郭偉康

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建晉江　362251）

S109FA聯(lián)合循環(huán)兩班制運行機組節(jié)能改造

郭偉康

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建晉江362251）

對S109FA聯(lián)合循環(huán)兩班制運行機組的性能加熱器邏輯、溫度匹配函數(shù)及危險氣體保護進行了優(yōu)化，對循環(huán)水泵電機冷卻水、閉冷水系統(tǒng)進行了改造，通過分析技術改造前、后的數(shù)據(jù)，證明幾起典型的技術改造能夠滿足機組的長期安全運行要求，優(yōu)化了機組的運行工況，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

S109FA燃氣輪機；聯(lián)合循環(huán)；兩班制運行；節(jié)能改造

0　引言

福建晉江天然氣發(fā)電有限公司一期工程#1～#4機組是引進美國GE公司技術的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，屬于S109FA系列。一套燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組由1臺PG9351FA燃氣輪機、1臺D10蒸汽輪機、1臺390H發(fā)電機和1臺三壓、再熱余熱鍋爐等組成。燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機在同一軸系運行，軸系總長42 m，采用8個軸承支撐。啟動階段機組將發(fā)電機轉(zhuǎn)為同步電機模式，通過負荷變頻器（LCI）供電驅(qū)動發(fā)電機帶動整個軸系轉(zhuǎn)動。4臺機組于2010年10月全部投產(chǎn)，目前機組兩班制運行。

國產(chǎn)化率較高的S109FA聯(lián)合循環(huán)機組以及S109FA聯(lián)合循環(huán)設計原型以機組帶基本負荷為主，并未充分考慮晝啟夜停的兩班制運行模式，因此，自2010年10月投產(chǎn)以來，機組的可靠性、穩(wěn)定性相對較差，該公司通過持續(xù)的、創(chuàng)新性的節(jié)能技術改造和邏輯優(yōu)化，在短短幾年內(nèi)，機組的可靠性、廠用電率、啟動成功率等各項指標位列同類型機組的前列。本文介紹了幾起典型的節(jié)能技術改造實例，通過實例可以看出，只有不斷地進行節(jié)能技術改造，才能不斷地提升機組的各項指標。文中縮短的啟動時間內(nèi)，均假設天然氣流量為20000 m3/h、廠用電量每小時5000 kW·h、每臺機組年均啟動300次計算。

1　性能加熱器邏輯優(yōu)化

1.1技改背景

S109FA燃氣輪機采用DLN2.0+的燃燒系統(tǒng)，能適應較寬范圍的氣體燃料熱值，但由于燃料噴嘴的限制，特定的燃燒室系統(tǒng)只能適應較小的燃料熱值變化，因此引入當量韋伯指數(shù)對燃料控制閥進行修正，GE公司規(guī)范要求當量韋伯指數(shù)的變化范圍在±5%以內(nèi)。當由于燃料熱值或天然氣溫度的變化導致當量韋伯指數(shù)變化超過5%時，需要修改燃燒系統(tǒng)的控制方式，滿足燃料噴嘴的壓力比［1］。當量韋伯指數(shù)的數(shù)學公式為

式中：kMWI為當量韋伯指數(shù)；QLHV為氣體燃料的低位熱值；T為氣體燃料的絕對溫度；μSG為氣體燃料相對于空氣的質(zhì)量比。

Mark VI控制系統(tǒng)中，當量韋伯指數(shù)的數(shù)學公式中除T為變量外，其余參數(shù)均設定為常數(shù)。T主要受性能加熱器的控制，GE公司原設計是在機組并網(wǎng)后燃氣輪機燃燒參考溫度TTRF1大于676.7℃時投入性能加熱器，此設計在實際的兩班制運行中帶來了如下問題。

（1）限制了燃氣輪機負荷的上升，進而延長了汽輪機進汽的時間，因此，延長了機組的啟動時間，增加了機組的啟動成本。

（2）性能加熱器的熱源取自余熱鍋爐中壓省煤器出口，因此，當性能加熱器投入時，中壓給水泵在運行狀態(tài)，性能加熱器進水隔離閥需承受5 MPa的壓差，經(jīng)常出現(xiàn)隔離閥開啟故障，導致性能加熱器無法正常按程序投入，影響天然氣溫度的上升，嚴重影響了機組的正常啟動。

1.2技術改進

為了滿足DLIN2.0+燃燒系統(tǒng)對天然氣溫度的分階段要求（如圖1所示）［2］，修改了性能加熱器的啟動邏輯，將中壓給水泵的啟動與性能加熱器的投入進行聯(lián)動。在機組點火前，先按照順序控制啟動中壓給水泵，再投入性能加熱器，性能加熱器出口的溫度控制閥不開啟，避免了性能加熱器入口隔離閥故障。機組點火成功后，溫度控制閥維持5%的開度，保證天然氣的升溫需要，機組并網(wǎng)后，再執(zhí)行將天然氣溫度加熱到185℃的邏輯。

圖1　DLN2.0+燃燒系統(tǒng)對天然氣溫度的要求

1.3技術改進的效益

通過上述邏輯優(yōu)化后，未再出現(xiàn)因性能加熱器閥門故障導致機組不能正常按程序啟動的現(xiàn)象，且由于性能加熱器的提前投入，大大縮短了并網(wǎng)后等待天然氣溫度上升而導致燃氣輪機不能正常升負荷的時間，啟動時間縮短了10 min，綜合折算，4臺機組1年可取得950萬元的經(jīng)濟效益。

2　溫度匹配函數(shù)優(yōu)化

2.1技術改進背景

溫度匹配函數(shù)主要作用是通過控制燃氣輪機的排氣溫度實現(xiàn)主蒸汽溫度和汽輪機金屬溫度的匹配，該公司機組啟、停頻繁，且4臺機組每年的溫態(tài)、冷態(tài)啟動次數(shù)較多，根據(jù)機組的特性和近幾年的實際運行經(jīng)驗，機組冷態(tài)啟動時燃氣輪機的排氣溫度上升速度應放緩，機組溫態(tài)啟動時燃氣輪機的排氣溫度上升速度應適當加快，但機組在調(diào)峰運行實踐中發(fā)現(xiàn)目前的溫度匹配函數(shù)與期望值存在一定偏差，具體有以下表現(xiàn)。

（1）機組冷態(tài)啟動時，排氣溫度上升過快，不利于汽輪機在低負荷工況下暖缸，進而引起汽輪機的軸承振動大，嚴重時甚至會造成機組解列。

（2）機組溫態(tài)啟動時，溫度匹配值偏低，排煙溫度上升過慢，余熱鍋爐無法及時獲得足夠的熱量，同時等待汽輪機進汽的時間過長，延長了機組的啟動時間，增加了機組的啟動成本。

2.2GE公司推薦的溫度匹配函數(shù)

為了進一步對溫度匹配函數(shù)進行優(yōu)化，并尋求最佳的溫度匹配過程，參考GE公司技術文檔中對主蒸汽溫度與汽輪機第1級金屬溫度（或再熱轉(zhuǎn)子金屬溫度）的溫差要求，最佳溫差，28℃；允許溫差，-56～+111℃；最高溫差，-167～+222℃（+表示主蒸汽溫度高于汽輪機的缸溫，-表示主蒸汽溫度低于汽輪機的缸溫）。

2.3技術改進

通常，高壓主蒸汽溫度要比燃氣輪機排氣溫度低25～40℃，中壓主蒸汽溫度和低壓主蒸汽溫度則比它們各自在余熱鍋爐中上游方向的燃氣溫度低11℃左右［3］。考慮余熱鍋爐熱端溫差的影響，經(jīng)過技術人員的討論，對溫度匹配函數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化前、后的溫度匹配函數(shù)見表1。

表1　優(yōu)化前、后的溫度匹配函數(shù)

溫度匹配函數(shù)的優(yōu)化符合兩班制運行機組的特點，主要有以下作用。

（1）既滿足GE公司的要求，又能減少機組的啟動時間。

（2）機組溫態(tài)啟動時，通過適當抬高溫度匹配值，余熱鍋爐獲得更多熱量，汽輪機可以提前進汽進行暖缸，降低啟動過程的汽輪機軸承振動，降低啟動過程中機組跳機的風險。

2.4技術改進的效益

通過優(yōu)化燃氣輪機溫度匹配函數(shù)，在滿足GE公司相關規(guī)范的同時盡可能地符合兩班制運行機組的特性。溫度匹配函數(shù)技術改進后，取得了顯著的社會、經(jīng)濟效益，具體有以下表現(xiàn)。

（1）機組冷態(tài)啟動時，通過控制燃氣輪機的排氣溫度，在減少了機組冷態(tài)啟動時間的前提下又使汽輪機得到了足夠的暖缸時間，減少了冷態(tài)啟動時因機組軸承振動大而跳機的次數(shù)，延長了設備的使用壽命，減少了維護費用的支出。

（2）機組溫態(tài)、冷態(tài)啟動時，在滿足機組安全的前提下減少了機組的啟動時間，溫態(tài)、冷態(tài)啟動時間平均減少了30 min，4臺機組1年可取得近2300萬元的經(jīng)濟效益。

（3）機組冷態(tài)啟動時更為有效地控制了軸承振動，減少了機組的跳機次數(shù)，降低了被電網(wǎng)通報和考核的概率，提升了機組的可靠性和啟動成功率，取得了良好的社會效益。

3　危險氣體保護邏輯優(yōu)化

3.1技術改進背景

4臺機組自投產(chǎn)以來多次發(fā)生危險氣體體積分數(shù)高而導致啟動失敗的事故，據(jù)統(tǒng)計，年均發(fā)生7.5次。經(jīng)過對4臺機組投產(chǎn)以來數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

（1）在因危險氣體體積分數(shù)高而導致啟動失敗的事故中，95%是由于現(xiàn)場相關閥門泄漏，使危險氣體聚集。

（2）在危險氣體體積分數(shù)高導致啟動失敗的事故中，90%是由于閥門的閥桿、盤根、密封圈失效和閥門中分面泄漏，而非危險氣體探頭故障。

（3）危險氣體體積分數(shù)高導致啟動失敗事故中90%發(fā)生在燃料小間。

（4）從安裝位置來看，危險氣體探頭必須安裝在爆炸性混合物容易聚集的地方，由于CH4比空氣輕［4］，因此，燃料小間的危險氣體探頭安裝在燃料小間頂部。當閥門閥桿或接頭存在微小泄漏時，在兩班制運行期間，燃料小間閥門處于相對“熱”狀態(tài)，泄漏量相對較小。一旦機組較長時間停運后，閥門處于相對“冷”狀態(tài)，此時較為真實地反映現(xiàn)場閥門的泄漏情況，危險氣體泄漏后容易聚集于頂部，當機組啟動執(zhí)行泄漏試驗天然氣充壓后，使燃料小間內(nèi)的危險氣體體積分數(shù)瞬間達到危險氣體保護動作值，從而觸發(fā)啟動失敗保護。

3.2技術改進的實施

歐美電廠通常的做法是以大功率燃氣輪機帶基本負荷為主，中小功率燃氣輪機采取調(diào)峰模式，而國內(nèi)實際情況剛好相反，因此，GE公司S109FA機組的設計初衷并未充分考慮晝啟夜停的兩班制運行的調(diào)峰模式，從而導致燃料小間部件過早失效。因此，對歐美以帶基本負荷為主的電廠而言，GE公司現(xiàn)階段的危險氣體保護配置是合理的，但對該公司晝啟夜停的兩班制運行模式的危險氣體保護配置不夠合理。因此，針對燃料小間危險氣體體積分數(shù)高導致啟動失敗的現(xiàn)象，重點考慮修改危險氣體風機的啟、停邏輯。修改前邏輯為當燃料小間危險氣體體積分數(shù)達到10%爆炸下限（LEL）時，啟動風機進行吹掃，修改為增加當燃料小間危險氣體體積分數(shù)達到5%LEL時，啟動風機，且延時12 min，以躲過燃氣輪機的清吹時間，避免風機頻繁啟、停。

3.3技術改進的安全性分析

從燃料小間危險氣體保護配置邏輯改造的安全角度來看，現(xiàn)場實測的體積分數(shù)百分比均為LEL，如CH4的爆炸下限為5.00%體積比（空氣中CH4的體積分數(shù)為5.00%時達到爆炸下限），那么，把這個5.00%體積分數(shù)分為100等分，讓5.00%體積分數(shù)對應100%LEL，也就是說，當Mark VI控制系統(tǒng)顯示的數(shù)值達100%LEL時，相當于此時燃料小間CH4的實際體積分數(shù)為5.00%；當燃料小間實測可燃氣體探頭數(shù)值達5%LEL時，相當于此時CH4的實際體積分數(shù)為0.25%。因此，從安全性角度考慮，燃料小間設定5%LEL時啟動風機進行吹掃是安全的，無需提前。

3.4技術改進的效益

該公司2013年上半年對4臺機組陸續(xù)進行了改造，近1年未再發(fā)生類似事件，說明技術改進達到了期望的效果，取得以下效益。

（1）按以往該公司因危險氣體積分數(shù)高而導致啟動失敗事故年均發(fā)生7.5次計算，4臺機組年均取得了近120萬元的經(jīng)濟效益。

（2）提高了機組的啟動成功率和設備的可靠性，并徹底解決了困擾已久的因危險氣體體積分數(shù)高而引起啟動失敗的問題，安全效益顯著。

4　循環(huán)水泵電機冷卻水改造

4.1電機冷卻水改造背景

該公司4臺機組運行，8臺循環(huán)水泵排放的冷卻水流量超過70 t/h，按每日運行16 h計算，日排放廢水量達1120 t，嚴重超過允許的標準，且導致該公司在復用水量無法滿足要求的情況下使用工業(yè)水來補充，造成了很大的資源浪費，增加了生產(chǎn)成本。隨著環(huán)保壓力的增加，有必要對循環(huán)水泵冷卻水供水方式進行改造。

4.2技術改進的實施

經(jīng)相關人員討論后，確定將循環(huán)水泵電機冷卻水由并聯(lián)供水改為串聯(lián)供水，即將循環(huán)水泵電機滑油冷卻水的回水改為供盤根冷卻后再排放至冷卻水排放母管，最終排入廢水池。

改造前系統(tǒng)運行方式為電機冷卻水2路進水電磁閥開啟，滑油冷卻水回水至冷卻水母管隔離閥開啟，循環(huán)水泵盤根冷卻水供水隔離閥開啟。

改造后系統(tǒng)運行方式為電機冷卻水2路進水電磁閥開啟，滑油冷卻水回水至冷卻水排放母管隔離閥關閉，循環(huán)水泵盤根供水隔離閥關閉，新增條件為滑油冷卻水回水至盤根冷卻隔離閥開啟，改造后的系統(tǒng)流程如圖2所示。

4.3技術改進后的效益

經(jīng)過迎峰度夏期間的高溫天氣檢驗，證明循環(huán)水泵電機冷卻水改造是安全的，因此，循環(huán)水泵電機冷卻水由并聯(lián)供水改為串聯(lián)供水方案是成功的，取得較大的社會、經(jīng)濟效益，具體體現(xiàn)如下。

圖2　循環(huán)水泵電機冷卻水改造后流程

（1）降低廢水排放量，滿足環(huán)保排放要求。改造后，4臺機組運行，廢水排放量約12 t/h，日均排放廢水192 t（按每日運行16 h計算），完全滿足環(huán)保局簽發(fā)的該公司年度排污許可要求。

（2）減少原水消耗量。改造前，化水通過日均補充原水500 t進入復用水池，供循環(huán)水泵電機冷卻水消耗。改造后，化水基本不用再補充原水，由發(fā)電生產(chǎn)工藝流程所產(chǎn)生的復用水已滿足正常要求，年平均節(jié)約原水15萬t。

（3）節(jié)約廠用電量的消耗。改造前，3臺及以上機組運行時，均需開啟2臺循環(huán)水泵電機冷卻水泵運行。改造后，只需開啟1臺循環(huán)水泵電機冷卻水泵，年節(jié)約廠用電35520 kW·h。

5　閉冷水系統(tǒng)的改造

5.1閉冷水系統(tǒng)改造背景

該公司閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原設計中配備有2臺閉式循環(huán)冷卻水泵、1臺停機冷卻水泵，閉式循環(huán)冷卻水泵為所有閉式循環(huán)冷卻水用戶提供冷卻水，停機冷卻水泵為潤滑油冷卻器、抗燃油冷卻器提供冷卻水。在機組停運后，對燃氣輪機后支撐腿、火焰探測器、氫氣干燥器、凝結(jié)水泵、化水取樣必須提供閉式循環(huán)冷卻水來冷卻，但原設計中只有閉式循環(huán)冷卻水泵提供冷卻水，因此，機組停運后必須保持閉式循環(huán)冷卻水泵的運行。閉式循環(huán)冷卻水泵功率為315 kW，嚴重影響該公司的廠用電率，因此，有必要對閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行改造。

5.2技術改進的實施

經(jīng)過該公司技術人員的討論，決定改造閉式冷卻水系統(tǒng)相關負荷的供水管線。改造后增加了1路停機冷卻水泵，為燃氣輪機后支撐腿、火焰探測器、氫氣干燥器、凝結(jié)水泵、化水取樣提供冷卻水。

5.3技術改進的效益

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造初期，在機組停運后對新增加的閉式循環(huán)冷卻水用戶溫度進行監(jiān)視，并對比改造前溫度，迎峰度夏期間的連續(xù)監(jiān)測表明閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的改造是安全的，使用簡單、低成本的改造取得了良好的社會、經(jīng)濟效益，具體有以下表現(xiàn)。

（1）節(jié)約廠用電量的消耗。假設1臺機組年均啟、停300次，日停運7h計算，則3臺機組年均可取得55萬元的節(jié)能收益。

（2）閉式循環(huán)冷卻水運行方式更加靈活。改造后，實現(xiàn)了在機組熄火后，閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由閉式冷卻水泵切換至停機冷卻水泵運行。改造前機組備用期間和啟動準備時，閉式循環(huán)冷卻水泵需保持連續(xù)運行，而改造后只需保持停機冷卻水泵運行。減少了閉式循環(huán)冷卻水泵的運行時間，減少了生產(chǎn)成本。

6　結(jié)束語

介紹了幾起S109FA聯(lián)合循環(huán)兩班制運行機組典型的節(jié)能技術改造，改造簡單，成本低廉，收益高。隨著天然氣價格的上漲，預計減少廠用電率、提高機組的啟動成功率將成為下一步天然氣電廠的重點。本文為兩班制運行的天然氣調(diào)峰電廠節(jié)能提供一個研究方向，同時也為推動重型燃氣輪機的國產(chǎn)化研制提供一定的借鑒。

［1］張士明.S109FA聯(lián)合循環(huán)機組的天然氣系統(tǒng)［J］.燃氣輪機技術，2007，20（4）：15-15.

［2］中國華電集團公司.大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術叢書：設備及系統(tǒng)分冊［M］.北京：中國電力出版社，2009：80-81.

［3］焦樹建.論設計余熱鍋爐時必須考慮的若干問題［J］.燃氣輪機技術，2003，16（1）：37-38.

［4］李勇輝，宋瑪琳.S109FA機組危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)［J］.燃氣輪機技術，2006，19（3）：45-46.

（本文責編：弋洋）

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1674-1951（2016）08-0071-04

2016-05-04；

2016-07-26

郭偉康（1973—），男，福建龍巖人，工程師，從事燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)管理方面的工作（E-mail：gwklcl_gxy＠126.com）。