（大唐国际发电股份有限公司北京高井热电厂 北京 100041）
摘要：随着越来越多的燃气电厂投入运行,天然气的供需矛盾也愈来愈来突出。特别是随着民用天然气量的增长,天然气供气量不足已经成为燃气电厂急需解决的主要问题。管道天然气既要考虑天然气的供气量,还要考虑天然气的调峰能力,其供需的矛盾更加突出。以某燃气电厂为例，分析了机组类型与天然气燃量之间的平衡关系，并论述了不同运行方式与电厂整体经济性之间的关联性。在此基础上，得出了燃气轮机发电厂运行优化的具体方案和天然气调峰的有效措施，以此优化燃气电厂的运行管理。
关键词：燃气电厂；运行优化；天然气；调峰运行
1 引言
燃气-蒸汽联合循环机组因其环保、能效高、调峰能力强等特点越来越受到各国政府和电力企业的欢迎。但随着国际市场和国内燃气价格的不断上升，其运营成本日益升高。为了降低燃气轮机电厂的营运成本,需要对燃气轮机电厂的运行方式进行优化、系统进行改造,以降低整厂能耗来适应电力市场激烈竞争的需要。
2 压气机水洗及其过程的优化
由于压气机的耗功达到燃气轮机做功的2/3,因此压气机的效率直接影响着联合循环机组的效率,其主要因素是压气机的结垢。由于压气机进气口吸入的脏物淤积在压气机叶片上,堵塞了气流通道,不但会引起压气机输出风量的下降、机组功率下降和热耗增加,而且还会对压气机叶片产生腐蚀而降低机组寿命,严重时甚至出现压气机喘振。而解决压气机叶片结垢问题除了要进一步提高压气机吸入的空气质量外,水洗是一个很好的办法。为防止压气机效率降低,必须及时对压气机进行水洗,但压气机水洗比较费时,水洗成本也较高,因此合理地安排水洗时间和周期是非常重要的。较多的压气机水洗虽然能够使其效率保持在较高水平,但水洗会导致停机时间和水洗能耗增加;而长期不进行压气机水洗,必将导致压气机效率低下。
为实时监视压气机效率,将压气机效率纳入DCS显示,对其进行实时监视。根据往年来的运行经验,发现当压气机效率下降到90%左右时进行水洗是比较合适的。另外在用电高峰来临之前进行一次水洗也是必要的。根据GE公司的要求,机组在投产后很长一段时间内严格按照推荐的方式进行水洗,即在水洗前要启动闭式冷却水泵、凝结水泵、循环水泵、投轴封抽真空等,这是为了防止水洗时由于鼓风摩擦而造成汽轮机低压缸温度上升。但是通过对实际水洗过程的观察和对鼓风摩擦的理论计算和分析发现,可尝试不启动上述辅助设备而直接进行水洗。[1]
3 机组启动方式优化
图1 9F级燃气轮机负荷与热耗关系曲线
从图1可看出,机组的能耗随着机组负荷率的下降而升高,且增加速率剧增。机组负荷率在90%,热耗基本不增加;机组负荷率在80%,热耗增加3%;机组负荷率在70%,热耗增加5%;负荷率60%,热耗增加8.5%;负荷率40%,热耗增加20%。可见,9FA型单轴联合循环机组负荷率在70%~100%时效率较高。
另外作为环保电厂,运行中机组排气的NOx质量浓度也是考量机组运行的重要指标。图2为GE公司提供的9FA燃气轮机NOx质量分数与机组负荷率的关系曲线。[2]从图2可见,负荷率在60%~100%时,NOx的排放质量分数可保持在0.2510-4,而在60%负荷以下,NOx的排放质量分数急剧增加。
图2 9F级燃气轮机NOx质量分数与机组负荷率的关系曲线
3.1 优化机组冷态启停操作
燃气轮机频繁启停，且运行方式多以调峰启停为主。燃气轮机虽具备快速启动的特点，但整套机组并网后并不能立即加负荷，需要汽轮机在高压缸满足进汽条件后方可快速加荷，此时，燃气轮机运行方式将由简单循环方式转变为联合循环运行方式，可大大提高燃气轮机的热效率及出力。由于冷态启停占燃气轮机启停方式的20%以上，充分进行冷态启动方式的优化有利于燃气轮机节能降耗。冷态启动方式的节能潜力主要在汽轮机轴封温度控制，汽轮机进汽参数控制、汽轮机差胀和热应力控制。[4]在进行机组冷态启动操作优化前的状况是：从并网至机组满负荷，大约需要180 min，比GE公司冷态标准启动时间多出25 min，极大地影响了机组启动成本，不利于节能降耗。
为充分发挥燃气轮机快速启停的特点，满足电力调度机组调峰的要求，针对目前冷态启动的现状，电厂成立冷态启动优化QC小组，在现有操作系统基础上进行了冷态启停优化，达到了预期效果，具体实施方案如下：
（1）机组冷态启动时控制好轴封蒸汽供汽温度在185-190℃，避免轴封蒸汽温度过高对汽轮机大轴过多加热造成中压差胀上升过快，影响开机时的启动速度。
（2）汽轮机进汽条件满足后汽轮机立即进汽，进汽时控制汽轮机进汽的速率，当汽轮机主汽门开度达10%时，汽轮机暂停进汽，进行低参数暖机。
（3）机组冷态启动过程中，余热锅炉侧提前介入主、再热蒸汽减温水，控制主、再热蒸汽温度比缸温高20-30℃之间，有利于控制高、中压汽缸和转子的热应力。
（4）当低压系统满足蒸汽并汽条件后立即低压并汽，提前低压并汽有利于控制中压差胀。
（5）优化温度匹配逻辑，当汽轮机进汽后，不断提高燃气轮机的排气温度，有利于控制机组冷态启动振动大问题。
上述措施实施后效果：
（1）缩短机组冷态启动的时间。优化操作前，机组并网至满负荷耗时180 min，优化后缩短至150 min，缩短了机组冷态启动的时间，降低了机组冷态启动成本，提高了机组热效率。
（2）延长了汽轮机的使用寿命。减少了机组启动过程中汽轮机的交变热应力。
（3）提高了企业的经济效益。按燃机电厂40次/ 年冷态启动计算，启动操作优化后每年为企业带来约200万元的利润。
4 辅机运行方式的优化
燃气轮机电厂机组安装2台循环水泵，循环水采用母管制开式冷却方式，电机额定功率为2200kW，额定转速496r/min，运行方式是1 运1 备，冬季运行工况下，由于循环水温较低，凝汽器真空经常在96kPa以上，过高的真空并未有效地提高机组出力，同时，机组停机后循环水泵仍需运行一段时间，过大的冷却水量也会造成循环水泵电耗的增加。针对这种情况对循环水泵的电机进行了双速改造，使循环水泵在冬季及夏季不同工况下均能满足凝汽器真空要求。对电机进行双速改造，即更换电机所有定子线圈，将电机改造为12/14极双速电机，电机实际极数通过切换连接片完成。改造后的转速为425 r/min，电机功率1400kW，较改造前降低800kW。在冬季及气温较低的季节，可采用循环水泵低速运行方式。在机组调峰停机期间，因凝汽器的热负荷较少，也可采用低速循环水泵的运行方式。这样，在不影响机组负荷情况下，低速循环水泵可降低泵的电耗，从而降低厂用电率。低速循环水泵按1500h运行时间计算，仅此一项改造就给企业带来年节电约180万kWh的效益。
5 结论
中国正在开展低碳经济、循环经济发展战略，就要对能源结构以调整，使能源机制更为适应于当代社会发展需求。天然气是高效清洁的能源，在近些年来备受关注。特别是在环境不断恶化的今天，天然气以其热效率高、调峰性能好的特点将在中国未来能源供应中占有主导地位。采用管道天然气的燃气轮机发电厂与其他发电厂相比有一定的特殊性，优化发电厂的发电机组并调整其运行方式，有利于实现电厂整体经济效益的最大化。
参考文献:
[1]李维特,黄保海.汽轮机变工况热力计算[M].北京:中国电力出版社,2001.
[2]沈士一.汽轮机原理[M].北京:中国电力出版社,1992.
[3]裘烈钧.大型汽轮机运行[M].北京:中国电力出版社,1994.
[4]曹祖庆.汽轮机变工况特性[M].北京:水利电力出版社,1991.
论文作者:何鋆龙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/27
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