李曉東，施超凡，劉鋼，沈啟華，李寬庭，羅智斌，陳春

（1.中電（四會(huì)）熱電有限責(zé)任公司，廣東 四會(huì) 526200；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

0 引言

在以天然氣作為燃料的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)后排汽管路和余熱鍋爐中可能會(huì)聚集可燃物質(zhì)。這些可燃物質(zhì)既有可能來自氣體燃料在機(jī)組備用期間的泄漏，也有可能來自停機(jī)前燃燒不完全而殘余的燃料［1-3］。燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火時(shí)煙道里溫度升高，當(dāng)煙道內(nèi)溫度達(dá)到可燃?xì)怏w的燃點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)忪F爆燃，從而損傷設(shè)備［4］。燃?xì)廨啓C(jī)排氣管道內(nèi)發(fā)生爆燃是概率性事件，其影響因素有燃燒效率、鍋爐型號、啟動(dòng)前吹掃時(shí)間和流道的幾何結(jié)構(gòu)等［5-6］。如果系統(tǒng)不能直接測量流道內(nèi)的可燃?xì)怏w成分，采用啟動(dòng)前吹掃可以避免可燃物質(zhì)在管道內(nèi)堆積，從而提高設(shè)備安全性。

某電廠建有2套F級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，采用上海電氣電站集團(tuán)引進(jìn)意大利安薩爾多技術(shù)生產(chǎn)的AE94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)，汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)分軸布置，余熱鍋爐采用杭州鍋爐集團(tuán)生產(chǎn)的三壓、再熱、無補(bǔ)燃、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐，并于室外布置。目前電廠采用固定吹掃模式，即每次燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前均由SFC（靜止變頻器）拖動(dòng)吹掃10 min，吹掃轉(zhuǎn)速在750 r/min左右。固定吹掃模式存在以下幾個(gè)問題：

1）增加機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間和廠用電耗。從燃?xì)廨啓C(jī)吹掃前升轉(zhuǎn)速到吹掃完成后降轉(zhuǎn)速的惰走時(shí)間約18～20 min，此段時(shí)間內(nèi)會(huì)消耗壓氣機(jī)、SFC等設(shè)備大量功耗。

2）增加機(jī)組安全隱患。由于是調(diào)峰機(jī)組，機(jī)組啟停頻率較高。頻繁啟機(jī)吹掃會(huì)加劇金屬疲勞、熱部件的局部燒蝕等設(shè)備安全問題的產(chǎn)生［7］。

3）增加機(jī)組低負(fù)荷暖機(jī)時(shí)間。機(jī)組溫、熱態(tài)啟動(dòng)吹掃是對余熱鍋爐的強(qiáng)制冷卻過程，余熱爐保溫保壓能力也會(huì)有所下降，從而推遲蒸汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)間。

基于電網(wǎng)對聯(lián)合循環(huán)電廠快速啟停的需求并考慮到調(diào)峰機(jī)組早啟晚停的特性，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的情況下對燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)前吹掃流程進(jìn)行優(yōu)化改造，可以有效地減少廠用電耗并縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組對電網(wǎng)負(fù)荷的快速響應(yīng)能力。

1 燃?xì)廨啓C(jī)吹掃研究現(xiàn)狀

目前對燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)吹掃策略的研究主要集中在吹掃時(shí)間的縮短以及機(jī)組出現(xiàn)異常工況后的處理方法上。文獻(xiàn)［7］通過對燃?xì)廨啓C(jī)從排氣口至余熱鍋爐煙囪出口（包括燃?xì)廨啓C(jī)排氣擴(kuò)壓段、進(jìn)口過渡煙道、進(jìn)口煙道、鍋爐本體、出口煙道、主煙囪等）的整個(gè)煙氣通道總?cè)莘e進(jìn)行計(jì)算，按照至少3倍吹掃體積的要求并考慮到燃?xì)廨啓C(jī)吹掃轉(zhuǎn)速降至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的時(shí)間，將吹掃時(shí)間縮短為300 s［7］。該方案雖然縮短了吹掃時(shí)間，但每次機(jī)組啟動(dòng)仍不可避免地需要吹掃，并未從根本上解決耗電耗時(shí)的問題。文獻(xiàn)［8］采用類似的估算方法，并從減緩金屬設(shè)備老化速度的角度出發(fā)，將啟動(dòng)吹掃時(shí)間縮減為180 s，同時(shí)將點(diǎn)火失敗后的下一次吹掃時(shí)間延長至典型值550 s［8］。此方法進(jìn)一步縮減了吹掃時(shí)間，并考慮了點(diǎn)火失敗的影響，但對于異常工況的考慮略顯不足，仍存在安全隱患。文獻(xiàn)［9］提出了一種彈性吹掃策略，在燃?xì)廨啓C(jī)下游流道和余熱鍋爐內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢锰幏胖脺y點(diǎn)，取得明確的可燃?xì)怏w數(shù)據(jù)后引入控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)決定吹掃時(shí)間，但并未對控制策略的實(shí)施進(jìn)行深入研究［9］。

本文對某電廠燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前的吹掃流程進(jìn)行深入分析，提出一種改進(jìn)的彈性吹掃策略，并完善異常工況下的吹掃處理流程。

2 取消燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)吹掃的可行性

機(jī)組在停機(jī)過程中，燃料截止閥、值班閥、預(yù)混閥會(huì)首先關(guān)閉，接著燃?xì)廨啓C(jī)才熄火［10］。此過程中可能有少量天然氣留存在管道內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)惰走過程（轉(zhuǎn)速從3 000 r/min降至833 r/min）也可視為燃?xì)廨啓C(jī)吹掃過程，此過程中吹走的空氣體積約36 302 m3，約為鍋爐體積的5倍，可滿足鍋爐吹掃要求。天然氣供應(yīng)系統(tǒng)在燃料截止閥后設(shè)有燃料放散閥，該閥門在停機(jī)期間保持常開。如果燃?xì)廨啓C(jī)在停機(jī)期間出現(xiàn)燃料截止閥關(guān)閉不嚴(yán)的情況，會(huì)導(dǎo)致有部分天然氣漏入管道中，也可通過燃料放散閥把氣體排入空氣中。這些措施在一定程度上避免了停機(jī)期間天然氣經(jīng)供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的可能性。天然氣供應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 天然氣供應(yīng)系統(tǒng)Fig.1 Natural gas supply system

美國消防協(xié)會(huì)的NFPA8506余熱鍋爐標(biāo)準(zhǔn)（1998版）對清吹做了明確闡述說明：清吹應(yīng)實(shí)現(xiàn)至少5倍容積置換（燃?xì)廨啓C(jī)后至余熱鍋爐最末級蒸發(fā)器），清吹持續(xù)時(shí)間不少于5 min，清吹流量不能小于燃?xì)廨啓C(jī)全功率質(zhì)量流量的8%。具體清吹時(shí)間取決于所選的燃料、余熱鍋爐和煙道設(shè)計(jì)，以及原始設(shè)備制造商的指導(dǎo)。目前燃?xì)廨啓C(jī)典型清吹時(shí)間從5 min到18 min不等［11］。日本標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)在JIS B8042《Gas Turbines-Procurement》中規(guī)定：吹掃操作為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動(dòng)前的必須安全措施，規(guī)定吹掃必須完成3倍容積的氣體置換，容積計(jì)算范圍為燃?xì)廨啓C(jī)排氣口，包含燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐的連接部分、余熱鍋爐本體及煙囪［12］。隨著燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)啟機(jī)的清吹問題一直在行業(yè)內(nèi)得到廣泛討論，部分聯(lián)合循環(huán)供應(yīng)商和運(yùn)營商建議取消對調(diào)峰機(jī)組的清吹要求。

中國現(xiàn)行的最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14099.3—2009《燃?xì)廨啓C(jī)-采購第3部分：設(shè)計(jì)要求》規(guī)定：啟動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)提供足夠的時(shí)間用于燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)清吹，以確保燃?xì)廨啓C(jī)和下游部件的安全運(yùn)行。除非國家另有規(guī)定，清吹周期通常應(yīng)在機(jī)組點(diǎn)火前至少對包括煙囪在內(nèi)的整個(gè)排氣系統(tǒng)空間進(jìn)行3倍體積的清吹。當(dāng)有可替代的預(yù)防措施時(shí)，可以不需要吹掃［13］。在燃?xì)廨啓C(jī)排氣擴(kuò)散段安裝天然氣探測儀并監(jiān)測天然氣濃度，符合標(biāo)準(zhǔn)中提到的可替代預(yù)防措施要求。國家能源局綜合司在《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中規(guī)定：燃?xì)庑孤┝窟_(dá)到測量爆炸下限的20%時(shí)，不允許啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)。在點(diǎn)火失敗后和重新點(diǎn)火前，必須進(jìn)行足夠時(shí)間的清吹，防止燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐通道內(nèi)的燃?xì)鉂舛冗_(dá)到爆炸極限而發(fā)生爆燃事故?？梢钥闯觯斗乐闺娏ιa(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》提出對燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行監(jiān)測，但未要求機(jī)組正常啟動(dòng)時(shí)強(qiáng)制吹掃。

綜上所述，從實(shí)際工況和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)兩方面分析可知，通過布置可靠的天然氣監(jiān)測裝置并充分考慮異常停機(jī)工況，可取消正常停機(jī)后下一次的啟動(dòng)吹掃。

3 天然氣監(jiān)測系統(tǒng)的布置策略

某電廠的天然氣監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)排氣流道屬于高溫區(qū)域，溫度可高達(dá)400～600 ℃，如果使用固定式探測器則無法承受如此高溫，因此采用抽取樣氣式的方法對空間內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)過足夠長度的取樣管道自然冷卻后進(jìn)入探測器，探測器前配置減壓、濾水、去硫功能以保證探測器的正常工作。同時(shí)在管道內(nèi)設(shè)置旁路三通閥，具體工作原理為：當(dāng)機(jī)組開機(jī)時(shí)，TCS（燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)）發(fā)送指令使三通閥的B、C連通，此時(shí)環(huán)境空氣進(jìn)入監(jiān)測裝置，以避免高溫排氣損壞設(shè)備。當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，TCS發(fā)送指令使三通閥的A、C端連通，經(jīng)引壓管流出的燃?xì)廨啓C(jī)排氣經(jīng)過處理后進(jìn)入可燃?xì)怏w監(jiān)測裝置。監(jiān)測裝置具有抽氣、低流量檢測、可燃?xì)怏w濃度檢測等功能，可監(jiān)測0%～100% LEL（爆炸下限）范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度。為確保監(jiān)測的可靠性，監(jiān)測裝置采用三冗余配置，監(jiān)測到的濃度數(shù)據(jù)通過4～20 mA硬接線信號送入TCS做后續(xù)處理。

圖2 天然氣監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Natural gas monitoring system

對于采用天然氣作為燃料的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組而言，余熱鍋爐內(nèi)聚集的可燃物質(zhì)主要是分子量較小的甲烷。因此，在余熱鍋爐頂部布置監(jiān)測裝置比較合理。通過對排氣流道及連接部位的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，可在排流道拐角處和煙囪CEMS（煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)）取樣平臺相關(guān)位置設(shè)置取樣點(diǎn)。監(jiān)測裝置的布置如圖3所示。

圖3 天然氣監(jiān)測裝置的布置Fig.3 Layout of natural gas monitoring device

4 燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前吹掃流程的優(yōu)化策略

燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前的吹掃及后續(xù)的點(diǎn)火、升速過程是由TCS發(fā)送相應(yīng)控制指令給SFC來實(shí)現(xiàn)的。SFC（靜止變頻啟動(dòng)裝置）系統(tǒng)的主要功能是提供電磁轉(zhuǎn)矩用于拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子加速，是實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)快速起動(dòng)的核心模塊。SFC系統(tǒng)有3個(gè)作用，分別對應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的3種啟動(dòng)模式［14-18］。

直接啟動(dòng)模式。在低盤轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上，SFC系統(tǒng)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速；燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火后，SFC系統(tǒng)繼續(xù)提供電磁轉(zhuǎn)矩，配合天然氣燃燒產(chǎn)生的機(jī)械力矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子加速至可自保持轉(zhuǎn)速。

水洗模式。SFC系統(tǒng)將燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)至水洗轉(zhuǎn)速，對壓氣機(jī)葉片進(jìn)行離線水洗，以清理燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后葉片積累的灰垢，提高壓氣機(jī)效率。

吹掃模式。SFC系統(tǒng)將燃?xì)廨啓C(jī)拖動(dòng)至吹掃轉(zhuǎn)速，并周期性地升降轉(zhuǎn)速，對燃?xì)廨啓C(jī)排氣管道和余熱鍋爐的通流部分進(jìn)行吹掃，以防止再次點(diǎn)火時(shí)殘存氣體引起天然氣爆燃。

4.1 優(yōu)化前的吹掃流程

在優(yōu)化改造前，燃?xì)廨啓C(jī)在點(diǎn)火前執(zhí)行固定時(shí)間的吹掃。TCS首先選擇指定的SFC，然后發(fā)送吹掃模式給SFC，隨后SFC將燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)至吹掃轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在630～810 r/min后，開始進(jìn)行持續(xù)10 min吹掃。待吹掃完成信號置位后，TCS發(fā)送直接啟動(dòng)模式給SFC，SFC再將燃?xì)廨啓C(jī)降至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速進(jìn)行點(diǎn)火。優(yōu)化前的吹掃流程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前的吹掃流程Fig.4 Purge process before optimization

4.2 優(yōu)化后的吹掃流程

優(yōu)化改造后，在選擇SFC啟動(dòng)模式前，TCS首先對吹掃是否完成進(jìn)行判斷。若吹掃未完成，則TCS系統(tǒng)發(fā)送吹掃模式指令給SFC，SFC工作流程與優(yōu)化前吹掃流程一致；若吹掃已經(jīng)完成，則TCS發(fā)送直接啟動(dòng)模式指令給SFC，SFC裝置直接將燃?xì)廨啓C(jī)升至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速并進(jìn)行點(diǎn)火。優(yōu)化后的吹掃流程如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的吹掃流程Fig.5 Purge process after optimization

4.3 余熱鍋爐吹掃完成判據(jù)的優(yōu)化

吹掃流程優(yōu)化改造后，吹掃是否完成這個(gè)判據(jù)顯得尤為重要，直接決定下次啟機(jī)是否需要吹掃。正常情況下，鍋爐吹掃完成信號一直保持在置位狀態(tài)，下一次機(jī)組啟動(dòng)時(shí)無須吹掃。為提高吹掃流程優(yōu)化后系統(tǒng)的安全、可靠性，對可能引起天然氣濃度高的情況進(jìn)行分析，當(dāng)出現(xiàn)以下任意一種異常工況時(shí)，吹掃完成信號復(fù)位，即下次機(jī)組啟動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行吹掃。

1）天然氣濃度異常。機(jī)組停機(jī)后，天然氣監(jiān)測裝置將收集到的天然氣濃度信號送至TCS。TCS對3個(gè)冗余的濃度信號進(jìn)行處理，一般采用三取中的策略，并對壞質(zhì)量信號進(jìn)行剔除，盡可能保證數(shù)據(jù)的可靠性。在燃?xì)廨啓C(jī)熄火到下一次機(jī)組開機(jī)前的這段時(shí)間，對天然氣濃度持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，一旦出現(xiàn)天然氣濃度超過定值的情況，則判定為天然氣濃度異常。該信號在下次啟機(jī)吹掃完成后才會(huì)復(fù)位。

2）點(diǎn)火失敗。在機(jī)組啟動(dòng)監(jiān)測到火焰信號后，若天然氣ESV（緊急切斷閥）開啟后10 s內(nèi)又關(guān)閉，則判定為點(diǎn)火失敗，此時(shí)管道中會(huì)存在一定量未燃燒的天然氣。該信號在下次啟機(jī)吹掃完成后才會(huì)復(fù)位。

3）燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷大于30 MW時(shí)若出現(xiàn)跳閘情況，此時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷較大，管道內(nèi)存在大量未燃燒的天然氣。該信號在下次啟機(jī)吹掃完成后才會(huì)復(fù)位。

4）運(yùn)行人員手動(dòng)選擇吹掃模式。保留運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)手段，當(dāng)出現(xiàn)天然氣監(jiān)測裝置故障或其他異常工況時(shí)，可手動(dòng)投入該按鈕，確保下次啟機(jī)時(shí)執(zhí)行吹掃工作。

吹掃完成判據(jù)的邏輯如圖6所示。其中，TON：600 s表示指令從0跳變到1，延時(shí)600 s；S表示置位；R表示復(fù)位。

圖6 吹掃完成判據(jù)Fig.6 Purge completion criterion

4.4 優(yōu)化效果

4.4.1 減少燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)間，降低廠用電率

燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前吹掃流程優(yōu)化后，燃?xì)廨啓C(jī)從啟動(dòng)到并網(wǎng)的時(shí)間將由原來的30 min縮短至10 min。原先吹掃過程中聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主要輔機(jī)全部負(fù)荷約為5 000 kW，可以計(jì)算得出單次減少輔機(jī)耗電量約為1 666 kWh。SFC啟動(dòng)功率約為4 000 kW，單次吹掃時(shí)間為10 min，可以計(jì)算得出單次啟動(dòng)減少SFC耗電量約666 kWh。

4.4.2 減少鍋爐溫降，提升汽機(jī)暖機(jī)效果

燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前，吹掃流程優(yōu)化后，為避免機(jī)組在溫?zé)釕B(tài)啟動(dòng)過程中余熱鍋爐高壓主蒸汽溫度的下降，減少燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷暖機(jī)時(shí)間，將蒸汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)間提前。典型的溫?zé)釕B(tài)機(jī)組啟動(dòng)曲線如圖7所示，其中：燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0～3 100 r/min；燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為0～100 MW；主蒸汽溫度為250～550 ℃。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)清吹風(fēng)量及余熱鍋爐換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果，燃?xì)廨啓C(jī)清吹及后續(xù)升負(fù)荷的1 h內(nèi)，余熱鍋爐高壓主蒸汽溫度預(yù)計(jì)下降20～25 ℃，對比燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中主蒸汽升溫速度，預(yù)估可以節(jié)省升溫時(shí)間約4 min。按照燃?xì)廨啓C(jī)在80 MW暖機(jī)過程中的平均耗氣量33 887 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）計(jì)算，單次啟動(dòng)將節(jié)省天然氣量約2 259.1 m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）。

圖7 典型的溫?zé)釕B(tài)機(jī)組啟動(dòng)曲線Fig.7 Typical start-up curves in warm state

5 結(jié)語

本文通過對安薩爾多AE94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火前吹掃流程進(jìn)行分析，在保證機(jī)組設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，提出一種彈性吹掃方案。通過在燃?xì)廨啓C(jī)排氣擴(kuò)散段及煙囪CEMS取樣平臺布置一套天然氣監(jiān)測系統(tǒng)，在無濃度高報(bào)警及異常停機(jī)工況下，可取消下一次啟動(dòng)吹掃，有效地降低了廠用電率并減少機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。優(yōu)化后，機(jī)組每次啟動(dòng)可節(jié)省廠用電費(fèi)和天然氣費(fèi)共5 000元，按照每年啟動(dòng)100次計(jì)算，優(yōu)化后預(yù)計(jì)每年可節(jié)約費(fèi)用50萬元。