低碳技术在燃机电厂主机设备的应用

王慧芬

【摘 要】本文着重介绍了张家港华兴电厂GE S109FA-SS燃机启停及运行中在节能降耗方面的分析、摸索及节能技改的可行性分析。

【关键词】S109FA-SS联合循环的启动；燃烧模式

0.概述

天然气发电作为一种清洁发电模式，在我国呈现快速发展势头，其具有环保、快速启停、热效率高及优越的调峰性能等，因此，在安全前提下尽可能降低机组启停中的能耗来适应电力市场激烈竞争的需要，并通过节能技改来降低能耗，促进低碳经济的发展。

1.主机设备节能潜能

公司现有2台GE公司生产的S109FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组，每台燃机配套设备为杭州锅炉厂生产的三压、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉。由于燃机频繁启停，在燃机启停过程中进行热工逻辑及操作优化，则可实现低碳节能。

1.1主机启停优化前现状

热态启动期间，汽机并网至满足高压缸进汽时间在55分钟左右，明显高于GE推荐的启动曲线（合理启动时间为35分钟），不利于联合循环机组热效率的提高，同时燃机氮氧化物排放超标（大于100ppm）。

1.2优化原因分析

1.2.1高压缸进汽应力逻辑控制

GE规定满足汽机热态高压缸进汽条件为：高压主蒸汽压力至少在3.81MPa

1.2.2系统改造必要性

图1 主蒸汽系统简图

机组热态启动并网后，投入温度匹配，IGV（入口导叶）角度49度，燃机排烟温度达到566℃，此时主汽压力P在4.2MPa左右，经过炉侧高压疏水及机侧高压旁路开全作用，炉侧主蒸汽温度T1迅速由460℃上升至545℃，时间大约10分钟， 15分钟后机侧高压旁路管道前蒸汽温度T2也达到了540℃，按照T1、T2温度及压力要求，均满足了GE高压缸进汽条件，由于高旁管路至高压主汽门前疏水较少，仅有PV6004及主汽阀前两路疏水，在4.5MPa压力下疏水量不大，且存在疏水死区，主汽阀前温度T3较难满足GE进汽要求，此时T3温度仅有470度左右，而高压缸温度达到515℃以上，此时主汽门前温度低于GE要求40度以上。大大影响了汽机进汽的时间，待T3温度缓慢暖至进汽要求时大约需要55分钟，低于同类型燃机标准。

2.主机设备节能优化方案

2.1增加高压进汽温度测点

A、测点的选取：

图1所示测点T4处加装热电偶，位于靠近高压疏水PV6004门前管道上。

蒸汽流速计算：

机组热态启动过程中高压主汽经a点至高旁管道的流量Q达到150吨/小时，按照高旁管道内径176mm计算，经过主汽管道的蒸汽流速近似计算为：（蒸汽密度为10.95kg/m3）

V=Q/S，S为通过高旁管道的截面积

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

B、安全性分析：

这说明通过在C点加装主汽温度测点T4能满足要求，由于c点至b点距离4米，而b点的温度基本在500度左右，过热度满足GE要求，所以，通过T4取代图1中的T3温度来计算GE汽机进汽条件是可行的。

2.2氮氧化物（NOX ）减排量分析

2.2.1燃烧模式分析

GE生产9FA燃机配套的燃烧室型号为DLN2.0+，型式为环管型燃烧室，共有18个燃烧喷嘴组件，共有三路天然气（D5/PM1/PM4）通过各自母管，供应喷嘴进行燃烧，整个机组启动过程要经历四种燃烧模式：

（a）扩散燃烧模式（D5模式）：该模式开始于点火后，在扩散燃烧模式下，每个燃烧喷嘴组件的5个喷嘴都有D5管线供应天然气进行扩散燃烧，PM4管线由空气进行清吹。此种燃烧模式的特点为：火焰分布较均匀，但火焰强度偏高，对火焰筒及过渡段的热辐射较强，易受破坏；燃机从点火至燃烧基准温度TTRF低于华氏800度且转速小于95%，同时，机组减负荷停机过程中，当机组转速低于95%或燃烧基准温度TTRF低于华氏750度直至火焰消失为止，这两个阶段，燃机均处在扩散燃烧模式下运行，该方式下氮氧化物的排放量约为110ppm。

（b）次先导预混燃烧模式（Sub Pilot Premix Mode）：该模式开始于全转速的95%之后到TTRF达到1750F之间，停机时在TTRF低于1720F时进入该模式。在次先导预混模式下，除了所有5个喷嘴都有D5管线供应天然气进行扩散燃烧外，PM1喷嘴处也有火焰进行预混燃烧，PM4管线由压气机排气进行清吹；该燃烧模式下，因PM1参与预混燃烧，此时的火焰强度同扩散燃烧相比略有下降，但火焰的圆周中心发生轻微偏斜，火焰筒及过渡段的局部区域易发生过热；运行方式为：D5+PM1喷嘴运行。该方式下氮氧化物排放量约为120ppm。当处于下列条件时，燃机运行在次先导预混模式下：

（c）先导预混燃烧模式（Pilot Premix Mode）：该模式开始于燃烧基准温度TTRF大于华氏1750度。在先导预混燃烧模式下，除所有5个喷嘴都有D5管线供应天然气进行扩散燃烧外，PM1和PM4喷嘴处均有火焰进行预混燃烧，通过调节PM1和PM4的燃料量配比进行稳定低排放燃烧；该燃烧模式下，由于PM4喷嘴参与燃烧，燃料量进一步增加，使得燃烧动力场中空气过剩系数明显增大，燃烧器火焰强度进一步下降，此时火焰筒的内壁及中心孔处均通有冷却风，可有效的保护燃烧部件不被烧坏；但由于有D5喷嘴参与燃烧，对燃烧器的局部过热仍存隐患。运行方式为：D5+PM1+PM4喷嘴运行。该方式下氮氧化物排放量约为130ppm。当处于下列条件时，燃机运行在先导预混模式下：

A、加负荷过程中燃烧基准温度TTRF介于华氏1750

度和华氏2300度间。

B、减负荷过程中燃烧基准温度TTRF介于华氏1720度和华氏2250度间。

（d）预混燃烧模式（Premix Mode）：该模式开始于满负荷的50%左右（TTRF大于2300华氏度），在预混模式下，D5管线由空气进行清吹，PM1和PM4的燃料量配比进行稳定低排放燃烧；该燃烧模式下，由于5个预混燃烧的喷嘴均匀地分布在燃烧器上，使得火焰强度适中，燃烧动力场稳定，火焰中心温度相对较低，烟气流量大，更加有效地保护了燃烧部件不会烧毁。因此，预混燃烧的运行模式是最为稳定的；运行方式为：PM1+PM4喷嘴运行。该方式下氮氧化物排放量约为25ppm。

2.2.2性能加热器温度控制逻辑优化

性能加热器的工作原理主要是中压省煤器来部分给水加热管程中的天然气，提高燃烧效率。机组热态启动方式下优化前天然气控制逻辑是：通过给定性能加热器内中压给水进水温度与天然气温度出口温度之差的设定值来自动调节用于天然气加热的给水流量，通过控制温控阀的开度来调节天然气温度。优化前温度差设定值为15度，即：中压给水温度始终高于天然气出口温度15度，优化后该温度差设定值降至5度，明显加快了天然气温度的上升速率，缩短了扩散燃烧和先导预混的燃烧时间，减少了氮氧化物的排放量。

2.2.3优化前后各燃烧模式分布情况比较

优化后，点火到并网D5燃烧模式减少2分钟，并网至高压缸进汽燃烧模式D5+PM1+PM4减少20分钟，机组到基本负荷PM1+PM4减少5分钟。

因此，优化后每次启机缩短PPM（D5+PM1+PM4）燃烧模式约20分钟，使得排放量减少约100ppm以上，针对氮氧化物，1ppm=2.05mg/m3，按照每年燃机热态启停210次计算，在燃机负荷处于PPM方式下，烟气流量约为800000m3/h，则全年氮氧化物排放量可减少约210×100×2.05×（20/60）×800000/1000000000=11.48吨。

3.结束语

通过实施的主机设备节能技改及启动优化可以看出：在安全前提下大力实施节能降耗是十分有必要的，不仅有效降低发电成本，减少氮氧化物排放量，使公司经济效益得以提升，而且也提高了企业在同行中的市场竞争力。 [科]

【参考文献】

[1]杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行，2003.