摘要：本文重点介绍了提升9E联合循环发电机组快速启动能力所采取的的多项措施，并分析最终的优化效果。
关键字：联合循环发电机组，快速启动，燃气轮机
9E联合循环发电机组现广泛应用于国家西气东输工程中，设备的核心为双轴联合发电机组。其中，燃气轮机发电机组由美国GE公司引进，配套余热锅炉和汽轮发电机组一般由国产提供。该机组的燃料来源大多使用天然气，主要的技术优势在于启动快、调峰能力优良，同时兼具高效、节能环保等优点。该类型机组从引入之后在行业内安全稳定运行可靠，同时为了进一步降低发电机组能耗，挖掘该设备潜能，在国家节能减排政策的指引下，采用了多种优化措施，并加强运行维护频率，结合一定的设备改造，在经济性和节能性上有明显提升。
1 9E联合循环发电机组使用情况分析
本次讨论改进优化的9E联合循环发电机组，核心设备从美国GE公司采购，属于PG9171E机型的一款。机组锅炉部分使用卧式、无补燃、双压、自然循环余热锅炉，汽轮机使用的是双压、冲动、单排汽、单轴、可调整抽汽凝汽式汽轮机，两者属于国产设备。整体燃气轮机使用天然气供给能源，结合实际测量功耗，该设备在20℃环境温度下，稳定运行输出燃机功率在120MW左右，能够满足7.5kg/s天然气质量流量输送要求。
联合循环发电机组中燃气轮机工作原理如下：首先通过启动电机带动17级的压气机旋转将空气吸入，空气与天然气混合后，送入燃烧室，混合气体在燃烧室内点燃。燃烧后的混合气体温度和压力进一步升高，高温高压气体在流经燃机透平的动叶和喷嘴后，逐渐膨胀并带动叶片做功，推动燃机转子转动，带动压气机旋转，最终实现天然气中化学能向机械能的转化。完成做功的高温混合气体，进入余热锅炉中，在余热锅炉中回收混合气体中的热能，达到能源分级利用、节能减排的目的。
作为重要的能源供应节点，启动和停运的次数较多，机组主要的启动方式大多是燃机冷态、汽机热态启动。在该机组优化之前，从燃机发启动令直到9E联合循环发电机组功率达到额定负荷用时超过180分钟。如此长的启动时间，对一个重要的调峰电厂来说，一方面影响电厂相应电网的调峰响应时间，另一方面也降低了机组运行的经济性，对电厂的经济效益造成诸多制约。运行稳定、响应时间短、启动迅速本是燃气轮机机组的主要优势，但是由于在该系统中加入了余热锅炉、后置汽轮机所形成的的燃气-蒸汽联合循环发电机组降低了上述优势。为提升联合循环发电机组的响应能力，缩短启动时间，提升快速启动能力，提升机组的经济效益，根据发电机组运行特点，对电厂内的联合循环机组进行优化研究，重点对启动时间进行优化。
2 9E联合循环发电机组快速启动优化对策
在燃气轮机快速启动优化的前提下，针对燃气轮机与锅炉，燃气轮机与汽轮机，锅炉与汽轮机之间的匹配性能开展研究，尽可能缩短燃气轮机启动直至达到最大负荷的时间。为此需要从余热锅炉中输出的蒸汽与汽轮机启动需求之间，主蒸汽参数上升与达到冲转要求之间，汽机与燃机负荷匹配之间三个角度开展工作，达到优化快速启动能力的目的。在此过程中，缩短时间即可降低燃气消耗量，从而提升9E联合循环发电机组经济性能。
2.1 燃气轮机清吹时间优化研究
9E联合循环发电机组在优化之前，燃气轮机开机之后的清吹程序需要15分钟，优化之后，经过电厂技术人员与美国GE公司的反复论证，并重新核算清吹过程中的多项参数，包括容积、流量及倍率等。最终确定将清吹时间从15分钟降为10分钟，其中包括了1分钟的安全冗余量，优化后的清吹程序中清吹倍数为5倍。缩短清吹时间，直接降低启动电机的运转时间，进而降低了厂用电耗。
2.2 启动过程优化
（1）燃气轮机优化
燃气轮机的优化改进重点是提升快速响应能力和灵活性，如何解决好启动过程中，余热锅炉和汽轮机的迟滞性限制燃机侧相应能力是问题的关键。在燃机启动以后，半小时左右即可达到并网条件，而此时锅炉升温升压才刚刚开始，距离汽轮机冲转和并网尚远。采用燃机先并网、适当提高燃气轮机有效负荷的思路，在燃机并网后适当提高初始负荷，一方面增加了发电量，另一方面提高透平排气温度至420℃以上进而加快锅炉侧升温升压。由于是热态启动，在此过程中利用好蒸汽旁路，控制调整好过热蒸汽温度压力，进快满足汽轮机冲转条件。在汽轮机并网操作完成以后，按照预设梯度增加燃气轮机的负荷，同时稳步提升排气温度至485℃，在此基础上，汽轮机进行低负荷暖缸。暖缸时间控制在20分钟以内，在暖缸作业完成之后，进一步增加汽轮机组负荷。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在汽轮机暖缸过程中，燃机按照每5分钟提升排气温度15℃的升温梯度，逐步提升燃气轮机的负荷，直至达到基本负荷要求。
燃气轮机的升负荷应该特别注意避免模式切换点附近停留，确保燃烧稳定，因此升负荷设定值应该结合模式切换的区间而考虑。提高燃气轮机负荷的过程中，为稳定主蒸汽的参数，确保汽轮机进汽参数稳定，每次模式切换成功以后，应该稳定运行直到透平排气参数不再快速升高。
（2）锅炉优化分析
锅炉启动之前需要降低高、低压汽包水位至正常水位线以下，该步骤的目的是保证锅炉加热过程安全进行，避免启动过程中水位快速上升，造成过热器进水，威胁锅炉安全运行。针对本次优化的循环发电机组锅炉，应在炉水循环泵开启之前，控制高压汽包水位在-120mm、低压汽包水位在-50mm。如此设定，预留了起压以后炉水膨胀造成的水位上涨，避免刻意开启锅炉放水门造成热量损失以及破坏水汽循环。另一方面，锅炉在升温升压过程中，应时刻关注汽包上下壁温差，一旦发现汽包上下壁温差接近或者超过限定值时，启动相应的处置预案，确保设备安全。
（3）汽轮机优化分析
首先，汽轮机热态启动，要求必须先投入轴封再启动真空泵抽真空。机组优化前，采用主蒸汽进入轴封集箱进而对前、后轴封进行供汽。此方式，一方面由于燃机启动后的锅炉升温升压缓慢，参数不足以匹配高温的汽轮机前缸需求；另一方面，由于启动前必须控制好主蒸汽压力，此时轴封未投入、真空未建立，只能通过锅炉侧启动排汽阀降低压力，且汽机房管道的疏水也只能通过无压放水排出，造成大量汽水损失且耗费时间。经过优化改造，利用邻机暖轴封的方式，引供热管道蒸汽进入轴封集箱。如此，可提前将汽轮机轴封投入，进而启动真空泵，快速建立真空。在真空高于-60kPa同时锅炉压力达到0.10MPa时，可以开启蒸汽旁路。适当开大汽轮机旁路可在保证蒸汽流速增加，有助于快速提高蒸汽温度，进一步加快满足汽轮机冲转条件。
其次，提高汽轮机冲转速率达到优化启动时间的目的。原先，汽轮机冲转按照240转/分钟进行升速，过临界时DEH控制系统自动将升速率提高至600转/分钟。经过分析研究，调整冲转速率提高至600转/分钟，进一步缩短启动时间约8分钟。
3 9E联合循环发电机组快速启动优化效果分析
3.1 联合循环发电机组快速启动优化效果
通过上述各项优化措施，最终联合循环发电机组快速启动时间由180分钟，缩短为120分钟，（目标功率负荷为160MW）启动时间减少了60分钟。
3.2 优化后启动过程分析
9E联合循环发电机组快速启动优化之后，对比优化前后的实测数据可以得到以下结论：（1）联合循环发电机组的有效负荷增加比优化前更加迅速，启动时间明显降低；（2）在汽轮机启动之后直至稳定运行，轴振实测范围在85μm之内，达到了机组稳定运行的目的；（3）从燃机发启动开始，直至汽轮机功率达到指定值，上下缸温度差稳定在50℃范围以内，与此同时，该过程中汽轮机胀差稳定在-2.5~3.5mm范围内，两项指标均达到安全运行的要求；（4）高、低压汽包水位在快速启动过程中始终保持在安全区间内。
4 结语
通过上述优化措施，9E联合循环发电机组启动时间明显降低，提升了机组运行效率和经济效益，提升了该系统对电网调峰的响应能力，同时燃气轮机和汽轮机运行稳定，各项参数控制在合理区间。本次9E联合循环发电机组快速启动优化方案取得成功。
参考文献：
[1] 陈秀猛, 金贤娇, 陈浩. 9E型联合循环发电机组停机方式的优化分析[J]. 发电与空调, 2011, 32(2):91-94.
[2] 赖晓华. V94.3A型燃气轮机联合循环发电单轴机组冷态快速启动优化初探[J]. 燃气轮机技术, 2017, 30(1):68-72.
[3] 张章军, 陈式平, 徐金雷,等. 9E燃气轮机联合循环发电机组节能降耗的探讨[J]. 浙江电力, 2012, 31(5):28-30.
[4] 周瑜. 影响9E型联合循环发电机组天然气气耗率的因素分析[J]. 中国新技术新产品, 2012(13):14-14.
作者简介：金石（1990.12--）；性别：男，籍贯：江苏省南京人，学历：本科，毕业于南京工程学院；现有职称：助理工程师；研究方向：热能与动力工程。
论文作者:金石
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：机组论文; 燃气轮机论文; 汽轮机论文; 锅炉论文; 负荷论文; 时间论文; 蒸汽论文; 《电力设备》2019年第16期论文;