黃 慶，周 建，章 恂，李曉柯

(華能南京燃機發(fā)電有限公司，南京 210034)

當前，隨著城市化進程的快速發(fā)展，環(huán)境問題也日益突出，環(huán)境治理已經(jīng)刻不容緩，這給天然氣發(fā)電帶來了前所未有的發(fā)展機遇。與燃煤發(fā)電相比，天然氣屬于一種清潔能源，燃燒不產(chǎn)生灰、渣、二氧化硫等有害物質(zhì)，而且燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電效率接近60%，相比燃煤機組約40%的熱效率，能源利用率有了很大提高；同時，啟停機靈活快速、負荷反應(yīng)靈敏等特性使其具有更好的調(diào)峰能力[1]。GE 9E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組一般不參與電網(wǎng)的調(diào)峰，不需要每天進行啟停，冷態(tài)機組從燃氣輪機啟動到汽輪機帶滿負荷需205 min，明顯啟動時間過長，對機組的氣耗、電耗、電網(wǎng)的調(diào)度以及機組經(jīng)濟性肯定會帶來一定的影響。本文將以#5/6機組冷態(tài)啟動為例，通過分析影響機組冷態(tài)啟動時間的主要因素，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，縮短冷態(tài)啟動時間，盡可能提高機組冷態(tài)啟動的經(jīng)濟性。

1 設(shè)備概況

華能南京燃機發(fā)電有限公司擁有兩套GE 9E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組。兩套機組分別于2013年4月6日和2013年5月28日通過72+24h考核運行，主機設(shè)備由南京汽輪電機(集團)有限責任公司(下簡稱南汽公司)總承包提供，燃氣輪機采用南汽公司與GE公司聯(lián)合生產(chǎn)的PG9171E型重型燃氣輪機，汽輪機為南汽公司生產(chǎn)的單缸、雙壓、無再熱、下排汽、單軸抽汽凝汽式供熱機組，型號為LCZ60-5.8/1.1/0.58；燃氣輪機發(fā)電機與汽輪機發(fā)電機為南汽公司生產(chǎn)的箱式結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)無刷勵磁、空氣冷卻發(fā)電機，型號分別為QFR-135-2和QFW-63-2；余熱鍋爐為中國船舶重工集團公司第七零三所研制生產(chǎn)的臥式、無補燃、水平煙氣流、雙壓、自然循環(huán)鍋爐，型號為Q1178.6/546.4-190.3-6.0/521；DCS為艾默生公司的OVATION系統(tǒng)[3]。

2 機組冷態(tài)啟動主要步驟

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組正常冷態(tài)啟動時燃氣輪機從啟動到帶滿負荷是按設(shè)計程序進行的，運行人員很少能干預(yù)，而余爐鍋爐、汽輪機啟動則是以運行人員手動操作為主，機組正常冷態(tài)啟動主要步驟如下：

(1) 燃氣輪機啟動，啟動電機運行，帶動燃氣輪機升速至750 r/min，壓氣機吹掃8.1 min后燃氣輪機降速至350 r/min點火升速至額定轉(zhuǎn)速、發(fā)電機并網(wǎng)。

(2) 余熱鍋爐隨著燃氣輪機點火，高、低汽水系統(tǒng)開始啟動升溫升壓。

(3) 當高壓主汽壓力2.0～2.5 MPa，主蒸汽溫度300～350 ℃且具有50 ℃以上的過熱度時，汽輪機開始以120 r/min速率沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)至600 r/min時暖機5～10 min，暖機結(jié)束后以240 r/min升至全速、并網(wǎng)。

(4) 汽輪機并網(wǎng)后高壓主蒸汽調(diào)節(jié)閥逐步全開，高壓旁路逐步全關(guān)，汽輪機根據(jù)高壓汽缸內(nèi)上缸的溫度與高壓主蒸汽溫度的匹配，隨燃氣輪機滑參數(shù)啟動。

(5) 汽輪機負荷升至額定負荷的30%時進行低壓蒸汽進汽，投入汽輪機低壓補汽。

(6) 根據(jù)省電網(wǎng)調(diào)度要求將燃氣輪機帶至目標負荷值。

3 優(yōu)化前冷態(tài)啟動過程

9E機組冷態(tài)啟動過程中燃氣輪機從啟動至并網(wǎng)人為操作干預(yù)極少，而并網(wǎng)后燃氣輪機初始負荷的選擇對排煙溫度、汽輪機高壓主蒸汽升溫升壓速度影響較大，也直接影響到整個啟動用時和啟動過程中機組氣耗、發(fā)電量、NOx排放量等主要經(jīng)濟指標。同時，冷態(tài)啟動時汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)的選擇也有一定范圍，在高壓主蒸汽壓力和溫度的允許范圍內(nèi)，做出合適的參數(shù)選擇，直接決定了高壓主蒸汽升溫升壓過程所需的時間。綜上，本文主要從燃氣輪機并網(wǎng)后初始負荷的選擇和汽輪機冷態(tài)沖轉(zhuǎn)高壓主蒸汽壓力和溫度的選擇以及汽輪機并網(wǎng)后燃氣輪機預(yù)選負荷的設(shè)定上分析研究9E機組冷態(tài)啟動優(yōu)化的可行性。

優(yōu)化前電廠9E機組冷態(tài)啟動燃氣輪機并網(wǎng)后初始負荷選擇8 MW，燃氣輪機排氣溫度為405 ℃，汽輪機高壓主蒸汽沖轉(zhuǎn)壓力選擇2.0 MPa，溫度選擇300 ℃?？梢姡邏褐髡羝臏囟群蛪毫鶠槔鋺B(tài)沖轉(zhuǎn)要求范圍的下限，同時為避免排煙溫度過高，造成高壓旁路和高壓蒸汽減溫水調(diào)門開度過大，燃氣輪機負荷也選擇了較為保守的8 MW。以2017年1月20日，#5/6機組的一次冷態(tài)啟動過程分析在該參數(shù)下機組啟動用時及各指標情況。

此次啟動前機組停運75 h，汽輪機高壓內(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度為180 ℃。由圖1可以看出，#5燃氣輪機05:49并網(wǎng)后初始負荷選擇8 MW，排氣溫度405 ℃，鍋爐開始緩慢升溫升壓，高壓主蒸汽沖轉(zhuǎn)壓力為2.0 MPa、溫度300 ℃，直至06:13 #6汽輪機滿足沖轉(zhuǎn)條件，用時24 min；6:45 #6汽輪機并網(wǎng)后燃氣輪機開始升負荷；07:52 #5燃氣輪機切換至預(yù)混燃燒模式，NOx排放濃度合格，總啟動用時145 min。

另外，從此次啟動的其它相關(guān)參數(shù)可以看出，由于燃氣輪機初始負荷選擇較低，排氣溫度較低，#6汽輪機滿足沖轉(zhuǎn)參數(shù)時，高旁開度為95%，高壓給泵頻率為37.5 Hz，高壓主汽減溫水調(diào)門開度為42%，都有一定裕度[7]。

由計算可得，此次啟動過程中耗氣量3.5×104m3(標準狀況下，下同)；機組發(fā)電量為8.87×104kW·h；發(fā)電氣耗為0.395 m3/(kW·h)；燃氣輪機并網(wǎng)后在初級燃燒模式下NOx排放濃度90 mg/m3，時間為42 min，汽輪機并網(wǎng)后燃氣輪機逐漸加負荷直至燃燒模式切至預(yù)混期間NOx排放濃度為108 mg/m3，時間為81 min，NOx排放超標時間為123 min。

4 優(yōu)化后冷態(tài)啟動過程

根據(jù)生產(chǎn)實際需求，9E機組長期以來冷態(tài)啟動均采用上述優(yōu)化前參數(shù)，啟動耗時較長，啟動過程中消耗天然氣較多，氣耗較高，NOx超標時間和總排放量均較大，不利于機組的經(jīng)濟性和環(huán)保要求。仔細分析可以看出，燃氣輪機并網(wǎng)后僅帶8 MW的初始負荷占總啟動用時的61%，燃氣輪機負荷較低進而導致較低的排煙溫度，延長了鍋爐的升溫升壓速度，即使汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)均選擇要求范圍下線，啟動的絕大部分時間也消耗在了等待高壓主蒸汽的參數(shù)滿足沖轉(zhuǎn)條件上(2.0 MPa，300 ℃)，另外，在汽輪機滿足沖轉(zhuǎn)參數(shù)時，汽輪機高旁開度，高壓給泵頻率，高壓主汽減溫水調(diào)門開度，都有一定裕度。因此在選擇燃氣輪機初始負荷、汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)時，只要主蒸汽壓力、溫度在允許范圍內(nèi)，并且滿足汽輪機內(nèi)缸金屬熱應(yīng)力的要求，可以適當提高燃氣輪機排氣溫度、高壓主蒸汽沖轉(zhuǎn)參數(shù)，以快速滿足沖轉(zhuǎn)條件，大大縮短機組冷態(tài)啟動時間。

根據(jù)以上分析結(jié)合多次冷態(tài)啟動參數(shù)選擇試驗，優(yōu)化后電廠9E機組冷態(tài)啟動燃氣輪機并網(wǎng)后初始負荷選擇18 MW，燃氣輪機排氣溫度為510 ℃，汽輪機高壓主蒸汽沖轉(zhuǎn)壓力選擇2.5 MPa，溫度選擇320 ℃。以2018年8月22日，#5/6機組的一次冷態(tài)啟動過程分析在該參數(shù)下機組啟動用時及各指標情況。

此次啟動前機組停運79 h，汽輪機高壓內(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度為185 ℃。由圖2可以看出，#5燃氣輪機08:00并網(wǎng)后初始負荷選擇18 MW，排氣溫度為510 ℃。鍋爐升溫升壓速度明顯加快，08:15 #6汽輪機高壓主蒸汽沖轉(zhuǎn)壓力為2.5 MPa、溫度320 ℃，滿足沖轉(zhuǎn)條件，用時15 min；08:40 #6汽輪機并網(wǎng)后燃氣輪機開始升負荷；09:16 #5燃氣輪機切換至預(yù)混燃燒模式，NOx排放濃度合格，總啟動用時96 min。

另外，從此次啟動的其它相關(guān)參數(shù)可以看出，由于燃氣輪機選擇了較高的初始負荷，#6汽輪機滿足沖轉(zhuǎn)參數(shù)時，高旁開度為100%，高壓給泵頻率為47.5 Hz，高壓主汽減溫水調(diào)門開度為98%，充分利用了高旁容量、高壓減溫水流量，在保證機組沖轉(zhuǎn)安全的同時縮短了汽輪機沖轉(zhuǎn)等待時間。

由計算可得，此次啟動過程中消耗天然氣量2.88×104m3；機組發(fā)電量為10.41×104kW·h；發(fā)電氣耗為0.277 m3/(kW·h)；燃氣輪機并網(wǎng)后由于負荷高于優(yōu)化前，在初級燃燒模式下NOx排放濃度為94 mg/m3，也略高于優(yōu)化前，在此模式下持續(xù)時間為60 min，汽輪機并網(wǎng)后一段時間燃燒模式切至預(yù)混燃燒，此段NOx排放濃度為87 mg/m3，用時16 min，優(yōu)化后冷態(tài)啟動NOx總超標時間76 min。

5 優(yōu)化前后冷態(tài)啟動過程效果對比

5.1 啟動時間大幅減少

我廠9E機組投產(chǎn)后機組冷態(tài)啟動時汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)一直選擇較為保守，均選擇南汽廠家要求下限參數(shù)即高壓主汽壓2.0 MPa，主汽溫300 ℃，一方面是為了避免過高的蒸汽參數(shù)對汽輪機造成較大熱沖擊，使金屬各部分加熱不均勻；另一方面，考慮到較低的沖轉(zhuǎn)的蒸汽參數(shù)可以縮短了余熱鍋爐升溫升壓至進行汽輪機沖轉(zhuǎn)的時間，從而使汽輪機能盡早并網(wǎng)多發(fā)電。但是通過上文中兩次啟動時間可以看出，較低的沖轉(zhuǎn)參數(shù)反而使冷態(tài)啟動時間更長，主要是由于燃氣輪機并網(wǎng)后初始負荷的選擇較低，排煙溫度較低造成的。因此在滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)熱應(yīng)力、高壓旁路容量、高壓減溫水流量的情況下，盡可能提高排煙溫度，縮短了燃氣輪機并網(wǎng)至汽輪機沖轉(zhuǎn)這段啟動用時，見表1。同時，由于較高的沖轉(zhuǎn)主汽溫度，也加快了汽輪機進汽之后高壓缸內(nèi)缸的暖缸速度，使得汽輪機并網(wǎng)至燃氣輪機燃燒模式切至預(yù)混燃燒時間相對縮短，加快了燃氣輪機的升負荷速度，也大大減少了NOx的排放濃度超標時間，提升了啟動過程中機組的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

表1 #5/6機組冷態(tài)啟動優(yōu)化前后各階段時間對比 min

5.2 啟動發(fā)電氣耗明顯降低

啟動發(fā)電氣耗=啟動耗氣量/啟動發(fā)電量。由圖3可以看出，9E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行過程中發(fā)電氣耗與機組負荷的關(guān)系，負荷越高發(fā)電氣耗越低。優(yōu)化前，機組冷態(tài)啟動過程中耗氣量3.5×104m3，機組啟動發(fā)電量為8.87×104kW·h，發(fā)電氣耗為0.395 m3/(kW·h)；優(yōu)化后，機組冷態(tài)啟動過程中耗氣量2.88×104m3，機組啟動發(fā)電量為10.41×104kW·h，發(fā)電氣耗為0.277 m3/(kW·h)。

優(yōu)化后冷態(tài)啟動全程燃氣輪機負荷最低18 MW，相比優(yōu)化前燃氣輪機負荷長時間停留在8 MW，啟動發(fā)電量提高17.4%；由于總啟動時間的大幅降低，啟動耗氣量降低17.7%。9E燃氣輪機負荷低于50%時，氣耗會大幅上升，優(yōu)化后燃氣輪機較高的負荷使啟動氣耗降低29.8%。綜上，優(yōu)化后9E燃氣輪機冷態(tài)啟動氣耗明顯降低的同時啟動發(fā)電量也有相應(yīng)的提升，優(yōu)化后單次冷態(tài)啟動可創(chuàng)造效益近3萬元，以金陵燃氣輪機電廠兩臺9E機組2017年全年150次啟動計算，全年可創(chuàng)造效益約450萬元，極大提高了機組冷態(tài)啟動的經(jīng)濟性，達到機組節(jié)能降耗要求。

5.3 啟動NOx排放濃度超標時間降低

對于9E機組，在初級燃燒模式前期階段和預(yù)混燃燒模式下，NOx的排放濃度較低；在初級燃燒模式后期階段和貧貧燃燒模式，NOx排放濃度與燃氣輪機燃燒溫度大致成正比關(guān)系，且燃燒溫度在732～1 077 ℃之間，NOx排放濃度將超過50 mg/m3。當燃氣輪機切換至預(yù)混燃燒模式下時，NOx排放濃度會快速降低至13 mg/m3，滿足環(huán)保排放標準，因此影響冷態(tài)啟動階段NOx排放總量主要是燃氣輪機處于初級燃燒模式和貧貧燃燒模式下的時間長短。

根據(jù)南京市環(huán)保局對兩次啟動過程NOx排放的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，圖4中燃氣輪機處于初級燃燒初始階段NOx的排放濃度為90 mg/m3，隨著負荷的增大，初級燃燒后段NOx的排放濃度也會有所增大，處于貧貧燃燒階段NOx的排放濃度為100 mg/m3，根據(jù)優(yōu)化前后燃氣輪機所處各燃燒模式下NOx排放濃度超標時間和排放總量對比，如表2。優(yōu)化前冷態(tài)啟動過程NOx超標排放總量為132.51 kg，優(yōu)化后為88.85 kg，減少43.66 kg。

由表2可以看出，優(yōu)化后燃氣輪機在負荷18 MW下，NOx排放濃度雖然比優(yōu)化前燃氣輪機處于8 MW下的高出4 mg/m3且時間增多，但由于燃氣輪機燃燒模式在貧貧燃燒所停留的時間減少65 min，使得整個冷態(tài)啟動過程NOx排放濃度超標時間減少47 min。這是因為燃氣輪機并網(wǎng)后初始負荷較高，排氣溫度較高，不僅可以快速滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)條件同時也能滿足汽輪機并網(wǎng)后一段時間內(nèi)高壓主蒸汽的升溫升壓要求，只需調(diào)整高壓給泵頻率、高壓主汽減溫水調(diào)門開度和高旁開度即可控制高壓主蒸汽的升溫升壓速率，而且在燃氣輪機負荷穩(wěn)定的情況下，燃氣輪機排氣溫度、鍋爐煙氣溫度都相對穩(wěn)定，機組各參數(shù)相對穩(wěn)定也能減少運行人員操作，節(jié)約時間。同時，汽輪機并網(wǎng)后高壓缸暖缸速度加快，大幅縮短了燃氣輪機停留在貧貧燃燒模式下的時間。另外，優(yōu)化前后單次冷態(tài)啟動NOx排放總量降低43.66 kg，約占優(yōu)化前排放總量的1/3，以金陵燃氣輪機電廠兩臺9E機組2017年150次啟動計算，全年可減少NOx排放近6 600 kg，冷態(tài)啟動環(huán)保效果提升顯著。

表2 #5/6機組冷態(tài)啟動優(yōu)化前后NOx排放濃度超標時間對比

注：排放濃度是折算到15% O2條件下。

6 總結(jié)

1) 機組冷態(tài)啟動過程中，燃氣輪機并網(wǎng)后所帶初始負荷相對越高，機組啟動經(jīng)濟性越好。

2) 鍋爐升溫升壓過程中，在滿足汽輪機高旁容量和高壓主汽減溫水流量情況下，燃氣輪機盡可能保持高負荷，有利于縮短汽輪機沖轉(zhuǎn)前等待時間和提高機組啟動經(jīng)濟性。

3) 在汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中，在滿足沖轉(zhuǎn)參數(shù)下，燃氣輪機保持高負荷溫度，有利于沖轉(zhuǎn)參數(shù)的穩(wěn)定和機組各主要參數(shù)的調(diào)整。

4) 燃氣輪機升負荷過程中，在保證汽輪機缸體熱應(yīng)力滿足要求的情況下，利用高旁與減溫水控制主汽參數(shù)來縮短燃氣輪機處在貧貧燃燒模式下的時間，既可以保證NOx排放超標時間滿足環(huán)保要求，又能大幅降低整個冷態(tài)啟動過程中NOx的排放總量，提高機組啟動的環(huán)保性。

5) 冷態(tài)啟動過程中，控制好燃氣輪機排氣溫度與汽輪機缸溫合理匹配，使高壓主汽溫與高壓缸內(nèi)缸上壁金屬溫度差在50～70 ℃，保證汽輪機金屬應(yīng)力在最小范圍。

6) 優(yōu)化后機組冷態(tài)啟動時，高壓主蒸汽減溫水調(diào)門開度和高壓給泵頻率已加至最大，因此在原有基礎(chǔ)上對減溫水管路進行技改，冷態(tài)啟動優(yōu)化效果將更加顯著。

7) 通過優(yōu)化， 9E機組每次冷態(tài)啟動時間可縮短近50 min，NOx排放總量減少約1/3，創(chuàng)收經(jīng)濟效益近3萬元，經(jīng)濟性和環(huán)保效果得到同步提升。