低碳技術(shù)在燃機電廠主機設(shè)備的應(yīng)用

王慧芬

【摘 要】本文著重介紹了張家港華興電廠GE S109FA-SS燃機啟停及運行中在節(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；燃燒模式

0.概述

天然氣發(fā)電作為一種清潔發(fā)電模式，在我國呈現(xiàn)快速發(fā)展勢頭，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組啟停中的能耗來適應(yīng)電力市場激烈競爭的需要，并通過節(jié)能技改來降低能耗，促進低碳經(jīng)濟的發(fā)展。

1.主機設(shè)備節(jié)能潛能

公司現(xiàn)有2臺GE公司生產(chǎn)的S109FA單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，每臺燃機配套設(shè)備為杭州鍋爐廠生產(chǎn)的三壓、臥式、無補燃、自然循環(huán)余熱鍋爐。由于燃機頻繁啟停，在燃機啟停過程中進行熱工邏輯及操作優(yōu)化，則可實現(xiàn)低碳節(jié)能。

1.1主機啟停優(yōu)化前現(xiàn)狀

熱態(tài)啟動期間，汽機并網(wǎng)至滿足高壓缸進汽時間在55分鐘左右，明顯高于GE推薦的啟動曲線（合理啟動時間為35分鐘），不利于聯(lián)合循環(huán)機組熱效率的提高，同時燃機氮氧化物排放超標（大于100ppm）。

1.2優(yōu)化原因分析

1.2.1高壓缸進汽應(yīng)力邏輯控制

GE規(guī)定滿足汽機熱態(tài)高壓缸進汽條件為：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)簡圖

機組熱態(tài)啟動并網(wǎng)后，投入溫度匹配，IGV（入口導葉）角度49度，燃機排煙溫度達到566℃，此時主汽壓力P在4.2MPa左右，經(jīng)過爐側(cè)高壓疏水及機側(cè)高壓旁路開全作用，爐側(cè)主蒸汽溫度T1迅速由460℃上升至545℃，時間大約10分鐘， 15分鐘后機側(cè)高壓旁路管道前蒸汽溫度T2也達到了540℃，按照T1、T2溫度及壓力要求，均滿足了GE高壓缸進汽條件，由于高旁管路至高壓主汽門前疏水較少，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較難滿足GE進汽要求，此時T3溫度僅有470度左右，而高壓缸溫度達到515℃以上，此時主汽門前溫度低于GE要求40度以上。大大影響了汽機進汽的時間，待T3溫度緩慢暖至進汽要求時大約需要55分鐘，低于同類型燃機標準。

2.主機設(shè)備節(jié)能優(yōu)化方案

2.1增加高壓進汽溫度測點

A、測點的選?。?/p>

圖1所示測點T4處加裝熱電偶，位于靠近高壓疏水PV6004門前管道上。

蒸汽流速計算：

機組熱態(tài)啟動過程中高壓主汽經(jīng)a點至高旁管道的流量Q達到150噸/小時，按照高旁管道內(nèi)徑176mm計算，經(jīng)過主汽管道的蒸汽流速近似計算為：（蒸汽密度為10.95kg/m3）

V=Q/S，S為通過高旁管道的截面積

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

B、安全性分析：

這說明通過在C點加裝主汽溫度測點T4能滿足要求，由于c點至b點距離4米，而b點的溫度基本在500度左右，過熱度滿足GE要求，所以，通過T4取代圖1中的T3溫度來計算GE汽機進汽條件是可行的。

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燃機配套的燃燒室型號為DLN2.0+，型式為環(huán)管型燃燒室，共有18個燃燒噴嘴組件，共有三路天然氣（D5/PM1/PM4）通過各自母管，供應(yīng)噴嘴進行燃燒，整個機組啟動過程要經(jīng)歷四種燃燒模式：

（a）擴散燃燒模式（D5模式）：該模式開始于點火后，在擴散燃燒模式下，每個燃燒噴嘴組件的5個噴嘴都有D5管線供應(yīng)天然氣進行擴散燃燒，PM4管線由空氣進行清吹。此種燃燒模式的特點為：火焰分布較均勻，但火焰強度偏高，對火焰筒及過渡段的熱輻射較強，易受破壞；燃機從點火至燃燒基準溫度TTRF低于華氏800度且轉(zhuǎn)速小于95%，同時，機組減負荷停機過程中，當機組轉(zhuǎn)速低于95%或燃燒基準溫度TTRF低于華氏750度直至火焰消失為止，這兩個階段，燃機均處在擴散燃燒模式下運行，該方式下氮氧化物的排放量約為110ppm。

（b）次先導預(yù)混燃燒模式（Sub Pilot Premix Mode）：該模式開始于全轉(zhuǎn)速的95%之后到TTRF達到1750F之間，停機時在TTRF低于1720F時進入該模式。在次先導預(yù)混模式下，除了所有5個噴嘴都有D5管線供應(yīng)天然氣進行擴散燃燒外，PM1噴嘴處也有火焰進行預(yù)混燃燒，PM4管線由壓氣機排氣進行清吹；該燃燒模式下，因PM1參與預(yù)混燃燒，此時的火焰強度同擴散燃燒相比略有下降，但火焰的圓周中心發(fā)生輕微偏斜，火焰筒及過渡段的局部區(qū)域易發(fā)生過熱；運行方式為：D5+PM1噴嘴運行。該方式下氮氧化物排放量約為120ppm。當處于下列條件時，燃機運行在次先導預(yù)混模式下：

（c）先導預(yù)混燃燒模式（Pilot Premix Mode）：該模式開始于燃燒基準溫度TTRF大于華氏1750度。在先導預(yù)混燃燒模式下，除所有5個噴嘴都有D5管線供應(yīng)天然氣進行擴散燃燒外，PM1和PM4噴嘴處均有火焰進行預(yù)混燃燒，通過調(diào)節(jié)PM1和PM4的燃料量配比進行穩(wěn)定低排放燃燒；該燃燒模式下，由于PM4噴嘴參與燃燒，燃料量進一步增加，使得燃燒動力場中空氣過剩系數(shù)明顯增大，燃燒器火焰強度進一步下降，此時火焰筒的內(nèi)壁及中心孔處均通有冷卻風，可有效的保護燃燒部件不被燒壞；但由于有D5噴嘴參與燃燒，對燃燒器的局部過熱仍存隱患。運行方式為：D5+PM1+PM4噴嘴運行。該方式下氮氧化物排放量約為130ppm。當處于下列條件時，燃機運行在先導預(yù)混模式下：

A、加負荷過程中燃燒基準溫度TTRF介于華氏1750

度和華氏2300度間。

B、減負荷過程中燃燒基準溫度TTRF介于華氏1720度和華氏2250度間。

（d）預(yù)混燃燒模式（Premix Mode）：該模式開始于滿負荷的50%左右（TTRF大于2300華氏度），在預(yù)混模式下，D5管線由空氣進行清吹，PM1和PM4的燃料量配比進行穩(wěn)定低排放燃燒；該燃燒模式下，由于5個預(yù)混燃燒的噴嘴均勻地分布在燃燒器上，使得火焰強度適中，燃燒動力場穩(wěn)定，火焰中心溫度相對較低，煙氣流量大，更加有效地保護了燃燒部件不會燒毀。因此，預(yù)混燃燒的運行模式是最為穩(wěn)定的；運行方式為：PM1+PM4噴嘴運行。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部分給水加熱管程中的天然氣，提高燃燒效率。機組熱態(tài)啟動方式下優(yōu)化前天然氣控制邏輯是：通過給定性能加熱器內(nèi)中壓給水進水溫度與天然氣溫度出口溫度之差的設(shè)定值來自動調(diào)節(jié)用于天然氣加熱的給水流量，通過控制溫控閥的開度來調(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，縮短了擴散燃燒和先導預(yù)混的燃燒時間，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，點火到并網(wǎng)D5燃燒模式減少2分鐘，并網(wǎng)至高壓缸進汽燃燒模式D5+PM1+PM4減少20分鐘，機組到基本負荷PM1+PM4減少5分鐘。

因此，優(yōu)化后每次啟機縮短PPM（D5+PM1+PM4）燃燒模式約20分鐘，使得排放量減少約100ppm以上，針對氮氧化物，1ppm=2.05mg/m3，按照每年燃機熱態(tài)啟停210次計算，在燃機負荷處于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

通過實施的主機設(shè)備節(jié)能技改及啟動優(yōu)化可以看出：在安全前提下大力實施節(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)濟效益得以提升，而且也提高了企業(yè)在同行中的市場競爭力。 [科]

【參考文獻】

[1]楊順虎.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備及運行，2003.