fù)荷的，機(jī)組可靠性要求較高，所以增壓機(jī)通常按2×100%全廠容量，或3×50%全廠容量來(lái)配置[2]，即天然氣系統(tǒng)設(shè)置有備用增壓機(jī)，所以對(duì)增壓機(jī)的切換工況提出了更高的要求。而工作增壓機(jī)停機(jī)，備用增壓機(jī)啟動(dòng)直至帶滿負(fù)荷需要一定的時(shí)間，所謂“無(wú)擾切換”是指在工作增壓機(jī)切換至備用增壓機(jī)過(guò)程中，保證燃機(jī)維持滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，這是國(guó)內(nèi)考慮仍不多的問(wèn)題。筆者在巴基斯坦、孟加拉國(guó)等多個(gè)聯(lián)合循環(huán)電站項(xiàng)目中均遇到業(yè)主要求增壓機(jī)間實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換的要求。

本文正是在上述背景下，以巴基斯坦項(xiàng)目為依托，對(duì)9H級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣增壓機(jī)無(wú)擾切換所需的最小緩沖容積及其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究，以選擇最佳的實(shí)現(xiàn)方案。

1 9H級(jí)燃機(jī)電站天然氣增壓?jiǎn)卧艣r

1.1 天然氣增壓?jiǎn)卧到y(tǒng)介紹

巴基斯坦項(xiàng)目天然氣調(diào)壓站中的增壓?jiǎn)卧瓌t性系統(tǒng)如圖1所示，主要包括3套對(duì)應(yīng)一臺(tái)燃機(jī)100%負(fù)荷天然氣耗量的增壓機(jī)系統(tǒng)，其中，#1和#3增壓機(jī)組正常運(yùn)行，分別供給#1燃機(jī)和#2燃機(jī)，#2增壓機(jī)組為備用增壓機(jī)，3套增壓機(jī)組支路并聯(lián)方式連接。每條增壓機(jī)支路均設(shè)置有前后安全切斷閥、前后手動(dòng)隔離閥和安全閥。安全切斷閥由增壓機(jī)供貨商隨增壓機(jī)本體系統(tǒng)供貨，用于增壓機(jī)啟動(dòng)、停止時(shí)的安全切斷，前后手動(dòng)隔離閥用于工作增壓機(jī)故障時(shí)在線檢修隔離，安全閥用于保護(hù)增壓機(jī)及下游管路系統(tǒng)。

圖1 天然氣增壓?jiǎn)卧瓌t性系統(tǒng)圖

3條增壓機(jī)支路出口之間還設(shè)置有氣動(dòng)切換閥。#1和#3增壓機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)切換閥關(guān)閉。當(dāng)#1增壓機(jī)組故障需要切換至#2增壓機(jī)組運(yùn)行時(shí)，#1增壓機(jī)組前后安全切斷閥隨增壓機(jī)的關(guān)閉而自動(dòng)關(guān)閉，備用的#2增壓機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)參數(shù)符合要求時(shí)，#1增壓機(jī)側(cè)的氣動(dòng)切換閥打開，#2增壓機(jī)出口天然氣并入原#1增壓機(jī)出口支路。#3增壓機(jī)組的故障切換方式相同。

1.2 燃機(jī)入口天然氣壓力要求

GE公司9HA.01型燃機(jī)入口天然氣壓力的范圍和波動(dòng)都有一定要求，若壓力低于最低值或壓力波動(dòng)速度超過(guò)一定范圍，都將導(dǎo)致燃機(jī)跳機(jī)，具體要求如下[3-4]：

1) 燃機(jī)燃料模塊入口天然氣壓力范圍：3.64～4.05 MPa.a；

2) 瞬態(tài)：燃?xì)廨啓C(jī)入口處最大的供氣壓力變化速度限制在每秒1%變化率或者5%階躍。每秒1%變化率的限制適用于從最小的運(yùn)行壓力至最大運(yùn)行壓力之間。5%階躍變化的限制適用于最小運(yùn)行壓力至最大運(yùn)行壓力的95%范圍內(nèi)，且在5 s內(nèi)不能有一個(gè)超過(guò)5%的步調(diào)變化；

3) 穩(wěn)態(tài)：在燃?xì)廨啓C(jī)燃料模塊進(jìn)口處的任何運(yùn)行工況點(diǎn)的壓力變化幅度不超過(guò)該點(diǎn)壓力的±1%，平均壓力變化率應(yīng)小于每秒0.25%。

1.3 增壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

離心式增壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)尺寸小、排氣量大、無(wú)氣閥等易損件、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)、供氣穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而在大容量輸氣管道和大型燃機(jī)電廠中得到了大量的應(yīng)用[5-6]。巴基斯坦項(xiàng)目增壓機(jī)選擇采用了3×50%全廠天然氣耗量離心式增壓機(jī)，2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。具體選型參數(shù)見表1所列。

表1 天然氣增壓機(jī)選型參數(shù)

2 最小緩沖容積的計(jì)算

2.1 最小緩沖容積計(jì)算式

由于工作增壓機(jī)停運(yùn)、備用增壓機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，管道中天然氣運(yùn)行壓力不斷降低，直至降低到燃機(jī)入口天然氣允許的最低壓力，此時(shí)備用增壓機(jī)啟動(dòng)達(dá)到滿負(fù)荷并投入使用，從而可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。在一定的管道儲(chǔ)氣容積下，這個(gè)壓力降低的過(guò)程能夠使管道釋放出天然氣，并使燃機(jī)在該切換時(shí)間中維持滿負(fù)荷運(yùn)行，這個(gè)最小的儲(chǔ)氣容積即為最小緩沖容積。

最小緩沖容積計(jì)算式如下：

式中：Vmin為最小緩沖容積，m3；Q為天然氣質(zhì)量流量：kg/s；t為增壓機(jī)切換所需時(shí)間，s；ρ1為正常工作壓力下天然氣密度，kg/m3；ρ0為允許最低壓力下天然氣密度，kg/m3。

2.2 燃料模塊入口最低壓力3.64 MPa.a下的計(jì)算

由燃機(jī)燃料模塊入口最低壓力3.64 MPa.a反推增壓機(jī)出口允許最低壓力為4.098 MPa.a，各段阻力情況見表2所列。

表2 天然氣系統(tǒng)各段阻力情況MPa

根據(jù)一般增壓機(jī)廠家的保證值，備用增壓機(jī)從暖備狀態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷運(yùn)行需要60s。在此條件下計(jì)算最小緩沖容積見表3所列。

表3 最低壓力3.64 MPa.a最小緩沖容積計(jì)算表

很顯然，電廠廠內(nèi)基本無(wú)法提供約3 700 m3的管容來(lái)滿足最小緩沖容積的要求。

2.3 燃料模塊入口最低壓力2.8 MPa.a下的計(jì)算

由于“允許最低壓力”越低，就能夠從現(xiàn)有管容中釋放出更多的天然氣用于增壓機(jī)切換期間的燃機(jī)燃料，所以筆者設(shè)法從“允許最低壓力”角度進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)與主機(jī)廠進(jìn)一步配合，天然氣燃料模塊入口的“燃機(jī)跳機(jī)壓力設(shè)定值”為2.8 MPa.a，低于正常要求的最低壓力3.64 MPa.a。由燃機(jī)跳機(jī)壓力2.8 MPa.a反推增壓機(jī)出口允許最低壓力為3.258 MPa.a(考慮阻力0.458 MPa)，在此條件下計(jì)算最小緩沖容積見表4所列。

表4 最低壓力2.8 MPa.a最小緩沖容積計(jì)算表

因此，該方案下計(jì)算最小緩沖容積為212.5 m3。

2.4 最小緩沖容積的進(jìn)一步優(yōu)化降低

為進(jìn)一步降低最小緩沖容積，降低增壓機(jī)無(wú)擾切換的難度，我們進(jìn)一步研究了增壓機(jī)切換所需的時(shí)間。經(jīng)過(guò)與巴基斯坦項(xiàng)目增壓機(jī)廠家的深入配合，其保證能夠滿足30 s內(nèi)備用增壓機(jī)從暖備狀態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷運(yùn)行。經(jīng)上節(jié)同樣方法的計(jì)算得出，最小緩沖容積進(jìn)一步降低至107 m3，建議實(shí)際緩沖容積考慮不小于118 m3(考慮10%的裕量)。

3 緩沖容積的實(shí)現(xiàn)方案

3.1 方案一：管容緩沖方案

通常增壓機(jī)出口與燃機(jī)房之間還有較長(zhǎng)一段距離，一般會(huì)經(jīng)過(guò)廠區(qū)管架(或廠區(qū)直埋段)、燃機(jī)燃料前置模塊、燃機(jī)燃料模塊的管道。因此，在電站可行性研究、初步設(shè)計(jì)階段可在總平面布置合理的前提下，適當(dāng)增大增壓機(jī)與燃機(jī)房之間的距離，適當(dāng)增大管徑，使得增壓機(jī)與燃機(jī)燃料模塊之間的管道容積(含過(guò)濾器等設(shè)備內(nèi)容積)滿足上文所述最小緩沖容積118 m3的要求。

除了可滿足增壓機(jī)之間無(wú)擾切換外，適當(dāng)增大此部分管道容積還有以下好處：

1) 當(dāng)燃機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，天然氣流量將在1 s中內(nèi)從100%下降至30%左右，由于增壓機(jī)及其閥門動(dòng)作時(shí)間有滯后，將可能導(dǎo)致增壓機(jī)后管道內(nèi)壓力上升，進(jìn)而可能導(dǎo)致燃機(jī)跳機(jī)。適當(dāng)增加管容有助于該工況下的穩(wěn)定性。

2) 燃機(jī)的控制系統(tǒng)需要接收熱值儀的在線實(shí)時(shí)信號(hào)，以便及時(shí)跟蹤天然氣熱值的變化，及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整。由于熱值儀從采樣、分析、發(fā)出信號(hào)到燃機(jī)控制系統(tǒng)接收信號(hào)需要一段信號(hào)傳輸時(shí)間，且要求該時(shí)間與天然氣的輸送時(shí)間能盡可能匹配，通過(guò)增大管道容積，降低天然氣流速，將有助于兩者時(shí)間匹配。

3.2 方案二：壓縮緩沖罐方案

為滿足最小緩沖容積的要求，還可以通過(guò)如圖2所示加裝壓縮緩沖罐裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)前后隔離閥打開，壓縮機(jī)工作，把來(lái)自天然氣母管的天然氣壓縮增壓至設(shè)定壓力，隔離閥關(guān)閉，壓縮機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組增壓機(jī)需要進(jìn)行切換時(shí)，壓縮緩沖罐后隔離閥打開，天然氣經(jīng)減壓閥減壓至設(shè)定壓力，持續(xù)為燃機(jī)提供天然氣，直至機(jī)組增壓機(jī)完成切換過(guò)程[7-8]。

圖2 天然氣壓縮緩沖罐裝置原則性系統(tǒng)圖

由于天然氣經(jīng)壓縮機(jī)后溫度會(huì)上升，此時(shí)最小緩沖容積計(jì)算式調(diào)整為：

式中：T1為壓縮緩沖罐內(nèi)天然氣溫度，K；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度，273 K。

經(jīng)計(jì)算，約需45 m3壓縮緩沖罐容積可滿足要求，裝置投資估算見表5所列。

表5 天然氣壓縮緩沖罐裝置投資估算表

該方案存在以下缺點(diǎn)：

1) 增加了天然氣壓縮機(jī)組、緩沖罐、調(diào)節(jié)閥組等設(shè)備，這些設(shè)備設(shè)計(jì)壓力需要提高至壓縮機(jī)組后的最高工作壓力，增加了設(shè)備、管路、土建基礎(chǔ)的投資，超過(guò)160萬(wàn)元；

2) 上述壓縮機(jī)組、迂回布置的緩沖罐等均需要增加較大的安裝場(chǎng)地(約350 m2)，實(shí)際項(xiàng)目總平面布置往往比較緊張，難以留出這樣的場(chǎng)地；

3) 整個(gè)天然氣系統(tǒng)中既設(shè)置了大增壓機(jī)，又設(shè)置了壓縮緩沖罐用的小壓縮機(jī)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，增大了控制的難度；

4) 增大了檢修維護(hù)工作量。

3.3 推薦方案

由于方案一采用管道容積緩沖滿足最小緩沖容積的要求，取消了壓縮緩沖罐系統(tǒng)，節(jié)省了工程投資，提高了系統(tǒng)可靠性，有效解決了增壓機(jī)組無(wú)擾切換難題。因此，在總平面布置有條件時(shí)優(yōu)先推薦采用方案一。

當(dāng)計(jì)算最小緩沖容積過(guò)大，僅通過(guò)方案一的管容緩沖方案難以實(shí)現(xiàn)，且增壓機(jī)組布置場(chǎng)地具有安裝壓縮緩沖罐及配套壓縮機(jī)等設(shè)施的空間時(shí)，可考慮采用方案二。

增壓機(jī)無(wú)擾切換的其他考慮因素

1) 通常增壓機(jī)的啟動(dòng)步驟是：?jiǎn)?dòng)輔助油泵并盤車約1～2 min，吹掃約1 min，開機(jī)潤(rùn)滑1 min，啟動(dòng)0.5 min，油溫達(dá)到加載條件后加載需約4～5 min，合計(jì)約10 min。在此啟動(dòng)加載過(guò)程中，由于管道儲(chǔ)存的天然氣不足將導(dǎo)致燃機(jī)跳機(jī)，為確保備用增壓機(jī)無(wú)擾切換至滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，備用增壓機(jī)在切換前必須處于暖備狀態(tài)，而不是冷態(tài)，該暖備狀態(tài)下可以讓增壓機(jī)迅速啟動(dòng)，而無(wú)需像冷態(tài)啟動(dòng)那樣進(jìn)行輔助系統(tǒng)的啟動(dòng)和一系列檢查程序，以最大程度的節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間：

①增壓機(jī)所需的壓縮空氣供應(yīng)、氮?dú)夤?yīng)良好；

②增壓機(jī)干氣密封、罩殼通風(fēng)風(fēng)機(jī)、軸封運(yùn)行良好；

③增壓機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)正常運(yùn)行；

④增壓機(jī)冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行；

2) 建議在增壓機(jī)招標(biāo)階段將“增壓機(jī)從暖備狀態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷所需的時(shí)間”作為性能保證數(shù)據(jù)和重要評(píng)標(biāo)因素寫進(jìn)招標(biāo)文件，以促使增壓機(jī)供貨商進(jìn)行充分的優(yōu)化工作，減少增壓機(jī)切換所需的時(shí)間，使電廠更易實(shí)現(xiàn)增壓機(jī)無(wú)擾切換；

3) 不同的燃機(jī)供貨商對(duì)于燃機(jī)燃料模塊前所需的“允許最低壓力”(增壓機(jī)切換狀態(tài)下有所不同，應(yīng)盡可能與燃機(jī)供貨商協(xié)商盡可能減小該壓力，如將報(bào)警壓力或跳機(jī)壓力作為增壓機(jī)切換狀態(tài)下允許最低壓力進(jìn)行計(jì)算，最終管道容積保證大于按此計(jì)算的最小緩沖容積，并留有一定裕量；

4) 當(dāng)需要進(jìn)行有預(yù)見的增壓機(jī)切換，即工作增壓機(jī)正常檢修停運(yùn)，需要切換至備用增壓機(jī)時(shí)，工作增壓機(jī)建議延遲適當(dāng)時(shí)間再停運(yùn)，以保障無(wú)擾切換的可靠完成；

5) 由于增壓機(jī)是燃機(jī)電站最重要的輔機(jī)之一，其切換過(guò)程復(fù)雜，無(wú)擾切換的功能要求較高，增壓機(jī)供貨商實(shí)現(xiàn)難度仍比較高，為避免不必要的考核罰款的風(fēng)險(xiǎn)，建議在國(guó)外項(xiàng)目EPC合同談判階段，EPC投標(biāo)方與業(yè)主進(jìn)行充分的協(xié)商，將“增壓機(jī)具有維持燃機(jī)滿負(fù)荷前提下的無(wú)擾切換”條款的要求，降低為“增壓機(jī)具有可靠的切換功能，并且在切換過(guò)程中保證不會(huì)引起燃機(jī)跳機(jī)(允許燃機(jī)在增壓機(jī)切換過(guò)程中短時(shí)間降低負(fù)荷運(yùn)行)”，這將大大降低本文所述最小緩沖容積的計(jì)算值，增壓機(jī)供貨商也更容易能夠滿足。

4 結(jié)論

本文通過(guò)最小緩沖容積的計(jì)算和優(yōu)化，采用管容緩沖或壓縮緩沖罐緩沖的方案，實(shí)現(xiàn)了9H級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工作增壓機(jī)與備用增壓機(jī)之間的無(wú)擾切換，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。結(jié)論如下：

1) 當(dāng)增壓機(jī)從暖備狀態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷所需的時(shí)間為30 s時(shí)，增壓機(jī)與燃機(jī)燃料模塊之間的天然氣管道容積滿足約118 m3以上時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)增壓機(jī)組間的無(wú)擾切換，且不影響燃機(jī)負(fù)荷。

2) 采用管道容積緩沖的方案，可取消壓縮緩沖罐系統(tǒng)，節(jié)省工程投資，提高系統(tǒng)可靠性，有效解決了增壓機(jī)組無(wú)擾切換難題。因此，在總平面布置有條件時(shí)優(yōu)先推薦采用 “管容緩沖方案”。