西門子V94.3A型燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行優(yōu)化分析

王 山

(華能河南中原燃?xì)獍l(fā)電有限公司，河南 駐馬店 463000)

在西門子V94.3A型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組中，燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)采用同軸布置，發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)之間通過(guò)SSS離合器連接。燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，空氣在空壓機(jī)中增壓后流入燃燒室，和天然氣混合燃燒后產(chǎn)生高溫燃?xì)?。隨后，高溫高壓的燃?xì)庾鳛楣べ|(zhì)流入燃?xì)馔钙?，在其中膨脹做功并將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。燃?xì)馔钙?/3的機(jī)械能用于空壓機(jī)的消耗，剩余部分來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的排氣引入余熱鍋爐中，加熱鍋爐給水生成蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，當(dāng)汽輪機(jī)滿足沖轉(zhuǎn)條件后，通過(guò)SSS離合器和發(fā)電機(jī)嚙合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行。

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，燃?xì)廨啓C(jī)先啟動(dòng)帶負(fù)荷，由于余熱鍋爐和汽輪機(jī)的應(yīng)力限制，會(huì)分時(shí)段限制燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷，通過(guò)控制燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷來(lái)控制燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度，防止排氣溫度過(guò)高使余熱鍋爐和汽輪機(jī)的熱應(yīng)力超出允許值范圍，以便實(shí)現(xiàn)暖爐、暖管和暖機(jī)的目的。

河南地區(qū)某燃?xì)怆姀S有2臺(tái)西門子V94.3A型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，以其快速啟停、穩(wěn)定性能好和排放指標(biāo)低等優(yōu)點(diǎn)，主要承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰工作，在用電高峰到來(lái)前啟動(dòng)并網(wǎng)，低谷時(shí)停機(jī)解列。由于無(wú)法做到連續(xù)運(yùn)行，頻繁的啟停操作對(duì)氣耗、水耗和廠用電量的影響很大。因此，如何在啟停調(diào)峰運(yùn)行中優(yōu)化運(yùn)行方式變得尤為重要，做到啟停調(diào)峰和節(jié)能降耗兩不誤。本文將從氣耗、水耗和廠用電量3個(gè)方面為研究對(duì)象，分析其影響因素，并提出相關(guān)措施。

1 氣耗

燃?xì)廨啓C(jī)的燃料大都以天然氣為主，氣耗是指每發(fā)電1 kWh所耗用的天然氣量，單位m3/kWh。氣耗越低，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能越好，不同負(fù)荷下的氣耗如表1所示。

表1 機(jī)組不同負(fù)荷下的氣耗

由表1可知，聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行的氣耗低于單循環(huán)運(yùn)行時(shí)的氣耗，而且聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)機(jī)組負(fù)荷越高氣耗越低。要想降低氣耗，就要考慮減少燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，以及在聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)盡可能提高機(jī)組負(fù)荷，以降低發(fā)電成本。

1.1 冷態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化

機(jī)組啟動(dòng)初期，為了防止余熱鍋爐熱應(yīng)力超出允許范圍，會(huì)有一段暖爐的時(shí)間，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷將會(huì)停留在約30 MW，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)負(fù)荷限制時(shí)間約30 min。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為了減少暖爐時(shí)間，鍋爐上完水后，通過(guò)鍋爐蒸發(fā)器加熱系統(tǒng)，提前通入輔助蒸汽，來(lái)提高汽包的溫度，以便減少負(fù)荷限制時(shí)間。

在暖管和暖機(jī)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)運(yùn)行負(fù)荷約120 MW，天然氣流量約4.3×104m3，氣耗約0.36 m3/kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行的氣耗，效率很低，所以燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短將直接影響氣耗的大小。

汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)釋放蒸汽品質(zhì)后，汽輪機(jī)會(huì)升速至14.5 Hz，開(kāi)始中速暖機(jī)過(guò)程。在暖機(jī)時(shí)會(huì)激活720 min的冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)至零后才允許沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)。根據(jù)暖機(jī)時(shí)間的計(jì)算公式[1]，暖機(jī)剩余時(shí)間t和凝汽器壓力P存在一定的計(jì)算關(guān)系，當(dāng)P小于10 kPa，t為720 min；當(dāng)P大于30 kPa，t為180 min；當(dāng)P在10～30 kPa之間時(shí)，t和P存在著非線性變化關(guān)系，且P越大t越小。所以為了減少暖機(jī)時(shí)間，在中速暖機(jī)時(shí)就可以通過(guò)提高凝氣器壓力的方法，來(lái)縮短暖機(jī)時(shí)間。當(dāng)釋放蒸汽品質(zhì)后，手動(dòng)關(guān)小真空泵進(jìn)口手動(dòng)門，使凝汽器壓力維持在20～25 kPa。由于凝汽器壓力超過(guò)30 kPa，汽輪機(jī)會(huì)保護(hù)跳閘，所以凝汽器壓力應(yīng)控制在30 kPa之內(nèi)，并且保持適當(dāng)?shù)脑Ａ俊Ｔ谝淮纹啓C(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)凝汽器壓力后暖機(jī)剩余時(shí)間變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，在汽輪機(jī)中速暖機(jī)時(shí)，當(dāng)凝汽器壓力升高后，暖機(jī)剩余時(shí)間快速下降，在25 kPa壓力時(shí)，暖機(jī)剩余時(shí)間基本呈線性變化，如果調(diào)整時(shí)凝汽器壓力過(guò)低，暖機(jī)剩余時(shí)間將會(huì)瞬時(shí)變大。

圖1 汽輪機(jī)冷態(tài)暖機(jī)參數(shù)

在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)提高凝汽器壓力的辦法，可以使燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)時(shí)間(燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)至汽輪機(jī)嚙合)控制在4 h以內(nèi)。

1.2 熱態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化

在啟停調(diào)峰運(yùn)行中，熱態(tài)啟動(dòng)居多，所以減少機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)時(shí)間就成了重要控制指標(biāo)。熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，不會(huì)激活暖機(jī)時(shí)間，不需要中速暖機(jī)，由于中低壓暖管較快，影響單循環(huán)的主要因素是高壓蒸汽的溫度和壓力，蒸汽參數(shù)滿足越快，單循環(huán)時(shí)間越短。經(jīng)過(guò)多年的探索，該廠形成了一套成熟的熱態(tài)啟動(dòng)操作方法，主要操作如下。

a.在點(diǎn)火前提前手動(dòng)開(kāi)啟高壓過(guò)熱期出口疏水電動(dòng)門，排出管道內(nèi)低溫蒸汽。當(dāng)高壓旁路前主汽溫度大于高壓主蒸汽電動(dòng)門后溫度時(shí)，開(kāi)啟機(jī)側(cè)高壓疏水電動(dòng)門，關(guān)閉高壓過(guò)熱期出口疏水電動(dòng)門，實(shí)現(xiàn)快速暖管。當(dāng)汽輪機(jī)X5準(zhǔn)則[2]滿足后，手動(dòng)關(guān)閉側(cè)高壓疏水電動(dòng)門，以便快速提高高壓蒸汽壓力。

b.為了使高壓主汽壓力能快速提高，當(dāng)高壓主汽壓力大于2 MPa后，手動(dòng)不斷調(diào)整高壓旁路壓力設(shè)定點(diǎn)，使其一直略高于高壓主汽壓力，以便使高旁一直維持在約50%，達(dá)到快速升壓的目的。當(dāng)高壓主汽壓力大于8 MPa后，手動(dòng)將高旁控制模式由ASA模式切至U-SETP模式，當(dāng)滿足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)條件后進(jìn)行汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。

c.汽輪機(jī)嚙合后，當(dāng)旁路全部關(guān)閉以后，機(jī)組負(fù)荷會(huì)限制在約200 MW，影響負(fù)荷限制最主要的條件是再熱熱段設(shè)定點(diǎn)溫度要大于420 ℃。為了使設(shè)定點(diǎn)能快速升高，可手動(dòng)不斷關(guān)小再熱二級(jí)減溫水調(diào)門，使減溫器后溫度始終高設(shè)定點(diǎn)溫度10～20 ℃，直到減溫水調(diào)門關(guān)閉后將其投入自動(dòng)。在調(diào)節(jié)減溫水時(shí)再熱溫度不能過(guò)高，防止汽輪機(jī)應(yīng)力控制[3]裕度過(guò)小，造成汽輪機(jī)熱應(yīng)力超出允許范圍。

d.在機(jī)組停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)汽輪機(jī)脫扣后，手動(dòng)執(zhí)行燃?xì)廨啓C(jī)SGC停機(jī)程序，可以讓燃?xì)廨啓C(jī)以最大的降負(fù)荷率(13 MW/min)快速停運(yùn)，減少單循環(huán)時(shí)間，停機(jī)時(shí)單循環(huán)時(shí)間一般10 min。

e.機(jī)組解列后，手動(dòng)關(guān)閉機(jī)側(cè)高壓疏水電動(dòng)門，防止冷氣進(jìn)入主汽管道內(nèi)而降低管道內(nèi)溫度，為下次啟動(dòng)做準(zhǔn)備。

經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)，通過(guò)以上熱態(tài)啟動(dòng)操作方法，單循環(huán)運(yùn)行時(shí)間一般控制在45 min左右。

1.3 減少氣耗的其他措施

該廠輔助蒸汽有啟動(dòng)鍋爐和低壓過(guò)熱蒸汽2個(gè)來(lái)源，啟動(dòng)鍋爐的燃料為天然氣，在機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)準(zhǔn)備期間，盡量用低壓汽包供輔助蒸汽，當(dāng)輔助蒸汽壓力低于0.25 MPa時(shí)再投運(yùn)啟動(dòng)鍋爐。機(jī)組啟動(dòng)后，當(dāng)?shù)蛪哼^(guò)熱蒸汽壓力滿足軸封需要后，及時(shí)停運(yùn)啟動(dòng)鍋爐，來(lái)減少啟動(dòng)鍋爐用氣。停機(jī)后提前手動(dòng)關(guān)閉低壓旁路，適當(dāng)提高低壓汽包的壓力，以延長(zhǎng)低壓汽包供輔助蒸汽的時(shí)間。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至250 MW后，積極和電網(wǎng)溝通，盡量多帶負(fù)荷，來(lái)提高機(jī)組效率。

2 水耗

電廠是用水、排水大戶，電廠用水占工業(yè)用水總量的40%。該電廠的冷卻塔補(bǔ)水、化學(xué)制水和廠區(qū)生活用水都是城市自來(lái)水，用水成本較高，從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)的角度，加強(qiáng)節(jié)約用水和減少?gòu)U水排放[4]具有重要的意義。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，冷卻的蒸發(fā)損失很大，所以在水耗中，冷卻塔補(bǔ)水占比最大。在控制冷卻塔的液位時(shí)，既要滿足機(jī)組的安全生產(chǎn)需要，又不能使液位過(guò)高發(fā)生溢流。在停機(jī)前，提前關(guān)閉補(bǔ)水降低冷卻塔液位，防止循環(huán)水系統(tǒng)停運(yùn)后使液位過(guò)高而發(fā)生溢流。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)塔池內(nèi)水質(zhì)的化驗(yàn)，合理控制加藥量，減少不必要的循環(huán)水排污。

每次機(jī)組啟動(dòng)，蒸汽管道都需要暖管，在此期間會(huì)排放大量的蒸汽，消耗很多除鹽水。為了減少不必要的蒸汽損失，由于有些疏水電動(dòng)門自動(dòng)關(guān)閉較晚，當(dāng)暖管條件滿足后要及時(shí)關(guān)閉對(duì)應(yīng)的疏水門。當(dāng)汽輪機(jī)X5準(zhǔn)則滿足后，及時(shí)關(guān)閉機(jī)側(cè)高壓疏水電動(dòng)門；當(dāng)再熱冷段管道過(guò)熱度大于80 K時(shí)，應(yīng)手動(dòng)關(guān)閉再熱冷段管道疏水電動(dòng)門。同時(shí)要加強(qiáng)閥門治理，較少閥門內(nèi)漏現(xiàn)象，減少不必要的蒸汽損失。同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)爐水指標(biāo)的化驗(yàn)和監(jiān)視，合理控制鍋爐排污量，減少不必要的排污損失。

為了節(jié)約用水，將水質(zhì)較好的排污進(jìn)行再利用，該廠采取了如下技術(shù)改造措施。

a.化學(xué)制水的濃水排放量很大，除鹽水和濃水比例約1∶1，該廠將濃水引至冷卻塔，進(jìn)行回收再利用。

b.將定排坑內(nèi)的水進(jìn)行降溫后引至冷卻塔。

c.通過(guò)技改，將清潔疏水?dāng)U容器內(nèi)的疏水降溫后引至凝汽器，利用凝汽器負(fù)壓進(jìn)行回收利用。

d.流入凝泵坑內(nèi)的排水一般都是除鹽水，水質(zhì)較好，通過(guò)技術(shù)改造引至冷卻塔。

通過(guò)多項(xiàng)技術(shù)改造和操作方式的優(yōu)化，大大降低了機(jī)組除鹽水和自來(lái)水的消耗，降低了發(fā)電成本，并且被當(dāng)?shù)卣u(píng)為節(jié)約用水優(yōu)秀企業(yè)。

3 廠用電量

電廠在發(fā)電的同時(shí)，也是用電大戶，廠用電量包括生產(chǎn)耗電量和非生產(chǎn)耗電量，生產(chǎn)耗電量最主要的就是各輔機(jī)設(shè)備的耗電量，主要消耗在運(yùn)行中的6 kV和380 V輔機(jī)上，包括凝結(jié)水泵、給水泵、循環(huán)水泵、SEE/SFC等大容量高壓設(shè)備，以及閉冷水泵、軸封電加熱器、各類油泵等380 V電壓的輔機(jī)設(shè)備，其中6 kV輔機(jī)的廠用電量占全部廠用電量的70%以上，每臺(tái)機(jī)組中6 kV主要高壓電機(jī)配置參數(shù)如表2所示。

表2 6 kV高壓電機(jī)參數(shù)

廠用電量是重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如何降低廠用電量[5]是運(yùn)行管理的重要內(nèi)容，主要輔機(jī)的運(yùn)行方式將直接影響廠用電量的多少，該廠在降低廠用電方面也采取如下技術(shù)改造措施和優(yōu)化方式。

a.對(duì)給水系統(tǒng)進(jìn)行邏輯優(yōu)化。從表2可以看出，給水泵和循環(huán)水泵的功率很大。之前，該廠余熱鍋爐需要給水泵啟動(dòng)后才能滿足釋放條件，然后燃?xì)廨啓C(jī)才能啟動(dòng)釋放，所以給水泵啟動(dòng)后才執(zhí)行機(jī)組啟動(dòng)程序。針對(duì)此種情況，對(duì)給水系統(tǒng)進(jìn)行邏輯優(yōu)化，添加手動(dòng)釋放給水系統(tǒng)在運(yùn)行邏輯功能塊，余熱鍋爐釋放條件不需要再啟動(dòng)給水泵。優(yōu)化之后，該廠在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)都是在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火后再啟動(dòng)給水泵和循泵，每次機(jī)組啟動(dòng)可節(jié)約廠用電量900 kWh。

b.對(duì)儀用空氣壓縮機(jī)A的冷卻水進(jìn)行改造。該廠儀用空氣壓縮機(jī)的冷卻水為閉冷水，當(dāng)機(jī)組備用時(shí)，閉冷水的用戶只有儀用空壓機(jī)，閉冷泵只向這一個(gè)用戶提供冷卻水的成本很高。通過(guò)技術(shù)改造，對(duì)儀用空氣壓縮機(jī)A的冷卻水進(jìn)行改造，增加一路小流量的冷卻水系統(tǒng)，由1臺(tái)小功率的冷卻水泵提供壓力。正常運(yùn)行時(shí)由閉冷水系統(tǒng)帶動(dòng)，機(jī)組備用時(shí)可以切換至小冷卻水泵帶動(dòng)。

c.減少不必要的輔機(jī)運(yùn)行時(shí)間。在啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)，根據(jù)機(jī)組工況，合理安排輔機(jī)啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，減少不必要的輔機(jī)運(yùn)行時(shí)間。在每天的啟停調(diào)峰時(shí)，按計(jì)劃并網(wǎng)時(shí)間前2.5 h開(kāi)始啟動(dòng)凝泵。由于凝泵出口壓力為2.5 MPa，當(dāng)汽包壓力在2 MPa以下時(shí)，只啟動(dòng)凝泵和除氧泵給鍋爐上水，當(dāng)汽包壓力大于2 MPa時(shí)才啟動(dòng)給水泵上水。

d.盡量維持單循泵運(yùn)行。該廠每臺(tái)機(jī)組有2臺(tái)循泵，向凝汽器提供循環(huán)冷卻水。在燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)運(yùn)行期間，盡量維持單循泵運(yùn)行。如果單循環(huán)運(yùn)行時(shí)凝汽器壓力較大，要及時(shí)啟動(dòng)備用循泵，以便維持真空。機(jī)組聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)凝汽器壓力大于4.0 kPa時(shí)維持雙循泵運(yùn)行，低于3.0 kPa時(shí)維持單循泵運(yùn)行。

e.通過(guò)改變循環(huán)水泵接線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的改變，夏天2臺(tái)泵都高速運(yùn)行，冬季2臺(tái)泵都低速運(yùn)行，春秋季高低速配合運(yùn)行。

f.機(jī)組停運(yùn)后及時(shí)停運(yùn)各輔機(jī)設(shè)備，減少?gòu)S用電的消耗。

①當(dāng)汽輪機(jī)脫扣后，及時(shí)停運(yùn)1臺(tái)循泵，維持單循泵運(yùn)行。

②待旁路關(guān)閉以后，及時(shí)停運(yùn)汽輪機(jī)液壓油泵和高旁油站，在啟機(jī)前再投入運(yùn)行。

③機(jī)組解列0.5 h后停循泵，由升壓泵提供循環(huán)水，暫時(shí)維持軸封真空系統(tǒng)運(yùn)行。

④機(jī)組解列1.5 h后退軸封真空，停運(yùn)循環(huán)水系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)。

⑤如果機(jī)組停運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)及時(shí)停運(yùn)閉冷水系統(tǒng)、罩殼通風(fēng)系統(tǒng)和防喘空壓機(jī)。

⑥待高壓缸溫度降至100 ℃后及時(shí)停運(yùn)盤車、潤(rùn)滑油泵和頂軸油泵。

g.如果計(jì)劃停機(jī)時(shí)間超過(guò)2天，機(jī)組停運(yùn)后要將廠用電由高廠變切至高備變帶，減少變壓器的損耗。

h.合理控制照明時(shí)間，減少不必要的照明用電。同時(shí)加強(qiáng)管理，提高節(jié)約用電的意識(shí)，減少辦公、空調(diào)等非生產(chǎn)用電。

通過(guò)運(yùn)行方式的優(yōu)化，廠用電率明顯降低，在啟動(dòng)次數(shù)多、發(fā)電量又少的情況下，將2020年的生產(chǎn)廠用電率下降至2.14%，環(huán)比下降0.01%。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，光伏和風(fēng)電等新能源快速發(fā)展，而且天然氣價(jià)格不斷上漲，在目前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，燃?xì)怆姀S運(yùn)營(yíng)壓力很大，在保證設(shè)備運(yùn)行安全的前提下，該電廠通過(guò)設(shè)備運(yùn)行方式的優(yōu)化，不斷降低發(fā)電成本，提高電廠經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展。