燃气轮机清吹时间优化

华宇东，金培君，徐峥嵘

(1．上海奉贤燃机发电有限公司，上海 201403;2．上海通华燃气轮机服务有限公司，上海 200003)

1 问题的提出

上海奉贤燃机发电有限公司(以下简称奉贤发电公司)#11，#21，#31，#41燃气轮机为美国GE公司生产的PG9171E型燃气轮机，配套杭州锅炉厂生产的锅炉，于2005年底先后投产。为防止锅炉炉膛内可能存在的天然气发生爆燃，在燃气轮机启动前，需在25%额定转速高速盘车进行燃气轮机及锅炉部分清吹，清吹时间为15min。长期以来，奉贤发电公司为使机组能迅速启动和安全运行，奉贤发电公司技术人员对此进行了深入的分析和研究，他们在与GE公司技术人员进行技术交流时发现，奉贤发电公司配套的余热锅炉为杭州锅炉厂生产制造，而燃气轮机设定的清吹时间却由GE公司设定。作者认为，应根据机组实际情况，通过计算分析燃气轮机及其余热锅炉的实际空间体积来确认燃气轮机清吹所需要的时间。目前设定的清吹时间是有一定问题的，若清吹时间过短，则有发生炉膛爆燃事故的危险;若清吹时间过长，则有违调峰电厂启动迅速的初衷，有违国家节能减排政策的要求。故此，奉贤发电公司开展了燃气轮机清吹时间优化的研究。

2 研究的技术重点和优化方案

2．1 影响清吹时间的主要因素

(1)清吹倍率。在整个清吹过程中，需置换几倍的清吹容积。

(2)清吹容积。清吹容积是指需清吹部分的容积。

(3)清吹流量。清吹流量是指燃气轮机在25%转速时燃气轮机尾部的烟气流量。

这些基本数据和清吹时间存在着如下关系:清吹流量×清吹时间=清吹容积×清吹倍率。

2．2 清吹优化方案

2．2．1 清吹倍率的确定

依据美国消防协会编订的NFPA 85—2007《锅炉与燃烧系统的危险等级标准》第 8 部分 8．8．4．2．1．1条对余热锅炉和燃气轮机排气系统清吹时间的规定:“燃气轮机对尾部烟道的清吹倍率应为5倍，且清吹时间不得少于5min。”

2．2．2 清吹容积确定

依据美国消防协会编订的NFPA 85—2007《锅炉与燃烧系统的危险等级标准》第 8 部分 8．8．4．2．1．2条对余热锅炉和燃气轮机排气系统清吹容积的规定:“燃气轮机进口至烟气温度低于燃料自燃点56℃处。”

该标准第8 部分8．8．4．2．1．3 条要求为:“在任何情况下，清吹容积不得小于燃气轮机出口至第1层蒸发器出口部分的容积。无余热锅炉则延伸至烟囱出口。”

天然气中主要成分甲烷的自燃点在540℃左右，低于燃料自燃温度56℃的点则在锅炉2级蒸发器附近。该清吹容积远比 8．8．4．2．1．3 条所述的少。奉贤发电公司锅炉9组蒸发器布置紧凑，视为一个整体，则按该标准第 8 部分 8．8．4．2．1．3 条的要求应取燃气轮机出口至换热器出口，不包括烟囱部分。

根据NFPA 85—2007《锅炉与燃烧系统的危险等级标准》的规定，清吹容积还需符合燃气轮机制造厂的要求。奉贤发电公司技术人员与GE公司技术人员反复论证，认为燃气轮机内部容积较小的因素可忽略不计，烟囱部分容积较大，应以最大的安全裕量考虑，最终决定清吹容积取蒸发器出口至烟囱出口容积。故此，确定清吹容积为从燃气轮机排气烟道尾部开始的过渡段、炉膛本体、烟囱部分的容积。

根据计算结果(计算过程略)，炉膛总体积为3878．49m3，内部管材总体积为 140．15m3，锅炉侧容积为 3738．34m3。

2．2．3 清吹流量确定

相反的情形却在于，人类中心主义从建构到超越，需要增加生态中心主义的元素乃至反证条件。这恰如当代西方著名伦理学家阿拉斯戴尔·麦金太尔在《德性之后》中反讽的“道德危机时代”那样，“这种状况与我们热衷于表述分歧而不是共识是相关的，它使得我们的争论永无止境”[12]694。人类中心主义与自然中心主义之间的“逻辑悖论”映现其中，原本需要从一元论出发的基本命题，裂变为喋喋不休的“二元论”式的争论。

DLN燃烧室9E燃气轮机启动曲线如图1所示。在图1中:A为实际排气质量流量占额定排气质量流量的比例;B为实际燃料质量流量占额定燃料质量流量的比例;C为实际转速占额定转速的比例;D为进口可转导叶开度;E为负荷率。

奉贤发电公司采用的燃烧室非DLN燃烧室，但2种燃气轮机通流部分设备是一致的，因此，25%额定转速时空气流量是一致的。由图1曲线可知，25%额定转速时空气流量大致为最大烟气质量流量的10．4%，最大烟气质量流量为418 kg/s。25%额定转速时空气流量=最大烟气质量流量×10．4%=43．5(kg/s)。

由图1曲线可知，在此工况下，燃气轮机已点火，所以，在考虑清吹25%额定转速时空气流量需扣除该工况的燃料质量流量，查曲线可知，燃料质量流量为 0．22 kg/s。

查空气密度表，15℃标准大气压下空气密度ρ =1．22 kg/m3。

故此，25%额定转速时空气流量=35．5m3/s。

综合上述计算结果:清吹容积为3 738m3，清吹流量为35．5m3/s，清吹倍率为5倍。根据公式:清吹流量×清吹时间=清吹容积×清吹倍率，可计算得出清吹时间为526 s(8．77min)。

燃气轮机的清吹转速由曲线所得，可能有极小误差，清吹容积计算中涉及烟道内保温也有一定的计算误差，应预留足够的安全余量，优化后的燃气轮机清吹时间定为10 min，约为计算所得时间的113%。

3 优化前、后效果及经济性分析

经过精密计算，燃气轮机的清吹时间得到确认。计算发现，原来燃气轮机清吹时间定为15min，是一个有很大裕量的数值，该数据既不经济，也不符合调峰电厂快速启动的特点。

3．1 安全效益

清吹流量是固定的数据，该数据得到了GE公司技术人员的确认。对此，奉贤发电公司技术人员确定了清吹容积及5倍清吹倍率。对于这些数据，奉贤发电公司技术人员依据美国消防协会燃气轮机烟气防爆方面的标准，同时听取了GE公司技术人员在清吹容积方面的建议，设置了很大的安全裕量(烟囱部分的体积为612．00m3，占整个清吹容积的16．3%)，现用的清吹容积远高于 NFPA 85—2007《锅炉与燃烧系统的危险等级标准》的要求。优化后的燃气轮机清吹时间定为10min，对于燃气轮机尾部烟道的防火、防爆，是安全可靠的。

3．2 社会效益

奉贤发电公司原燃气轮机启动至并网时间在30min左右。优化后的燃气轮机清吹时间为10min(相比原来的15min缩短5min)，即燃气轮机启动至并网时间可缩短至25min，比原时间缩短16．7%。作为一个调峰电厂，“召之即发”是其使命，清吹时间的优化，更好地体现了调峰电厂的特色，更好地肩负起了社会赋予奉贤发电公司的责任。

3．3 经济效益

以2010年计，#11燃气轮机点火34次，#21燃气轮机点火34次，#31燃气轮机点火45次，#41燃气轮机点火40次，共启动153次。可缩短启动时间765min，在此期间，各个辅机包括燃气轮机辅机、锅炉辅机、汽机辅机、公用系统辅机的运行时间

图1 DLN燃烧室9E燃气轮机启动曲线

图4 程序修改后#11燃气轮机停机熄火曲线图

4 结束语

优化改造后，奉贤发电公司4台9E燃气轮机都能在正常的转速下熄火，比较圆满地解决了燃气轮机熄火转速升高的问题。这对设备的健康状况、机组的稳定运行都有重要的意义，也为以后国内同类9E机组的运行提供了宝贵的经验。同时，通过对9E燃气轮机Mark V控制系统程序的研究以及功能块特性参数的探索，技术人员加深了对控制系统的认识，提高了技术水平。

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