燃气-联合循环机组启动环保控制及停机噪音控制优化

王雄 李志恒 李奇骏 郑家凤

摘要：湖北华电武昌热电有限公司坐落在城区正中心，紧邻长江。在当今长江大保护，“生态优先、绿色发展”的背景下，探索机组运行如何对环境影响最小是公司需直面的现状。本文根据武昌电厂机组运行过程中氮氧化物值及噪声值超标的问题，研究减少相关排放的可能。

关键词：燃机电厂;机组启停;氮氧化物;噪声

中图分类号：TM621                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0057-03

0  引言

湖北华电武昌热电有限公司（以下简称“武昌公司”）现有两台套机组，分别由#1燃机、#2汽机及#3燃机、#4汽机组成，在机组运行中产生的污染物主要是燃机运行产生的氮氧化物。武昌公司燃机运行有三种燃烧模式——初级燃烧、贫贫燃烧以及预混燃烧，而当燃机处于低负荷下的贫贫燃烧模式时产生的氮氧化物含量最高，处于高负荷下的预混燃烧时氮氧化物含量最少。因此在机组运行中我们通常将燃机的负荷控制在高负荷，以保证氮氧化物排放达标。但在机组进行启机操作时，燃机不可避免的会有一段时间处于低负荷来对锅炉汽机进行暖机，而这段时间燃机的氮氧化物排放将处于超标状态。同时武昌公司停机过程中，燃机停机熄火后会将天然气管道残余的高压力天然气放散，会产生噪音扰民，武昌公司运行部（以下简称“运行部”）在对机组完成多次启机，停机操作的背景后决定，整理出机组启动中燃机负荷控制的方案及机组停机时燃机噪音控制方案，以达到启动过程中环保不超标，停机过程中噪音不扰民的目的。

1  实施背景

党的19大以来，在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，全面推动长江经济带发展，并始终强调“生态优先、绿色发展”。坐落在长江之滨的武昌公司深入响应习总书记号召，将生态环境保护作为公司重中之重，为母亲河永葆生机活力提供武电力量。为落实公司的生态环境保护目标，武昌公司运行部着力探索机组启动氮氧化物排放不超标的优化方案，在2021年在机组启动过程中进行首次试验后，又利用启机机会进行了3次试验，每次试验氮氧化物排放均达到环保要求。同时武昌公司地处武汉市内环核心的滨江商务区，在绿地、万达等大型商圈附近，是华电集团在武汉市的形象工程，对噪音要求极为严格。而停机时燃机易产生噪音，武昌公司机组大部分停机时间在晚高峰后，燃机停机过程中，产生的噪音较大，超出武汉市规定的噪音标准，造成扰民，有被附近居民及商家投訴举报的风险，将对武昌公司的社会形象造成较大的负面影响。面对这一棘手问题，运行部特根据武昌公司的生产实际情况，对燃机停机操作进行调整优化，有效将机组停机时的噪音控制在正常范围。

2  改造过程

2.1 工作原理、确立思路

2.1.1 武昌公司燃机负荷与氮氧化物排放量关系

①#1燃机在点火到25MW这段区间属于初级燃烧模式，其中15MW到25MW负荷时，氮氧化物排放超标（53-65mg/m3）;在25MW到85MW这段区间属于贫贫燃烧模式，氮氧化物排放超标且达到峰值（71-181mg/m3）;在85MW以上区间属于预混燃烧模式，氮氧化物排放均处于达标状态（12mg/m3左右）。

②#3燃机经过燃烧改造，在点火到25MW这段区间属于初级燃烧模式，其中15MW到25MW负荷时，氮氧化物排放超标（53-65mg/m3）;在25MW到40MW这段区间属于贫贫燃烧模式，氮氧化物排放超标且达到峰值（71-90mg/m3）;在40MW以上区间属于预混燃烧模式，氮氧化物排放均处于达标状态（10-12mg/m3左右）。

2.1.2 控制武昌公司氮氧化物排放不超标思路

①武昌公司#1燃机、#2汽机在进行启机操作时，在燃机点火后，锅炉开始进行升温升压，并随之进行汽机暖机。在以往的汽机冷态启机过程中，依据联合循环运行规程，汽机冲转压力应维持在2.0-2.5MPa，因此值班员通常将燃机负荷维持在10-20MW范围;当汽机冲转后开始进行暖缸，这时需要控制汽机进气量避免胀差过大，因此燃机通常需要将负荷由20MW逐渐升至60MW;在汽机缸胀达到6mm后，燃机将负荷升至满负荷。在研究运行人员#1燃机、#2汽机启动的常规操作中，减少燃机低负荷运行时间，快速避开氮氧化物排放超标负荷区域有利于降低氮氧化物排放。

②武昌公司#3燃机由于经过燃烧改造，氮氧化物排放超标区间小，易于控制。

③集团公司环保和武汉市环保局判定我公司环保超标的依据是每小时氮氧化物排放平均值超过50mg/m3，因此需要控制燃机每小时排放氮氧化物总量即可。在燃机进行启机时，我们可以将燃机并网时间控制在X点35分左右，这样能够满足这一小时内氮氧化物总量不超标。

2.1.3 武昌公司燃机停机时产生噪音的原因

为保证机组的安全，9E燃机停机熄火后，会排放燃气管道中的残余天然气，。而按照正常停机操作燃机熄火放散时，天然气管道残余天然气压力为23bar以上，压力较高，放散噪音大持续时间长，易使噪音超出武汉市规定的噪音标准，被附近居民及商家投诉。

2.1.4 控制武昌公司燃机停机噪音不超标思路

武昌公司所用天然气来源于武汉市民用天然气管网，管网压力较低，入口压力为0.8MPa左右，需要增压机对天然气增压至2.52MPa，然后提供给燃机燃烧做工。因此，我们可以通过提前停止增压机，降低燃机熄火放散时天然气管道的压力，从而减小噪音。

2.2 操作过程

针对武昌公司较为常见的两种启机状态，运行部分别进行了多次优化试验，现对最近两次启机过程来进行详细说明。

2.2.1 2021年4月13日，#1燃机启动及#1炉、#2汽机全冷态启动操作过程

①#1燃机并网时间控制在半点以后，#1燃机并网后负荷控制在15MW左右运行。4月13日#1燃机在07点10分发启动令，在07点36分并网。

②#2汽机在燃机发启动令时开始抽真空，尽量在燃机点火前确保凝汽器真空高于-60kPa。

③燃机点火成功后，将锅炉主汽电动门开启，暖管至汽机电动主汽门前，开启新蒸汽调节阀对均压箱进行暖箱。待锅炉主汽温度达100℃时关闭锅炉相关过热器疏水门。燃机并网预选负荷15MW。

④待均压箱温度达110℃时，汽机送轴封。主蒸汽压力通过高压旁路控制。7：40燃机加负荷至40MW，氮氧化物排放达80mg/m3以上。

⑤达到冲转条件汽机冲转。#1燃机继续加负荷至100MW，燃机进入预混燃烧模式，直至汽机转速达3000rpm，汽机通过高、低压旁路控制主蒸汽压力。

⑥其它操作按机组正常启动执行。

⑦整个启机过程，汽机先抽真空，保证燃机点火时真空达-60kPa以上，然后控制燃机并网时间在X点35分左右，燃机预选15MW负荷进行暖箱送轴封，然后燃机加负荷，使汽机快速达到冲转条件，待汽机开始冲转，燃机继续加负荷直至达到预混模式，合理减少燃机在环保超标区间的运行时间对汽机进行暖机。

⑧试验过程负荷与氮氧化物值图表。

如表1，可以看出，#1燃机在07：52-08：22这一时间段氮氧化物排放超标，其余时间排放合格。

如图1，可以看出，4月13日7点-8点、8点-9点#1燃机、#2启机启机过程中氮氧化物排放平均值分别为33.1mg/m3及49.8mg/m3，排放合格。

2.2.2 2021年5月03日，#1燃机启动及#1炉为冷态、#2机为热态启动操作过程

①#1燃机并网时间控制在半点以后，#1燃机并网后负荷控制在10MW左右运行。5月03日，#1燃机在06点05分发启动令;于06点33分左右，燃机并网。

②燃机点火成功后，将锅炉主汽电动门开启，暖管至汽机电动主汽门前，开启新蒸汽调节阀对均压箱进行暖箱。燃机并网后预选负荷18MW运行。

③待均压箱温度达110℃时，汽机送轴封，立即启动2台真空泵抽真空。待真空达-60kPa时，投入高压旁路。由于汽机热态启动先送轴封再抽真空，为有效控制主蒸汽压力此时燃机降负荷至10MW。

④待汽机真空达-90kPa，可以有效利用高低旁控制主汽压力，故燃机逐渐加负荷至100MW，快速通过贫贫燃烧模式，达到预混燃烧模式。由于汽机为热态，可以直接冲3000转，在满足汽机冲转条件后于07：04分，#2汽机直接冲3000转。

⑤整个启机过程，首先控制燃机并网时间在X点35分左右，然后燃机带10MW低负荷进行暖箱送轴封，抽真空，待凝汽器真空达-90kPa后，由于汽机缸胀较好，燃机可以立即加负荷至100MW，在保证主蒸汽压力的情况下，汽机快速冲转并网，迅速避开环保超标的区间，控制氮氧化物排放超标时间每小时不超过25分钟。

⑥试验过程负荷与氮氧化物值图表。

如表2，可以看出，#1燃机在06：39-06点48、07：09-07：15这两个时间段氮氧化物排放超标，其余时间排放合格。

5月03日6点-7点、7点-08点#1燃机、#2启机启机过程中氮氧化物排放平均值分别为24.9mg/m3及40.2mg/m3，排放合格。

根据武昌公司的實际情况，武昌公司运行部对燃机多次停机操作进行调整优化，保证机组停机时将噪音控制在正常范围，现通过三次停机详细说明。

2.2.3 2021年5月18日#1燃机，#2汽机停机过程

在燃机降负荷过程中，当准备预选15MW时，值长安排燃机值班员去增压机控制室待命，当燃机负荷降至15MW时，停增压机，燃机同时发停机令。此时燃机P1压力缓慢下降，至燃机解列时，P1压力为13.61Bar，当燃机放散时P1压力为6.5Bar（如表3），此时压力较低，放散时厂界内噪音为60db。

2.2.4 2020年9月2日，#1燃机，#2汽机停机过程

此次停机，是按照正常停机流程停机，当燃机停机解列后，待燃机转速达到883转熄火时，再停增压机。燃机熄火放散时，P1压力为23.76Bar（如表4），压力较高，此时厂界内放散噪音为80db。

2.2.5 2021年3月31日，#3燃机，#4汽机停机过程

此次#3燃机停机和第一个#1燃机停机过程方案相同，在燃机降负荷至15MW时，停增压机，燃机同时发停机令。此时燃机P1压力缓慢下降，至燃机解列时，P1压力为17.15Bar，当燃机熄火放散时P1压力为5.69Bar（如表5），此时压力较低，放散时厂界内噪音为60db。

3  注意事项

启机过程氮氧化物排放优化方案要求汽机在冲转过程时燃机即开始带高负荷，造成主蒸汽压力较高，需要开启高压旁路控制压力，或会造成一些资源浪费。

停机噪音控制优化方案对值班员的协同操作要求较高，在燃机负荷达到15MW时，需及时通知值班员在调压站控制室停增压机，同时集控室燃机发停机令。若增压机停止时间过早，会导致燃机因为天然气压力过低，提前熄火。

4  创新点

氮氧化物排放优化方案绕过传统燃机低负荷暖汽机方式，采用燃机高负荷与汽机拉高旁控制压力的方式进行机组启动，快速避开燃机低负荷氮氧化物高排放区域，有效降低全过程氮氧化物排放量，为生态环境保护做出贡献。

停机噪音控制优化方案通过提前停增压机，充分利用管道余气，既保证燃机惰走时不会提前熄火，还降低燃机进气压力，增压机天然气压力，既减少天然气放散的浪费，还降低燃机放散时厂界内的噪音，避免噪音扰民。

5  使用效果

在使用本启机过程氮氧化物排放优化方案方案前，#1燃机、#2汽机启动氮氧化物排放量平均值均超标。在执行启机过程氮氧化物排放优化方案方案后，4月13日7点-8点，8点-9点#1燃机、#2启机启机过程中氮氧化物排放平均值分别为33.1mg/m3及49.8mg/m3，排放合格;5月03日6点-7点，7点-08点#1燃机、#2启机启机过程中氮氧化物排放平均值分别为24.9mg/m3及40.2mg/m3，排放合格。

通过举例的三次停机过程可以看出，在燃机负荷降至15MW时，停增压机，同时发停机令，可以让在燃机熄火放散时，将燃机管道的天然气压力降至一个较低的范围，使得燃机放散时厂界内的噪音控制在正常范围内，保证了周围的居民生活质量。武昌公司自从今年按照此方案进行停机后，有效的降低了停机过程中产生的噪音，未再接到过附近居民及商家的投诉，使武昌公司的社会形象有了显著的提升。

参考文献：

[1]王朝东，杨海锋，王小丽.MW级风电机组偏航振动噪音问题分析及改进[J].机械与电子，2020，38（5）：43-46，50.

[2]何今盛.一种引起机组振动与噪音的原因及其影响[J].中南水力发电，2005（1）：57-58.

[3]吴建亮.静音汽油机发电机组通风散热以及噪声研究[J].内燃机与配件，2019（24）：67-68.