（华能国际电力股份有限公司汕头电厂 广东 515000）
摘要：燃气电厂电气控制系统事关机组的安全运行，科学合理设计燃气电厂电气控制系统是电厂机组安全、稳定运行的基本保障。与传统燃煤发电相比，以天然气作为原料的燃气发电机组具有投资低、效率高、建设周期短、污染物排放总量少等诸多优点。因此本文就燃气电厂电气控制系统设计进行研究探讨，重点介绍目前燃气机组里最先进的机型以及9F级燃气系统，以供参考。
关键词：燃气电厂；电气控制系统；设计；
前言：随着社会经济的发展，人们的生活水平得到了极大提高，对于自身的生活环境也提出了更高的要求，各种为人们生活提供方便的家用电器和设备不断得到应用，也带动了电力行业的发展。在市场需求不断扩大的前提下，传统燃煤发电机组已经逐渐难以满足实际需求，因此，在单机设备效率提升越来越困难的情况下，采用联合循环方法，对机组进行改进，成为发电企业研究的重点。
一 燃气电厂电气控制系统设计的必要性
燃气电厂电子控制系统并不特别复杂，与传统的燃煤电厂电气控制系统相比，燃气电厂电气控制系统所采集的信息源相对较少、控制对象较少、操作频率不高以及控制系统设备相对较少，但是，由于“燃气的危险性”要远高于“燃煤”，这就对电厂电气控制系统的安全性、稳定性以及快速反应性提出了较高的要求，否则，就有可能会给电厂造成巨大的经济损失以及产生重大的社会危害。可以说，科学合理设计燃气电厂电气控制系统是保障电厂高效、安全运行的必然要求。
二 燃气-蒸汽联合循环机组概述
就目前而言，燃气-蒸汽联合循环机组是由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机以及相应的发电机组共同构成的，一种联合循环的发电机组。
三 燃气-蒸汽联合循环机组的优势
3.1 电厂整体循环效率高
目前超临界的600MW燃煤机组供电效率约为40%左右，而燃气-蒸汽联合循环供电效率达58%左右，折合标煤212g/kwh，比常规1000MW发电煤耗（290~300g/kwh左右）低很多。
3.2 最低的环境污染排放
燃气-蒸汽联合循环采用天然气为燃料，基本无粉尘和SO2排放，相比于燃煤电厂，减少了三分之二的CO2和95%的NOX排放，二氧化碳排放量约为燃煤电厂的42%，氮氧化物排放量则不到燃煤电厂的20%，二氧化硫排放几乎为零。可明显减轻日益严重的环保压力。3.3 调峰性能好，启停快捷。
①自动、保护投入率100%；②启停速度快；③系统相对简单、辅机相对较少，整机可靠性高；④可真正实现AGC控制；⑤联合循环热态启动60min、温态90min、冷态120min带满负荷。
3.4 占地少
与同容量火电厂相比，联合循环电厂占地面积只有火电厂的30-40%，建筑面积也只有同容量燃煤机组的10%--30%。建厂周期短，一般一年内可发电运行。
3.5自动化程度高，运行人员少
联合循环电厂采用先进的集散式控制系统，控制人员可以大大减少，一般只有同容量火电厂人员的20%~25%。总之，燃气-蒸汽联合循环是一种有显著优势的、有较大发展潜力的发电模式，是当前形势下发电企业研究的重点和关键。
3.6耗水量少
燃气轮机不需要大量冷却水，单循环机组只需火电厂2%~10%，联合循环机组只需同容量火电厂的1/3左右。
四 燃气机组里最先进的机型介绍
4.1 MS9001H 燃气轮机优势介绍
①H 型燃气轮机的压气机压比为23，空气流量为685 kg/ s.
②压气机的进口导叶( IGV) 和前4 级静叶(VSV) 均可调，以控制空气流量， 适应环境温度的变化和不同运行工况的要求。
③4 级轴流透平气缸采用蒸汽冷却， 前2 级采用闭式循环蒸汽冷却， 第3 级为空气冷却， 第4 级无冷却。闭式蒸汽冷却替代了叶片燃气通道侧的气膜冷却， 加大了叶片壁中的温度梯度。这种冷却方法使叶片材料中产生更高的热应力， 所以第1 级透平叶片使用单晶超级合金材料， 并涂以陶瓷隔热涂层。
④常规的燃气轮机中， 用压气机排气冷却第1 级喷嘴。经过第1 级喷嘴后， 燃气温度将下降155K； 而H 级机组中， 经过第1 级喷嘴后， 燃气的温降小于4 K， 从而使转子进口燃气温度达到1 400 ℃等级， 比F 级机组提高100 K， 但燃烧室中的燃烧温度并未提高， 保证机组的NOx 排放水平不提高。
4.2 SGT--8000H 燃气轮机
经过简单循环运行鉴定，SGT--8000H 燃气轮机是完全用空气冷却的机组， 也是世界上现今最大的完全空气冷却的燃气轮机。
①13 级轴流式压气机， 压比19， 进口导叶和前3 级静叶可调，确保机组部分负荷运行时具有高的效率，易于启动。
②4 级轴流透平， 前3 级均采用空气冷却， 第4级无冷却， 转子前燃气温度1 427 ℃ 。第1 级动静叶采用单晶超合金材料并涂以耐热涂层， 已具有承受近1 500 ℃ 高温的能力； 第2 级叶片上涂敷了热障涂层。
③由SGT--8000H 机组组成的联合循环的额定净输出功率超过530 MW， 效率超过60%。
4.3 三菱重工G系列燃气轮机
①三菱重工( MHI ) 的G 系列燃气轮机用于60 Hz的是501G 机型, 用于50 Hz 的是701G 机型。MHI 的G 型机相对于F 型机来说，透平进口温度从1 400 ℃ 级提高到了1 500 ℃ 级。 701G2（燃机输出功率334MW）效率39. 5％，联合循环功率489.MW，效率58. 7％。
②701G2 型压气机分别为14 级，压比21,空气流量738 kg/ s，保持原来25x10- 6的NOx 排放水平。
③4级透平，第1 级和第2 级动叶采用定向凝固浇铸法制造。透平采用空气冷却。
五 传统燃气电厂控制系统与先进燃气电厂控制系统比较分析
5.1 燃气电厂分类
（1）简单循环：只有燃机和旁路烟囱；
（2）联合循环：包括燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉、发电机等。
5.2 布置方式
①前者为单轴：燃机、汽机、发电机在同一根轴上
一拖一：1台燃机拖动1台汽机
②后者为多轴：燃机、汽机和发电机不在同一根轴上
二拖一：2台燃机拖动1台汽机，效果图如下：
5.3 通过对单轴和多轴机组布置的比较以及对多轴机组“一拖一”、“二拖一”两种典型布置的对比分析，联合循环机组的布置及其优化可以总结出以下几点建议：
（1）机组的布置方式应根据拟建发电厂的总装机容量、建设场地情况、燃料供应条件、负荷量及性质等因素进行技术经济比较后确定。主厂房布置优化工作的开展应基于已确定的主机设备及其配置情况，切忌盲目开展，徒劳无功。
（2）在工程设计中，综合考虑工程技术、造价和工期等多方面因素，在初设阶段，主厂房钢结构型式推荐采用钢筋混凝土框架结构方案。比之于采用钢结构方案，主厂房和集控楼采用钢筋混凝土方案可以节约大量投资额。
（3）余热锅炉区域的布置相对固定，一般余热锅炉厂都有典型的布置图，主厂房布置的优化重点主要集中在燃气轮机——汽轮机房区域。
（4）对于单轴布置的机组，机组的高低位布置需要结合主机厂的制造技术水平来考虑，在制造条件允许的前提下，应尽量采用低位布置。对于燃气轮机——蒸汽轮机房的横向尺寸，主要由燃气轮机——汽机——发电机和发电机抽转子的长度（将蒸汽轮机布置在燃气轮机和发电机之间时）以及行车的极限位置所决定。
（5）对于多轴“一拖一”机组，宜将蒸汽轮机布置在燃气轮机的中间，蒸汽轮机轴系可以和燃气轮机轴系垂直布置或者平行布置。垂直布置时，蒸汽轮机发电机组和燃气轮机房共设一个厂房，蒸汽轮机发电机的检修较为便利，但蒸汽轮机房与燃气轮机发电机房呈凹形布置。平行布置时，蒸汽轮机发电机需要设置单独的检修行车，且主厂房占地和容积略高。
（6）对于多轴“二拖一”的布置方式，可以将蒸汽轮机布置在燃气轮机的侧面，也可以将蒸汽轮机布置在两台燃气轮机的中间，燃气轮机与汽机公用大平台结构。此种布置方式具有主厂房整洁美观、采光效果好的优点，但会增加主厂房的土建费用。
（7）主厂房如设运行层，在考虑凝汽器的抽管空间要求的同时，运行层标高应尽可能降低，降低运行层标高可以降低高压蒸汽管道的长度和降低凝汽器水室最高点标高，降低循环水泵运行电功率。
（8）在实际工程中，可以根据实际情况对主厂房单跨与双跨方案进行经济技术比较。主厂房可以考虑采用双跨布置方案，屋面考虑采用轻型屋面，结构型式采用钢梁+钢檩条+彩钢板屋面，各层楼板采用钢梁+压型钢板底模+现浇钢筋混凝土板或钢格栅。双跨方案具有造价省、施工方便等优点，这对于抢建或注重工期的项目具有较大的优势。
（9）在实际工程中，可以根据实际情况考虑运行层大平台布局。两台燃气轮机运行层形成一个大平台，两机共用检修跨，优化后可使厂房总体尺寸缩短，便于设备检修维护。
六 燃气电厂电气控制主系统设计概况
6.1燃气轮机系统
布置燃机入口空气系统的目的向燃机压缩机提供清洁的、无尘的空气，并且最大限度的降低气流和压气机噪声。系统将空气通过入口过滤器吸入燃机。入口过滤器直接和燃机入口空气系统相连。在空气通过过滤后进入压气机进气系统。进气系统中装有消音器来消除气流噪声。
6.2燃烧系统
M701F4燃气轮机采用干式低NOX燃烧技术，燃气通过DLN系统燃烧。燃气轮机用DLN燃烧器燃烧气体燃料。
6.3透平冷却空气系统
燃气轮机冷却系统执行两个基本功能。第一个功能是给暴露在烟气通道，温度高于工作金属的温度极限的部件提供直接冷却。第二个功能是给透平环境控制提供服务。为确保整个透平维持设计的环境，系统在不同临界点提供正确压力和温度的空气。
6.4燃机压气机叶片清洗系统
在燃气轮机正常运行期间，在轴流式压气机动叶和静叶上形成污垢有不同种原因。这些污垢降低了压气机的效率，因此也降低了机组的最大输出功率。压气机叶片清洗系统可对压气机进行两种模式的清洗：在机组停机时离线清洗；在机组运行时在线清洗。
6.5余热锅炉系统
锅炉由进口烟道、换热室、出口烟道及烟囱组成；所有受热面均为螺旋齿型鳍片管，垂直布置于换热室内，高、中、低压三个汽包布置于炉顶钢架上，采用支撑方式。整台锅炉为全钢构架，自支撑型钢结构，炉顶采用封闭结构。在本体炉壳的内侧设置了保温层与内护板。锅炉为正压运行，凡穿过炉壳的管道都采用良好的密封与膨胀结构。
6.6 SSS离合器
汽轮机中低压转子之间采用SSS离合器连接，当所有的中压排汽用于热网加热器时，SSS离合器为脱离状态，低压缸解列，大大提高了机组的供热能力。在其他工况下，SSS离合器为啮合状态，低压缸在额定或部分负荷下工作。
七 燃气电厂电气控制系统需要注意的问题
在实际应用过程中，为了切实保证燃气轮机生产的安全与稳定，需要注意以下几个方面的问题：
（1）燃机排烟温度的变化和温度场分布偏差变化是衡量燃烧室和高温部件工作状况的很重要的参数。排气温度有较大的差异很可能是燃烧室、高温热通道部件已损坏或排气热电偶出现故障。机组排气温度分布偏差超过允许值，则机组会遮断停机。
（2）燃机的振动值超过12.7mm/s时报警，超过25.4mm/s时跳闸。如果机组运行一直很正常，仅在某次启动过程中突然振动值增加，往往是由于上次停机后盘车工作不正常所造成的。机组冷态启动的振动值通常要比热态启动的振动值高一些，有时还会超过报警值。如果机组达到全速后，振动值能降到报警值以下仍属正常情况。若机组一直存在振动不正常的情况，其主要原因是由于转子不平衡或机组对中不好所造成的，要重新平衡转子或重新对中。⑶严密监视燃机轮间温度。当任何轮间温度的平均值超过温度限定值时，机组会发出故障报警，但不会跳机。如果机组长时间超温运行，会给热通道部件造成永久性损害。因此要严格的把控监视燃机轮间温度。
结束语：
综上所述，通过相应的技术改造，凭借燃气一蒸汽联合循环自身良好的能源利用效率、排污少、调峰性能好等优点，可以将其利用在实际的生产运行中，不仅可以满足当地经济发展对于电力的需求，而且可以减少对于环境的污染，提高了企业的经济效益和社会效益，对于当地社会经济的发展起到了极为关键的推动作用。
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论文作者:曲晟霆
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
标签：燃气轮机论文; 机组论文; 电厂论文; 燃气论文; 蒸汽论文; 控制系统论文; 轮机论文; 《电力设备》2017年第14期论文;