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概要：介绍了PG9171E型燃气轮机启机过程中的清吹情况，通过实验，证明了缩短清吹时间的可行性，并计算验证了能够降低了燃机在启机过程中的厂用电量，具有很好的经济性，实现了节能目标。
关键词：燃气轮机；清吹时间；启机；节能
0 引言
随着经济的高速发展和工业化水平的不断提高，电网的峰谷差值越来越大，电网需要有一定容量的调峰电源支持，以保障电网的安全稳定和经济运行。S109E发电机组是目前世界上较为先进的大型燃气-蒸汽联合循环发电机组，因其环保、启停迅速、升降负荷快、调峰能力强等优点而被电网用作调峰机组。深圳某燃机电厂安装有两套PG9171E燃气－蒸汽联合循环机组，其配置型式为1台燃机+1台汽机+2台发电机+1台余热锅炉，总装机容量为2×180MW，平均每年启停360次以上，启停频繁。为保证机组的安全启动，燃气轮机在启机过程中将对机组进行清吹，防止爆燃。同时，在燃机启动过程中，将启动一系列辅助电机，并消耗一定的电量，研究如何在安全的情况下优化燃机启机过程有较大的意义。
1 燃机清吹的介绍和清吹时间的核定
燃机在高速盘车状态下，利用压气机出口空气对机组进行一定时间的清吹，吹掉可能漏进机组热通道中的燃料气，避免发生爆燃。在《S109E燃气-蒸汽联合循环机组运行规程》中规定，PG9171E型燃气轮机清吹时间为8min。美国消防协会NFPA 85-2007《锅炉和燃烧系统的防爆规则》，对余热锅炉和燃气轮机排气系统清吹时间的规定：“燃气轮机对热通道的清吹风量应为其体积的5倍，且清吹时间不得少于5min。”
图1 余热锅炉示意图
对于PG9171E型燃气轮机，其配套的余热锅炉为悬吊立式、强制循环、三压无补燃、露天塔式布置型式，型号为Q1153／526-173.6（33.9）-5.8（0.62／500（254.8），由杭州锅炉厂制造，示意图如图1。由图1可知，该锅炉的热通道由水平烟道、锅炉本体、鳍片管和出口烟道四部分组成，各部分的尺寸参数如表1。
表1 余热锅炉各部分尺寸参数
通过计算可得，该余热锅炉的总容积为：
V=V1+ V2+ V3—V4=1288+3888+1135—2532=3779 m3（1-1）
查阅2014年烟气在线监测装置的数据，得到清吹时间段内的锅炉烟气流量Q平均为240911 m3/h。由此可知，在8分钟清吹时间内，流过锅炉的空气量V’为：
V’=Q÷60×8=240911÷60×8=32121 m3 （1-2）
V’÷V=32121÷3779=8.5（倍） （1-3）
即实际上，清吹过程中的空气量大于《锅炉和燃烧系统的防爆规则》中规定的5倍的热通道容积。同时，清吹时间段内，每分钟的锅炉烟气平均流量：
q =Q÷60=4015.18 m3/min （1-4）
故，为满足清吹过程中的空气量大于《锅炉和燃烧系统的防爆规则》中规定的5倍的热通道容积，时间T为：
T=V×5÷q=3779×5÷4015.18=4.7（分钟）（1-5）
由式（1-5）可知，理论上清吹4.7分钟的空气里即可达到5倍热通道容积。
2 燃机清吹时间缩短的可行性试验
通过式（1-5）计算出了理论上最低安全清吹时间，但实际运行中是否符合这一理论值，还有待确认。对此，设计了以下实验，旨在得出安全清吹时间的具体值。
2.1 实验原理：
1）天然气为易燃易爆气体，爆炸极限LEL（V%）为5-15，从实验安全角度出发，选择惰性气体取代天然气；
2）本实验采取等效替代法，模拟发电过程中天然气走向，于天然气精滤模块处注入氮气，利用现有烟气监测设备于锅炉烟囱处（即机组气体出口）测出氮气含量；
3）空气是地球大气层中的混合气体，主要由78%的氮气、21%氧气、0.93%的稀有气体，0.04%的二氧化碳，0.03%的其他物质组成的混合物，由于空气中含有氮气这一特性，小组在压气机处（即机组气体入口）增设氮气检验装置，通过机组空气出入口处的氮气含量对比，以检验清吹结果；
4）清吹是在一定的转速下，利用压气机出口空气对机组进行一定时间的清吹，吹掉可能漏进机组热通道中的燃料气。清吹的时间要根据排气道的容积来选择，至少能将整个排气道体积五倍的空气吹除掉，以避免爆燃。
2.2实验步骤：
1）氮气置换操作：通过氮气置换，将残留在机组内的天然气排空；
2）充氮：在VGC-1处对机组进行充氮操作，当流量差达热通道容积时，停止充氮；
3）启机：燃机点Start，在清吹阶段以30s为间隔记录机组空气进出口氮气含量，见表2；
4）停机：燃机点Stop；
5）重复步骤三、四，反复进行十次实验；
表2 机组出入口氮气含量
图2 机组出入口氮气含量对比
2.3 实验结论：
通过实验可知，机组在清吹4分钟后，锅炉排气出口氮气含量已达到空气中正常氮气含量值，说明此时氮气已清吹完毕，甚至在第5、6次试验当中，3.5分时排气出口氮气含量已达至正常水平。本实验采取等效替代法，氮气含量达至正常水平即说明，其替代变量天然气已彻底排出机组，从而验证了PG9171E型燃气轮机清吹时间缩短的可行性。
3 燃机清吹时间缩短的经济性分析
3.1燃机的启动过程
燃机启动可分为五个阶段：自检、清吹、降速至点火、点火至脱扣、脱扣至并网：
第一阶段为自检阶段。燃机点“start”发启机令，30s后“start”灯亮主保护L4带电后，燃机开始启动。此时88TG退出，88CR启动、88HQ启动、88BT启动、88QE启动自检，运行5s后停运。当转速达到8.4%TNH时，88VG启动，同时执行速比阀和控制阀的启机泄漏试验。
第二阶段为清吹阶段。燃机转速达10%TNH时，开始燃机8分钟清吹计时，转速逐渐升至24%TNH左右，并维持该转速至清吹结束。
第三阶段为降速至点火阶段。燃机清吹结束后，燃机转速逐渐下降，降到12%TNH时进入点火程序，至少两个火焰探测器探测到火焰后，燃机点火成功。2s后进入一分钟暖机程序。
第四阶段为点火至脱扣阶段。暖机结束后，机组进入升速，转速升至50%TNH时，88QB退出。当转速升至60%TNH时，88CR脱扣退出运行。
第五阶段为脱扣至并网阶段。燃机转速升至95% TNH时，88QA退出、88HQ退出，88TK-1投入，延迟11s后88TK-2投入。燃机达到空载满速，确认燃机各运行参数无异常后，进行并网操作。
燃机各阶段的平均运行时间，如表3所示。
表3 燃机启动过程中各阶段运行时间
3.2 燃机原启动过程中辅机的耗电量
燃机启动过程中88CR（启动电机）、88TG（盘车电机）、88QA（辅助润滑油泵电机）、88QB（顶轴油泵电机）、88QV（抽油烟风机电机）、88BT（透平间通风风机电机）、88HQ（辅助液压油泵电机）、88VG（负荷联轴间通风风机电机）、88WC（内冷水泵电机）等一系列辅机将会启动，消耗大量的厂用电量，各辅机在自检、清吹、降速至点火、点火至脱扣、脱扣至并网阶段的运行状态，各辅机的的额定参数和各辅机在燃机启动过程中的平均用电量分别如表4、5、6所示。
表4 燃机启动过程中各辅机运行情况
表5 燃机各辅机额定参数
表6 燃机原启动过程中各辅机平均用电量（单位：kW•h）
由表6可知，燃机启动过程中的辅机厂用电量
Q辅机=Q自检+Q清吹+Q降速至点火+Q点火至脱扣+Q脱扣至并网
=1.25+199+41+103.4+5.9=403.65 kW•h （3-1）
3.3 燃机清吹时间缩短后启动过程中的辅机用电量
根据《锅炉和燃烧系统的防爆规则》对余热锅炉和燃气轮机排气系统清吹时间的规定，以及上文中的实验证明，故在燃机MKVIe程序上进行修改，将燃机启动过程中清吹时间的数值重新修订—K2TV逻辑数值改为5，其逻辑修改如图3所示，其他部分的逻辑不做修改。
图3 燃机启动过程清吹逻辑修改
逻辑修改后，经计算可得，燃机启动过程中各辅机的平均电量，其具体数值如表7。
由表7可知，清吹时间缩短后，燃机启动过程中的辅机厂用电量
Q辅机’=Q自检’+Q清吹’+Q降速至点火’+Q点火至脱扣’+Q脱扣至并网’
=1.25+124.35+41+103.4+5.9=329.025 kW•h （3-2）
3.4 燃机清吹时间缩短后产生的经济效益
由式（3-1）和式（3-2）可知，清吹时间缩短后，燃机每次启动过程中辅机的厂用电量减少了△Q。
△Q=Q辅机-Q辅机’=403.65-329.025=74.625kW•h （3-3）
按照该燃机电厂单台机组每年260次的启停次数计算，每年单台机组可节约厂用电量Q年。
Q年=△Q×年启停次数=74.625×260=19402.5 kW•h （3-4）
按照深圳地区发电厂协议电价0.745元/kW•h计算，每年单台机组可节约用电成本C年。
C年= Q年×0.745=19402.5×0.745=14454.86元 （3-5）
由式（3-5）可知，将PG9171E型燃气轮机清吹时间由8min缩短为5min后，每年单台机组可为企业节约经济成本14454.86元，在保证机组安全稳定运行的同时还具有良好的经济效益。
3.5 清吹时间缩短后的其他效益
在清吹时间缩短后，除却产生的经济效益，因为启机的时间也缩短了3min，故还将产生以下三个方面的效益。
1）减少清吹时间，缩短了启机时间3min，可实现单台机组每次启停多发电量9000 kW•h，单台机组年多发电量2340000 kW•h；
2）启燃机机过程中余热锅炉冷却时间缩短，降低了锅炉的热损失，提高了锅炉的保温保压能力，对汽机侧而言能够提前汽机的暖管暖箱时间，从而进一步实现了汽机启机时间的缩短；
3）燃机各辅机的运行时间降低了，间接延长了各辅机的使用寿命；
4）机组整体启动时间缩短，提高了机组与电网的响应能力，增强了机组的调峰能力。
表7 逻辑修改后燃机启动过程中各辅机平均用电量（单位：kW•h）
4 结语
S109E 燃气-蒸汽联合循环发电机组在电网中承担深度调峰与浅度调峰相结合的调峰任务，具有昼开夜停的运行特点，通过对PG9171E型燃气轮机清吹时间的探索，可以得出：
1）将燃机清吹时间由8min降至5min，是可行的，能够满足燃机的清吹要求，保障机组的安全稳定运行；
2）燃机清吹时间缩短后，能够取得很好的经济效益，有很好的节能效果，同时也能提高调峰机组的调峰能力，进一步保障电网的电量供应要求；
3）对PG9171E型燃气轮机实现节能增效，具有极大的借鉴作用。
参考文献：
[1] 焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2] 吴革新等.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书控制系统分册[M].北京：中国电力出版社，2009年：168-169.
[3] NFPA 8501-1997 standard for single burner boiler operation [superseded by：nfpa 85，nfpa 85，nfpa 85，nfpa 85，nfpa 85]
作者简介：
杨博韬（1991-），男，江西吉安人，工程师，钰海电力生产准备人员、科技创新管理员。
论文作者:杨博韬
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
标签：机组论文; 时间论文; 氮气论文; 燃气轮机论文; 锅炉论文; 过程中论文; 辅机论文; 《电力设备》2017年第33期论文;