霧霾天氣對聯合循環機組運行影響的分析

李聰聰

【摘要】廣東惠州天然氣發電有限公司（簡稱惠州LNG電廠）位于廣東省惠州市大亞灣經濟技術開發區石化工業園區內，是國內最大的聯合循環發電項目之一，目前3臺39萬千瓦燃氣-蒸汽聯合循環機組已經于2007年6月18日全部投產發電，燃氣輪機為三菱M701F3型。

2014年3月19日下午至20日上午，大亞灣出現較為嚴重的霧霾天氣，當時運行機組的壓氣機進氣濾總壓差顯著上升，對我廠聯合循環運行機組造成了一定影響。下面以#3機組為例，就霧霾天氣對機組運行的影響進行簡單的分析。

【關鍵詞】機組運行； 霧霾天氣；機組安全性

一、現象：壓氣機進氣濾壓差增大

根據歷史數據繪制霧霾天氣前后的#3機負荷及進氣濾壓差趨勢圖（見圖1），由該圖可知，相同負荷下，霧霾天氣使壓氣機進氣濾壓差顯著增大，具體情況如下：一）一級進氣濾（粗濾）壓差略有上升，幅度在0.1kpa以下；二）二級進氣濾（精濾）壓差持續大幅上升，幅度最大達0.4kpa左右；三）壓氣機進氣濾總壓差持續大幅上升，相同滿負荷下，進氣濾總壓差最大值達1.1kpa，上升幅度達0.5kpa左右。根據三菱要求，當壓氣機進氣濾壓差達1.1kpa時，為避免防爆門動作，機組應降負荷運行。同時為了防止過濾器總壓差突然增大，危機壓氣機穩定運行，在壓氣機進氣室設置有四個防爆門，當總壓差>1.25Kpa時，一個防爆門打開；當總壓差>2.85Kpa時，其余三個防爆門打開，此時應手動停機。

二、對機組經濟性的影響

（一）機組最大出力略微下降

壓氣機進氣壓損增大將導致燃機進口空氣流量減小，這類似于大氣壓力減小產生的效果，在小幅度范圍內，二者對燃機性能的影響可以近似認為相同。根據燃氣輪機基本理論及三菱提供的M701聯合循環機組大氣壓力—機組出力/效率修正曲線（見圖2），在其它參數不變的條件下，壓氣機進氣壓損增大0.5kpa將導致機組最大出力下降約1.8MW。另外，根據滿負荷時的燃機比功數值也可推導出相同結果。

（二）機組各負荷效率略有上升

霧霾天氣期間，壓氣機進氣濾壓損增大，壓氣機進口空氣流量減小，機組在滿負荷時的效率基本不變，而部分負荷時效率甚至略有提高，幅度在0.5%以下，見表1、圖3，簡單解釋如下：

1、根據燃機控制原理，隨機組負荷升高，燃氣初溫將隨之升高，當燃氣初溫達到限定值時，機組即達到滿負荷。

2、當燃機空氣流量小幅度變小時，由于滿負荷時的燃機溫比和壓比不變，機組滿負荷效率理論上將維持不變，而實際上滿負荷燃氣初溫的控制是有一定裕度的，燃氣初溫將略有上升，機組效率也將隨之小幅度提高。

3、當燃機空氣流量變小時，部分負荷下的燃機溫比是上升的，且由于余熱鍋爐進口煙溫的提高，蒸汽循環效率也將上升，故機組部分負荷效率將略有上升。

三、對機組安全性的影響

（一）防爆門未打開前機組安全性基本無影響

霧霾天氣期間，壓氣機進氣濾壓損增大，在防爆門未打開前，壓氣機進口空氣流量減小。理論上來說，當轉速一定而空氣量減少時，會引起壓氣機轉子動葉攻角的增加，當空氣量減少而使動葉攻角增大到臨界攻角附近時，動葉排中的某幾個葉片可能發生分離導致旋轉失速，嚴重的情況下可能導致發生壓氣機喘振，嚴重威脅機組的運行安全。

使用Gasturb軟件對三菱M701F燃氣輪機進行建模計算后發現在99kPa～101kPa的進口壓力下壓氣機的運行工況點比較穩定，喘振裕度還較大，也就是說霧霾天氣，壓氣機進氣濾壓損雖增大，在四個防爆門打開前，進口空氣流量雖然減小，但燃氣輪機壓氣機穩定運行的裕度還很大。

（二）防爆門打開后機組需停機

根據三菱規定，當總壓差>1.25Kpa時，一個防爆門打開，此時能保證機組安全運行，但考慮到有部分臟空氣直接進入壓氣機，為防止臟空氣對IGV和壓氣機葉片造成損壞，此時需盡快停機；當總壓差>2.85Kpa時，其余三個防爆門打開，防爆門全開時可保證機組50%的空氣流量（防止壓氣機喘振），此時應手動停機。

由于進氣濾網的過濾特性，當長時間使用流通間隙變小后，空氣中的細小雜質更容易堵塞在濾網上，所以一旦濾網壓差較高后，會在較短的時間內快速上升。因此在實際運行中，為了避免進氣濾網壓差快速上升，防止防爆門動作，當壓氣機進氣濾壓差達1.1kpa時，機組應降負荷運行。

四、結論和建議

（一）分析結論

通過對霧霾天氣前后#3機組負荷及進氣濾壓差實際數據的分析和性能計算，以及對壓氣機進行建模分析，并結合三菱的相關規定，可以得出：霧霾天氣主要導致燃機二級進氣濾（精濾）壓差大幅上升，導致機組最大出力略微下降，但機組效率基本不變，部分負荷甚至略有提高。只要防爆門不動作，進氣濾壓差稍微偏高對機組的安全性也無太大影響，但應該及早采取降負荷等措施防止防爆門動作。

（二）運行建議

霧霾天氣需加強對運行機組的監控：霧霾天氣會導致機組進氣濾壓差升高，雖然對機組經濟性和安全性影響不大，但需避免由于進氣濾壓差高導致防爆門動作而影響機組安全運行，同時還可能存在未發現的其它影響，因此在霧霾天氣需加強對運行機組，特別是燃機的運行監控，發現異常及時分析處理。

發現進氣濾壓差高后及時降負荷運行：發現機組進氣濾壓差高后，及時降低機組負荷，減少進入燃機的空氣總量，這是降低進氣濾壓差，避免濾網工作條件進一步惡化，防止濾網壓差突升，避免防爆門動作最有效的方法之一。

（三）改進措施

可適當提高第一個防爆門的動作值：按照前面的分析結論和三菱的規定，第一個防爆門主要起到警示作用，只有當濾網壓差更高后所有防爆門打開才是為了避免壓氣機可能出現的喘振，所以可以適當提高第一個防爆門的動作值，避免其動作后需要盡快。