燃氣輪機清吹時間優化

華宇東，金培君，徐崢嶸

(1．上海奉賢燃機發電有限公司，上海 201403;2．上海通華燃氣輪機服務有限公司，上海 200003)

1 問題的提出

上海奉賢燃機發電有限公司(以下簡稱奉賢發電公司)#11，#21，#31，#41燃氣輪機為美國GE公司生產的PG9171E型燃氣輪機，配套杭州鍋爐廠生產的鍋爐，于2005年底先后投產。為防止鍋爐爐膛內可能存在的天然氣發生爆燃，在燃氣輪機啟動前，需在25%額定轉速高速盤車進行燃氣輪機及鍋爐部分清吹，清吹時間為15min。長期以來，奉賢發電公司為使機組能迅速啟動和安全運行，奉賢發電公司技術人員對此進行了深入的分析和研究，他們在與GE公司技術人員進行技術交流時發現，奉賢發電公司配套的余熱鍋爐為杭州鍋爐廠生產制造，而燃氣輪機設定的清吹時間卻由GE公司設定。作者認為，應根據機組實際情況，通過計算分析燃氣輪機及其余熱鍋爐的實際空間體積來確認燃氣輪機清吹所需要的時間。目前設定的清吹時間是有一定問題的，若清吹時間過短，則有發生爐膛爆燃事故的危險;若清吹時間過長，則有違調峰電廠啟動迅速的初衷，有違國家節能減排政策的要求。故此，奉賢發電公司開展了燃氣輪機清吹時間優化的研究。

2 研究的技術重點和優化方案

2．1 影響清吹時間的主要因素

(1)清吹倍率。在整個清吹過程中，需置換幾倍的清吹容積。

(2)清吹容積。清吹容積是指需清吹部分的容積。

(3)清吹流量。清吹流量是指燃氣輪機在25%轉速時燃氣輪機尾部的煙氣流量。

這些基本數據和清吹時間存在著如下關系:清吹流量×清吹時間=清吹容積×清吹倍率。

2．2 清吹優化方案

2．2．1 清吹倍率的確定

依據美國消防協會編訂的NFPA 85—2007《鍋爐與燃燒系統的危險等級標準》第 8 部分 8．8．4．2．1．1條對余熱鍋爐和燃氣輪機排氣系統清吹時間的規定:“燃氣輪機對尾部煙道的清吹倍率應為5倍，且清吹時間不得少于5min。”

2．2．2 清吹容積確定

依據美國消防協會編訂的NFPA 85—2007《鍋爐與燃燒系統的危險等級標準》第 8 部分 8．8．4．2．1．2條對余熱鍋爐和燃氣輪機排氣系統清吹容積的規定:“燃氣輪機進口至煙氣溫度低于燃料自燃點56℃處。”

該標準第8 部分8．8．4．2．1．3 條要求為:“在任何情況下，清吹容積不得小于燃氣輪機出口至第1層蒸發器出口部分的容積。無余熱鍋爐則延伸至煙囪出口。”

天然氣中主要成分甲烷的自燃點在540℃左右，低于燃料自燃溫度56℃的點則在鍋爐2級蒸發器附近。該清吹容積遠比 8．8．4．2．1．3 條所述的少。奉賢發電公司鍋爐9組蒸發器布置緊湊，視為一個整體，則按該標準第 8 部分 8．8．4．2．1．3 條的要求應取燃氣輪機出口至換熱器出口，不包括煙囪部分。

根據NFPA 85—2007《鍋爐與燃燒系統的危險等級標準》的規定，清吹容積還需符合燃氣輪機制造廠的要求。奉賢發電公司技術人員與GE公司技術人員反復論證，認為燃氣輪機內部容積較小的因素可忽略不計，煙囪部分容積較大，應以最大的安全裕量考慮，最終決定清吹容積取蒸發器出口至煙囪出口容積。故此，確定清吹容積為從燃氣輪機排氣煙道尾部開始的過渡段、爐膛本體、煙囪部分的容積。

根據計算結果(計算過程略)，爐膛總體積為3878．49m3，內部管材總體積為 140．15m3，鍋爐側容積為 3738．34m3。

2．2．3 清吹流量確定

相反的情形卻在于，人類中心主義從建構到超越，需要增加生態中心主義的元素乃至反證條件。這恰如當代西方著名倫理學家阿拉斯戴爾·麥金太爾在《德性之后》中反諷的“道德危機時代”那樣，“這種狀況與我們熱衷于表述分歧而不是共識是相關的，它使得我們的爭論永無止境”[12]694。人類中心主義與自然中心主義之間的“邏輯悖論”映現其中，原本需要從一元論出發的基本命題，裂變為喋喋不休的“二元論”式的爭論。

DLN燃燒室9E燃氣輪機啟動曲線如圖1所示。在圖1中:A為實際排氣質量流量占額定排氣質量流量的比例;B為實際燃料質量流量占額定燃料質量流量的比例;C為實際轉速占額定轉速的比例;D為進口可轉導葉開度;E為負荷率。

奉賢發電公司采用的燃燒室非DLN燃燒室，但2種燃氣輪機通流部分設備是一致的，因此，25%額定轉速時空氣流量是一致的。由圖1曲線可知，25%額定轉速時空氣流量大致為最大煙氣質量流量的10．4%，最大煙氣質量流量為418 kg/s。25%額定轉速時空氣流量=最大煙氣質量流量×10．4%=43．5(kg/s)。

由圖1曲線可知，在此工況下，燃氣輪機已點火，所以，在考慮清吹25%額定轉速時空氣流量需扣除該工況的燃料質量流量，查曲線可知，燃料質量流量為 0．22 kg/s。

查空氣密度表，15℃標準大氣壓下空氣密度ρ =1．22 kg/m3。

故此，25%額定轉速時空氣流量=35．5m3/s。

綜合上述計算結果:清吹容積為3 738m3，清吹流量為35．5m3/s，清吹倍率為5倍。根據公式:清吹流量×清吹時間=清吹容積×清吹倍率，可計算得出清吹時間為526 s(8．77min)。

燃氣輪機的清吹轉速由曲線所得，可能有極小誤差，清吹容積計算中涉及煙道內保溫也有一定的計算誤差，應預留足夠的安全余量，優化后的燃氣輪機清吹時間定為10 min，約為計算所得時間的113%。

3 優化前、后效果及經濟性分析

經過精密計算，燃氣輪機的清吹時間得到確認。計算發現，原來燃氣輪機清吹時間定為15min，是一個有很大裕量的數值，該數據既不經濟，也不符合調峰電廠快速啟動的特點。

3．1 安全效益

清吹流量是固定的數據，該數據得到了GE公司技術人員的確認。對此，奉賢發電公司技術人員確定了清吹容積及5倍清吹倍率。對于這些數據，奉賢發電公司技術人員依據美國消防協會燃氣輪機煙氣防爆方面的標準，同時聽取了GE公司技術人員在清吹容積方面的建議，設置了很大的安全裕量(煙囪部分的體積為612．00m3，占整個清吹容積的16．3%)，現用的清吹容積遠高于 NFPA 85—2007《鍋爐與燃燒系統的危險等級標準》的要求。優化后的燃氣輪機清吹時間定為10min，對于燃氣輪機尾部煙道的防火、防爆，是安全可靠的。

3．2 社會效益

奉賢發電公司原燃氣輪機啟動至并網時間在30min左右。優化后的燃氣輪機清吹時間為10min(相比原來的15min縮短5min)，即燃氣輪機啟動至并網時間可縮短至25min，比原時間縮短16．7%。作為一個調峰電廠，“召之即發”是其使命，清吹時間的優化，更好地體現了調峰電廠的特色，更好地肩負起了社會賦予奉賢發電公司的責任。

3．3 經濟效益

以2010年計，#11燃氣輪機點火34次，#21燃氣輪機點火34次，#31燃氣輪機點火45次，#41燃氣輪機點火40次，共啟動153次。可縮短啟動時間765min，在此期間，各個輔機包括燃氣輪機輔機、鍋爐輔機、汽機輔機、公用系統輔機的運行時間

圖1 DLN燃燒室9E燃氣輪機啟動曲線

圖4 程序修改后#11燃氣輪機停機熄火曲線圖

4 結束語

優化改造后，奉賢發電公司4臺9E燃氣輪機都能在正常的轉速下熄火，比較圓滿地解決了燃氣輪機熄火轉速升高的問題。這對設備的健康狀況、機組的穩定運行都有重要的意義，也為以后國內同類9E機組的運行提供了寶貴的經驗。同時，通過對9E燃氣輪機Mark V控制系統程序的研究以及功能塊特性參數的探索，技術人員加深了對控制系統的認識，提高了技術水平。

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