PG9351FA 型燃气轮机的清吹时间优化研究

施文

（国能浙江余姚燃气发电有限责任公司，宁波 315400）

0 引言

燃气发电机组作为电网调峰运行的主力机组，对电网安全运行起着至关重要的作用。然而在燃气轮机的启动过程中必须要有清吹过程，只有这样才能将可能存在于热通道内的可燃气体吹出热通道，避免在燃气轮机点火时发生爆燃造成设备的损坏。用于调峰的燃气机组启停间隔非常短，所以在每次启动时就会对热通道造成严重的热冲击，严重影响机组的使用寿命。所以合理的清吹时间对机组的安全稳定运行意义重大。

1 清吹功能介绍

某电厂PG9351FA 型燃气轮机启动过程可分为自检、清吹、降速至点火、点火至脱扣、脱扣至并网五个阶段。为保证机组的安全启动，燃气轮机在启动力过程中将对机组进行12 分钟清吹，防止爆燃。同时，在燃气轮机启动过程中，将启动一系列辅助设备。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：指燃气轮机在25%转速下，燃气轮机尾部的烟气流量。

2 某厂机组冷拖时间对燃气轮机轮间温度的影响

2.1 机组启动时入口温度30℃左右

机组启动前燃气轮机在盘车状态下，燃机轮间温度自然冷却12 分钟温度下降约2.4℃。冷拖开始时燃气轮机轮间温度一级前温度256.9℃，10 分钟后温度降低至231.9℃，12 分钟后温度下降至227.2℃。10 分钟温降25℃，12 分钟温降29.7℃。是启动前自然温降的12.3 倍。

2.2 机组启动时入口温度15℃左右

机组启动前燃气轮机在盘车状态下，燃机轮间温度自然冷却12 分钟温度下降约2.1℃。冷拖开始时燃气轮机轮间温度一级前温度208.2℃，10 分钟后温度降低至181.6℃，12 分钟后温度下降至178.2℃。10 分钟温降26.6℃，12 分钟温降30℃。是启动前自然温降的14.2 倍。

2.3 机组启动时入口温度0℃左右

机组启动前燃气轮机在盘车状态下，燃机轮间温度自然冷却12 分钟温度下降约1.9℃。冷拖后燃气轮机轮间温度一级前温度208.1℃，10 分钟后温度降低至179.2℃，12分钟后温度下降至171.6℃。10 分钟温降28.9℃，12 分钟温降36.5℃。是启动前自然温降的19.2 倍。

从以上数据可以看出，随着环境温度的下降，机组冷拖时对金属的热冲击在不断加强。这是不利于机组的安全运行的。

3 相关制度要求

按照美国国家标准学会（ANSI）/美国消防协会（NFPA）85 2007《锅炉与燃烧系统的危险等级标准》中8.8.4.2.1.1 条款对余热锅炉和燃气轮机排气的规定，容积倍率（在整个清吹过程中，需置换几倍的清吹容积）对余热锅炉和燃气轮机排气的规定即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5 分钟执行。

4 某厂机组实际情况

4.1 热通道容积计算

由于燃气轮机热通道容积小于余热锅炉热通道容积，所以只要保证余热锅炉清吹的体积足够就可以防止爆燃。通过查阅该厂锅炉运行规程和系统图确定锅炉的尺寸，从而对锅炉的容积进行了计算，如图1 和图2 所示。

图1 锅炉侧面图

图2 锅炉俯视图

整个热通道的容积由以上五部分组成，数据如表1 和表2 所示。由于锅炉内部吊架部件V5 不可测，本计算忽略该值，同时计算时使用的是锅炉炉墙的外体积，没有减去锅炉炉墙的壁厚。所以余热锅炉实际的容积还小于此计算值。计算可得总容积为：V=V1+V2+V3-V4=792+4459+889-2111.6=4029（立方米）。

表1 锅炉体积计算表

表2 管屏及鳍片管计算表

4.2 在不同环境温度下清吹期间的空气量计算

①冬季气温0℃时清吹时间段内的燃气轮机烟气流量平均为105 磅/秒。由此计算，在12 分钟清吹时间内，流过锅炉的空气质量为：

105×0.4536×60×12=34292.16（千克）

0℃时，标准大气压下空气密度：1.293 千克/立方米，12分钟清吹时间内流过锅炉的空气体积为：

34292.16/1.293=26521.39（立方米）

冬季实际燃气轮机对尾部烟道的清吹倍率为：

26521.39/4029=6.58 倍

②春秋季平均气温10℃时清吹时间段内的燃气轮机烟气流量平均为94 磅/秒。由此计算，在12 分钟清吹时间内，流过锅炉的空气质量为：

94×0.4536×60×12=30699（千克）

10℃时，标准大气压下空气密度：1.226 千克/立方米，12 分钟清吹时间内流过锅炉的空气体积为：

30699/1.226=25039（立方米）

春秋季实际燃气轮机对尾部烟道的清吹倍率为：

25039/4029=6.21 倍

③夏天气温30℃（机组启动都在凌晨，夏天环境温度也在30℃以下）查清吹时间段内的燃气轮机烟气流量夏天平均为85 磅/秒。由此计算，在12 分钟清吹时间内，流过锅炉的空气质量为：

85×0.4536×60×12=27760（千克）

30℃，标准大气压下空气密度：1.165 千克/立方米，12分钟清吹时间内流过锅炉的空气体积为：

27760/1.165=23828（立方米）

夏季实际燃气轮机对尾部烟道的清吹倍率为：

23828/4029=5.91 倍

按照实际最小空气密度计算，在环境温度30℃以下。只要5/5.91×12=10.1 分钟即达到5 倍的热通道容积空气量。建议根据机组状态及环境温度更改控制逻辑，使燃气轮机在不同的温度下使用不同的清吹时间，保证机组安全稳定经济运行。

燃气机组作为电网调峰的主力机型，在电网的运行中发挥着举足轻重的作用。同时燃气机组也面临日开夜停、双开双停、随时启停的工况。从表3 可以看出，当空气温度越低时清吹过程对燃机金属的温降越明显，对金属造成的热冲击也越明显。所以优化燃机清吹时间有利于燃机的安全运行。

表3 清吹时间优化后参数比表

4.3 天然气辅助监测系统

4.3.1 实时监测系统

某厂在燃气轮机排气扩散段顶部增加可燃气体取样口，停机后实时监测排气扩散段可燃气体浓度，可以及时发现燃气轮机燃料系统阀门的泄漏。通过对该监测系统的实时监视，当有燃气漏入时及时发出报警，采取相应的措施。那么清吹时间的减少就可以保证机组在启动时不发生爆燃，确保机组的安全。如图3 所示。

图3 燃料监测系统

4.3.2 在机组启动前、停运后检测各天然气阀门的严密性试验

由图4 可知，燃气轮机启动以后，选择“自动模式”则燃气轮机进入阀门自检A 程序，检测SRV 严密性。VA13-15 关闭，VS4-4、VS4-1 自动开启，同时开启后30 秒内检查P2 压力上升值不应超过0.68MPa，自检A 通过，否则自检A 失败跳闸燃气轮机。

图4 天然气入口系统

自检A 通过后，程序自动触发自检B，检测VA13-15、GCV-2、GCV-3、GCV-4 四个阀的严密性，速比阀SRV 开启，P2 压力（天然气供气压力VS4-1 阀前压力）快速上升至P1 压力（天然气调节后压力SRV 阀后压力）后，辅助截止阀VS4-1、速比阀SRV 同时关闭并计时，30 秒内P2 压力下降数值小于1.03MPa 自检B 通过，否则自检B 失败跳闸燃气轮机。

自检A、B 均通过后，VA13-15 开启将P2 压力泄至零，60 秒后，速比阀SRV 自动开启2 秒后关闭，泄掉VS4-1 和SRV 阀间压力。燃气轮机进入准备点火程序。停机自检过程和以上过程一样，只是自检完成后会关闭燃料截止阀。如果停机后自检出现异常会发报警，通知操作员。

5 减少清吹时间对节能的意义

静态启动装置LCI 在燃气轮机冷拖时功耗较大。如式下：

式中：LCI 高压侧电压为6kV，冷拖时平均电流240A。

每次启动可节省厂用电量如下：

按照每年316 次计算，每次节省1.9 分钟。每年能够节约厂用电量如下：

W=2244.6×316×1.9/60=22460.9（千瓦时）

6 结语

某厂将燃气轮机清吹时间设定为10.1 分钟，这样不仅对机组经济运行有帮助，还有利于机组的安全稳定运行，大大降低对热通道的热冲击，保证了机组的安全。对于该厂来说，进入燃气轮机的可燃物主要是天然气，只要天然气未在燃气轮机或锅炉热通道中聚集，便不会造成爆燃。该厂在燃气轮机排气扩散段已经安装有可燃气体浓度检测装置，同时机组在启动和停运时都会对燃料系统各阀门进行严密性试验。只要阀门没有泄漏，没有检测到可燃物完全可以进一步减少机组的冷拖时间。清吹时间的优化能更好的体现燃气调峰电厂的特色，更好的肩负起发电公司的社会责任。