王慧芬

【摘 要】本文著重介紹了張家港華興電廠GE S109FA-SS燃機(jī)啟停及運(yùn)行中在節(jié)能降耗方面的分析、摸索及節(jié)能技改的可行性分析。

【關(guān)鍵詞】S109FA-SS聯(lián)合循環(huán)的啟動(dòng)；燃燒模式

0.概述

天然氣發(fā)電作為一種清潔發(fā)電模式，在我國(guó)呈現(xiàn)快速發(fā)展勢(shì)頭，其具有環(huán)保、快速啟停、熱效率高及優(yōu)越的調(diào)峰性能等，因此，在安全前提下盡可能降低機(jī)組啟停中的能耗來(lái)適應(yīng)電力市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的需要，并通過(guò)節(jié)能技改來(lái)降低能耗，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.主機(jī)設(shè)備節(jié)能潛能

公司現(xiàn)有2臺(tái)GE公司生產(chǎn)的S109FA單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)燃機(jī)配套設(shè)備為杭州鍋爐廠生產(chǎn)的三壓、臥式、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐。由于燃機(jī)頻繁啟停，在燃機(jī)啟停過(guò)程中進(jìn)行熱工邏輯及操作優(yōu)化，則可實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能。

1.1主機(jī)啟停優(yōu)化前現(xiàn)狀

熱態(tài)啟動(dòng)期間，汽機(jī)并網(wǎng)至滿(mǎn)足高壓缸進(jìn)汽時(shí)間在55分鐘左右，明顯高于GE推薦的啟動(dòng)曲線（合理啟動(dòng)時(shí)間為35分鐘），不利于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱效率的提高，同時(shí)燃機(jī)氮氧化物排放超標(biāo)（大于100ppm）。

1.2優(yōu)化原因分析

1.2.1高壓缸進(jìn)汽應(yīng)力邏輯控制

GE規(guī)定滿(mǎn)足汽機(jī)熱態(tài)高壓缸進(jìn)汽條件為：高壓主蒸汽壓力至少在3.81MPa

1.2.2系統(tǒng)改造必要性

圖1 主蒸汽系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)并網(wǎng)后，投入溫度匹配，IGV（入口導(dǎo)葉）角度49度，燃機(jī)排煙溫度達(dá)到566℃，此時(shí)主汽壓力P在4.2MPa左右，經(jīng)過(guò)爐側(cè)高壓疏水及機(jī)側(cè)高壓旁路開(kāi)全作用，爐側(cè)主蒸汽溫度T1迅速由460℃上升至545℃，時(shí)間大約10分鐘， 15分鐘后機(jī)側(cè)高壓旁路管道前蒸汽溫度T2也達(dá)到了540℃，按照T1、T2溫度及壓力要求，均滿(mǎn)足了GE高壓缸進(jìn)汽條件，由于高旁管路至高壓主汽門(mén)前疏水較少，僅有PV6004及主汽閥前兩路疏水，在4.5MPa壓力下疏水量不大，且存在疏水死區(qū)，主汽閥前溫度T3較難滿(mǎn)足GE進(jìn)汽要求，此時(shí)T3溫度僅有470度左右，而高壓缸溫度達(dá)到515℃以上，此時(shí)主汽門(mén)前溫度低于GE要求40度以上。大大影響了汽機(jī)進(jìn)汽的時(shí)間，待T3溫度緩慢暖至進(jìn)汽要求時(shí)大約需要55分鐘，低于同類(lèi)型燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

2.主機(jī)設(shè)備節(jié)能優(yōu)化方案

2.1增加高壓進(jìn)汽溫度測(cè)點(diǎn)

A、測(cè)點(diǎn)的選?。?/p>

圖1所示測(cè)點(diǎn)T4處加裝熱電偶，位于靠近高壓疏水PV6004門(mén)前管道上。

蒸汽流速計(jì)算：

機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中高壓主汽經(jīng)a點(diǎn)至高旁管道的流量Q達(dá)到150噸/小時(shí)，按照高旁管道內(nèi)徑176mm計(jì)算，經(jīng)過(guò)主汽管道的蒸汽流速近似計(jì)算為：（蒸汽密度為10.95kg/m3）

V=Q/S，S為通過(guò)高旁管道的截面積

則V=150×1000×/（3600×3.1416×0.088×0.088×10.95）=156m/S。

B、安全性分析：

這說(shuō)明通過(guò)在C點(diǎn)加裝主汽溫度測(cè)點(diǎn)T4能滿(mǎn)足要求，由于c點(diǎn)至b點(diǎn)距離4米，而b點(diǎn)的溫度基本在500度左右，過(guò)熱度滿(mǎn)足GE要求，所以，通過(guò)T4取代圖1中的T3溫度來(lái)計(jì)算GE汽機(jī)進(jìn)汽條件是可行的。

2.2氮氧化物（NOX ）減排量分析

2.2.1燃燒模式分析

GE生產(chǎn)9FA燃機(jī)配套的燃燒室型號(hào)為DLN2.0+，型式為環(huán)管型燃燒室，共有18個(gè)燃燒噴嘴組件，共有三路天然氣（D5/PM1/PM4）通過(guò)各自母管，供應(yīng)噴嘴進(jìn)行燃燒，整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程要經(jīng)歷四種燃燒模式：

（a）擴(kuò)散燃燒模式（D5模式）：該模式開(kāi)始于點(diǎn)火后，在擴(kuò)散燃燒模式下，每個(gè)燃燒噴嘴組件的5個(gè)噴嘴都有D5管線供應(yīng)天然氣進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，PM4管線由空氣進(jìn)行清吹。此種燃燒模式的特點(diǎn)為：火焰分布較均勻，但火焰強(qiáng)度偏高，對(duì)火焰筒及過(guò)渡段的熱輻射較強(qiáng)，易受破壞；燃機(jī)從點(diǎn)火至燃燒基準(zhǔn)溫度TTRF低于華氏800度且轉(zhuǎn)速小于95%，同時(shí)，機(jī)組減負(fù)荷停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速低于95%或燃燒基準(zhǔn)溫度TTRF低于華氏750度直至火焰消失為止，這兩個(gè)階段，燃機(jī)均處在擴(kuò)散燃燒模式下運(yùn)行，該方式下氮氧化物的排放量約為110ppm。

（b）次先導(dǎo)預(yù)混燃燒模式（Sub Pilot Premix Mode）：該模式開(kāi)始于全轉(zhuǎn)速的95%之后到TTRF達(dá)到1750F之間，停機(jī)時(shí)在TTRF低于1720F時(shí)進(jìn)入該模式。在次先導(dǎo)預(yù)混模式下，除了所有5個(gè)噴嘴都有D5管線供應(yīng)天然氣進(jìn)行擴(kuò)散燃燒外，PM1噴嘴處也有火焰進(jìn)行預(yù)混燃燒，PM4管線由壓氣機(jī)排氣進(jìn)行清吹；該燃燒模式下，因PM1參與預(yù)混燃燒，此時(shí)的火焰強(qiáng)度同擴(kuò)散燃燒相比略有下降，但火焰的圓周中心發(fā)生輕微偏斜，火焰筒及過(guò)渡段的局部區(qū)域易發(fā)生過(guò)熱；運(yùn)行方式為：D5+PM1噴嘴運(yùn)行。該方式下氮氧化物排放量約為120ppm。當(dāng)處于下列條件時(shí)，燃機(jī)運(yùn)行在次先導(dǎo)預(yù)混模式下：

（c）先導(dǎo)預(yù)混燃燒模式（Pilot Premix Mode）：該模式開(kāi)始于燃燒基準(zhǔn)溫度TTRF大于華氏1750度。在先導(dǎo)預(yù)混燃燒模式下，除所有5個(gè)噴嘴都有D5管線供應(yīng)天然氣進(jìn)行擴(kuò)散燃燒外，PM1和PM4噴嘴處均有火焰進(jìn)行預(yù)混燃燒，通過(guò)調(diào)節(jié)PM1和PM4的燃料量配比進(jìn)行穩(wěn)定低排放燃燒；該燃燒模式下，由于PM4噴嘴參與燃燒，燃料量進(jìn)一步增加，使得燃燒動(dòng)力場(chǎng)中空氣過(guò)剩系數(shù)明顯增大，燃燒器火焰強(qiáng)度進(jìn)一步下降，此時(shí)火焰筒的內(nèi)壁及中心孔處均通有冷卻風(fēng)，可有效的保護(hù)燃燒部件不被燒壞；但由于有D5噴嘴參與燃燒，對(duì)燃燒器的局部過(guò)熱仍存隱患。運(yùn)行方式為：D5+PM1+PM4噴嘴運(yùn)行。該方式下氮氧化物排放量約為130ppm。當(dāng)處于下列條件時(shí)，燃機(jī)運(yùn)行在先導(dǎo)預(yù)混模式下：

A、加負(fù)荷過(guò)程中燃燒基準(zhǔn)溫度TTRF介于華氏1750

度和華氏2300度間。

B、減負(fù)荷過(guò)程中燃燒基準(zhǔn)溫度TTRF介于華氏1720度和華氏2250度間。

（d）預(yù)混燃燒模式（Premix Mode）：該模式開(kāi)始于滿(mǎn)負(fù)荷的50%左右（TTRF大于2300華氏度），在預(yù)混模式下，D5管線由空氣進(jìn)行清吹，PM1和PM4的燃料量配比進(jìn)行穩(wěn)定低排放燃燒；該燃燒模式下，由于5個(gè)預(yù)混燃燒的噴嘴均勻地分布在燃燒器上，使得火焰強(qiáng)度適中，燃燒動(dòng)力場(chǎng)穩(wěn)定，火焰中心溫度相對(duì)較低，煙氣流量大，更加有效地保護(hù)了燃燒部件不會(huì)燒毀。因此，預(yù)混燃燒的運(yùn)行模式是最為穩(wěn)定的；運(yùn)行方式為：PM1+PM4噴嘴運(yùn)行。該方式下氮氧化物排放量約為25ppm。

2.2.2性能加熱器溫度控制邏輯優(yōu)化

性能加熱器的工作原理主要是中壓省煤器來(lái)部分給水加熱管程中的天然氣，提高燃燒效率。機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)方式下優(yōu)化前天然氣控制邏輯是：通過(guò)給定性能加熱器內(nèi)中壓給水進(jìn)水溫度與天然氣溫度出口溫度之差的設(shè)定值來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)用于天然氣加熱的給水流量，通過(guò)控制溫控閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)天然氣溫度。優(yōu)化前溫度差設(shè)定值為15度，即：中壓給水溫度始終高于天然氣出口溫度15度，優(yōu)化后該溫度差設(shè)定值降至5度，明顯加快了天然氣溫度的上升速率，縮短了擴(kuò)散燃燒和先導(dǎo)預(yù)混的燃燒時(shí)間，減少了氮氧化物的排放量。

2.2.3優(yōu)化前后各燃燒模式分布情況比較

優(yōu)化后，點(diǎn)火到并網(wǎng)D5燃燒模式減少2分鐘，并網(wǎng)至高壓缸進(jìn)汽燃燒模式D5+PM1+PM4減少20分鐘，機(jī)組到基本負(fù)荷PM1+PM4減少5分鐘。

因此，優(yōu)化后每次啟機(jī)縮短PPM（D5+PM1+PM4）燃燒模式約20分鐘，使得排放量減少約100ppm以上，針對(duì)氮氧化物，1ppm=2.05mg/m3，按照每年燃機(jī)熱態(tài)啟停210次計(jì)算，在燃機(jī)負(fù)荷處于PPM方式下，煙氣流量約為800000m3/h，則全年氮氧化物排放量可減少約210×100×2.05×（20/60）×800000/1000000000=11.48噸。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施的主機(jī)設(shè)備節(jié)能技改及啟動(dòng)優(yōu)化可以看出：在安全前提下大力實(shí)施節(jié)能降耗是十分有必要的，不僅有效降低發(fā)電成本，減少氮氧化物排放量，使公司經(jīng)濟(jì)效益得以提升，而且也提高了企業(yè)在同行中的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊順虎.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備及運(yùn)行，2003.