9F燃氣-蒸汽聯合循環電廠節能降噪技術的研究與應用

奚力強 陳模嘉 陸云峰

1.申能股份有限公司

2.上海申能崇明發電有限公司

0 前言

燃氣-蒸汽聯合循環發電屬于清潔高效發電技術，已被廣泛應用。該技術具有發電凈效率較高、機組經濟性能好、機組啟停響應快、超潔凈環保排放、占地面積小、建設周期短等特點，通過突破典型設計，創新節能環保技術，使其更節能、更環保，固有特點更優越。在農村設置電源點，對設計總平面的布置提出了更高的要求，控制噪聲污染是一個難題。天然氣清潔利用，因為氣價高，節能降耗成為研究的主要方向和重點任務。因此，節能降耗技術創新應用和治理降噪措施應用是燃機電廠推廣應用的必要條件。本文重點介紹新建大型燃氣電廠在設計總平面布置、設備選型、系統優化和節能降噪等方面的大量研究和應用，經建設、機組試運投產及生產運行的檢驗，取得成效并具有推廣價值。

某大型燃氣電廠建設2×424 MW（F）燃氣-蒸汽聯合循環機組（以下簡稱“A電廠”），于2011年啟動創新技術課題研究并得到了上海市科委的經費資助，于2012 年開始實施及應用。因天然氣越長江管線工程規劃與建設的影響，機組于2018年3月具備整套啟動調試條件，兩臺機組分別于2018年4月和5 月完成168 h 滿負荷試運考核全面建成投產。項目建設初期的創新技術課題研究，以建設“生態電廠、高效電廠”為目標，打破常規，積極創新與實踐。在節能降耗、環保減排、機組技經指標等方面取得成效，對同類電廠的建設起到一定的示范作用，在全國電力行業燃氣發電機組2019 年度能效水平對標中兩臺機組獲得5A、4A的全國第一、第二排名。

1 經濟節能及創新技術的運用

在機組運行經濟性、節能減排方面，A 電廠在建設初期主要從機組啟停性能優化、采用電動機調速技術、增設性能加熱器、創新采用啟動鍋爐爐底推動技術和主廠房采光帶技術等方面進行研究。

1.1 電動機調速技術

大型電動機調速節能技術已發展成為電力行業具有代表性的節能技術。該技術主要運用轉速同功率存在固定數學對應關系，即輸入功率同轉速的三次方成正比的技術原理，通過加裝合適的變速電機或變速聯軸器控制輸出功率，避免大馬拉小車的現象，從而降低能耗。

1.1.1 給水泵的液力耦合器技術

液力耦合器作為主流變速聯軸器技術，具有無級變速、工作平穩、空載啟動、隔離振動、過載保護、無機械磨損、便于控制、節能效果顯著等優點。該技術特點通常匹配給水泵的運行工況，多用于給水泵。

A 電廠選用KSB 廠提供的臥式、多級式離心泵。給水泵設中間抽頭，電動機為ABB 電機，額定電壓6 kV，額定電流232 A，額定功率2 100 kW，為全封閉水-空冷卻方式，臥式布置。所配液力偶合器為福伊特產品，采用整體集裝式箱體結構，液力偶合器將偶合器的主體部分和一對變速齒輪（主油泵驅動齒輪），工作油、潤滑油油管路合并在一個箱體中。

根據A 電廠典型兩班制運行方式可將燃機一天的運行情況分為啟動階段、運行階段和停機階段。啟動階段，給水泵出口流量較小，電機平均電流在80 A 左右。運行階段，給水泵隨負荷波動調整，在平均70%的負荷下，平均電流在150 A。停機階段，給水泵的電機平均電流在100 A 左右。機組兩班制運行時給水泵運行曲線見圖1。

圖1 機組兩班制運行時給水泵運行曲線

經計算，全天耗電量較定速泵節約1.44萬kWh（運行階段時長按15 h估算）。機組投產至2019年5月共計啟動280臺次，按此計算，年節電量約400萬kWh。

1.1.2 循環水泵的變頻技術

變速電機調節主要有變極調速和變頻調速兩種。相比變極調速，變頻調速優點更為突出，主要有調速效率高、調速范圍寬、安全性能高等優點。該技術一般用于電廠循環水泵（以下簡稱“循泵”）。

變頻器主要由整流器、平波回路和逆變器組成如圖2。工作時，控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電，實現把工頻電源(50 Hz)變換成各種頻率的交流電源。

圖2 循泵變頻器

A 電廠的循環水系統采用江(海)水直流一次循環的供、排水系統。循泵選配立式、可抽芯、濕坑式混流泵。每臺循泵容量按50%最大設計水量考慮，2 臺機組共選用4 臺循泵。循泵主要參數：Q=3.5 m3/s，H=20.2 m，η≥86%；電動機容量為960 kW/6 kV，額定轉速495 r/min，其中循泵2B 為變頻泵。

循泵的運行方式同機組運行模式密切相關。與燃煤機組不同，燃機作為兩班制調峰機組，機組晝啟夜停。白天正常運行發電時，循泵處于額定工況運行，電動機頻率同工頻，變頻器不起作用。夜間停運時，為確保廠內閉冷水溫度控制在一定溫度以下（一般不超過30 ℃），開式水必須保持一定的流量與閉冷水進行熱交換。經試驗驗證，該工況下變頻循泵電機的頻率應維持在30 Hz運行。燃機典型兩班制運行方式下的變頻循泵運行曲線見圖3。循泵在燃機運行發電時，始終處于50 Hz 工頻運行（8:00-22:00），停機至次日開機前，循泵降頻至30 Hz運行（22:00-次日8:00）。經統計，變頻循泵一周典型運行工況見表1。

圖3 機組兩班制運行時變頻循泵運行曲線

表1 變頻循泵一周典型運行工況統計表

根據運行工況計算，在日平均氣溫低于12 ℃時，停機后的閉式水回水溫度可在不經開式水換熱的情況下自行控制在30 ℃，此時循泵停運。該時長約占全年的三分之一（2018 年11 月- 2019 年4月）。按此估算，變頻循泵低頻運行一年總時長3 224 h。在電機頻率30 Hz運行時，消耗電功率為207 kW，合計全年變頻循泵節電量為243萬kWh。

1.2 機組經濟啟停性能優化

相比于煤電機組，A電廠日夜調峰的運行方式，機組啟停耗能占整個機組運行經濟性的較大比重。如何更快地啟停機組，縮短啟停時間成為燃機研究的重要課題。

為確保機組長期安全、穩定運行，各高溫高壓金屬設備有明確的升溫限制[1]。燃機啟動尤其是冷態啟動時，啟動速度受到嚴格控制。A 電廠在設計改進時充分研究典型燃機升速受限關鍵工藝，經設計優化，改善了機組運行特性，并通過熱工邏輯調整固化機組運行啟動模式，提高了機組運行經濟性和安全性。主要優化項目匯總見表2。

表2 機組經濟啟停優化項目

為驗證優化前后的節能效果，在機組投運后進行了數據采集和分析。主要的數據采集對象為啟動時間、天然氣消耗量。經過機組冷態啟動前后試驗數據對比，優化后的冷態啟動時間較優化前縮短近0.5 h（見表3），減少天然氣耗氣量1.9萬Nm3，減少廠用電0.165萬kWh。

表3 機組冷態啟動階段試驗數據

經過機組熱態啟動前后試驗數據對比，優化后冷態啟動時間較優化前縮短14 min（見表4），減少天然氣耗氣量0.95 萬Nm3，廠用電減少0.08萬kWh。

表4 機組熱態啟動階段試驗數據

機組自投產至2019年5月，共計啟動280臺次（其中冷態啟動48次，溫態啟動8次，熱態啟動224次），為便于計算，將溫態啟動次數按冷態同熱態啟動次數之比（接近1∶5）進行估算，每年節約天然氣約310萬Nm3，節省廠用電約26萬kWh。

1.3 性能加熱器技術

電廠常規設計時，考慮為全廠輔助設備提供不間斷冷卻水，設有一套廠內閉式循環水系統。通常，閉式水在不斷循環過程中溫度不斷升高，這部分熱量會由開式循環水換熱后帶走。基于此，A 電廠在閉式水系統中優化設計增加一套性能加熱器，利用閉冷水回水加熱天然氣，實現廢熱回收，提高機組效率。

該性能加熱器安裝在燃機前置模塊處，布置于燃機前置模塊前。加熱水源取自機組閉冷水泵出口，通過在閉冷水泵與閉冷器之間增加抽頭獲取，經換熱冷卻后的閉冷水回到閉冷器出口。換熱器采用雙層管式設計，配有天然氣泄漏檢測裝置，大幅提高系統安全性，見圖4。

圖4 雙層管換熱器結構及工作原理

理論上，設計天然氣溫度從15 ℃加熱到35 ℃，額定工況下，聯合循環機組整體效率約提升了0.053 4%，小時節約天然氣量約70 Nm3。

表5 和表6 分別為夏、冬兩季50%、75%和100%額定負荷三個工況實測數據，表明天然氣性能加熱器換熱效果較設計出色，換熱效率高，但受天然氣進口溫度和負荷波動影響，實際天然氣平均溫升約16 ℃，聯合循環熱效率提升量略低于理論設計值，不同負荷下平均小時節約天然氣量55 Nm3。

表5 夏季天然氣性能加熱器試驗數據

表6 冬季天然氣性能加熱器試驗數據

機組自投產至2019 年5 月，啟動280 臺次，日均開機時間15 h，合計年節約天然氣23.1萬Nm3。

1.4 啟動鍋爐爐底推動技術

A 電廠周邊沒有啟動所需的輔助蒸汽來源，設計時選型配置兩臺（一用一備）燃氣啟動鍋爐。啟動鍋爐額定出口參數為蒸汽流量10 t/h，溫度300 ℃，壓力0.8 Mpa。啟動鍋爐自帶間歇性點火保溫功能，保證機組正常運行時，鍋爐本體金屬壁溫處于熱態（不低于某壓力下的飽和溫度），實現在短時間（常規為5 min）內點火生成額定參數的輔助蒸汽，從而保障機組運行安全[2]。

若按該運行方式長期運行，會給電廠帶來一系列負面影響：增加生產成本、縮短鍋爐使用壽命，增加檢修維護成本。為有效解決此問題，基建初設時參考大型燃煤鍋爐利用鄰爐加熱方法，如圖5所示，設想從輔助蒸汽母管引一路至啟動鍋爐下聯箱，通過余熱鍋爐產生的少量低品質蒸汽推動啟動鍋爐內的工質流動，在不點火耗能的情況下實現保溫保壓，降低運行成本。

圖5 啟動鍋爐爐底推動系統P&ID圖

通過試驗分析比較（保溫保壓設定參數為壓力0.3 MPa，溫度145 ℃），自帶間歇性點火模式下，單次點火后壓力和溫度參數隨時間持續下降，而采用爐底推動技術后，汽包壓力在冬季和夏季均可維持在0.3 MPa，溫度維持在144 ℃左右，保溫保壓效果更佳。如表7所示，在保溫保壓狀態下需要啟動鍋爐產汽時，間歇性點火模式由于初參數偏低，所消耗的天然氣量遠比爐底推動高，更為重要的是，爐底推動下點火產汽速度更快，更有利于機組運行安全。

表7 保溫保壓下點火啟動至滿負荷數據

啟動鍋爐間歇性點火保溫保壓時，每次消耗天然氣40 Nm3，冬季單次間歇性保溫保壓點火耗時15 min，間隔4.5 h后，啟動鍋爐再次點火啟動。夏季工況時，單次間歇性保溫保壓點火耗時約15 min，間隔時間拉長至6 h，詳見表8。

表8 冬季和夏季工況間歇性點火保溫保壓數據

綜合夏、冬兩季工況，采用爐底推動模式平均每小時節省天然氣7.95 Nm3。按全年機組啟動280臺次，單次啟動鍋爐爐底推動保溫保壓15 h計算，年節省天然氣3.3萬Nm3。

1.5 主廠房采光帶布置

A 電廠在主廠房設計時，充分考慮增加主廠房的自然采光功能，同時兼顧外立面美觀效果，有效降低噪聲外傳，將常規設計中主廠房的前端和側面的固定窗戶全部取消，取而代之的是在主廠房屋頂上創新采用采光帶布置[3]（見圖6），滿足晴天時在不打開室內照明的情況下，主廠房室內照度能夠滿足日常設備巡檢需要，從而減少廠用電，降低廠用電率。

燃機主廠房縱向長53.3 m，橫向總寬度為51 m，高低跨布置，其中主機房寬29 m，鋼結構，彩板圍護。頂部設計7條700 mm×28 650 mm實耐FRP采光帶，單個主廠房采光面積達140 m2，約為同類型電廠采光面積的3 倍，采光率約為同類型電廠的2.2倍。

圖6 主廠房采光帶

材料FRP 有極為突出的物理性能，抗拉強度大、抗風壓性能好、抗變形能力強、板抗裂能力強、FRP 采光板抗老化、風化性能強、有很強的耐腐蝕性。按照常規設計，主廠房照明總功率約為9 kW，根據不同天氣下的光照強度核算節電效果（晴天節電100%，陰天節電50%，雨雪天0，每天有效光照時間按8 h計算），根據表9數據核算年節電量約為1.44萬kWh。

表9 電廠所在地區氣象數據統計

2 生態環保的措施

在生態環保方面，A 電廠在嚴格做好煙氣污染物外排控制的同時，將廠區噪聲綜合治理和提高廠區綠化率作為又一項重要工作，使電廠充分融入周邊環境，符合當地環保發展理念，建設成為一座“生態電廠”。

2.1 噪聲綜合治理

A 電廠地處偏僻農莊，周邊居住大量農戶，附近區域無其它工業，對噪聲控制要求很高，環評批復要求達到功能區三類，敏感點一類。為確保電廠建成后噪聲達標，基建設計提出的廠界噪聲控制目標為功能區一類，即晝間55 dB(A)，夜間45 dB(A)。

理論上，控制廠界噪聲有效方法可歸類為防止噪聲產生和阻斷傳播兩種途徑。結合設備對燃氣電廠聲源區域進行劃分，通過對燃氣電廠中各功能區域的劃分，將各功能系統作為獨立的又相互影響的噪聲區域進行預分析評價，即將燃氣發電廠分成主廠房（燃機、汽機）區域、余熱鍋爐區域、循環冷卻水（循環泵）區域、燃氣調壓區域、變壓器區域、化學水處理車間等6 個噪聲區域[4]。電廠總平面見圖7。

A 電廠噪聲控制從廠區總平面布置開始，合理的廠區建筑物的規劃，可以大幅減少投產后噪聲治理的工作量。在設計階段合理設置總體工藝布局，有效降低噪聲源對廠界和敏感點的影響。在滿足工藝要求的前提下，總體布局滿足高噪聲源設備布置在廠區中心，遠離敏感點。同時，低噪聲值的高大建筑設置在靠近廠界處，使廠界處于其聲影區內[5]。按此原則，軸系主設備（余熱鍋爐-燃機-發電機-蒸汽輪機）布置平行于長江岸線，將高噪聲源循泵、綜合泵房、雨水泵房布置于廠區南側，給水泵布置在余熱鍋爐內側，優化后的總平面見圖7。

全廠設備優化布置后，為確保廠界噪聲達標，經噪聲治理公司進行模擬噪聲理論測試，增加各種降噪措施，具體措施如下：

1)主設備燃機、汽機外部加裝獨立罩殼，并同凝結水泵等主要噪聲源布置于主廠房內，主廠房墻體加裝吸音棉（見圖8a）。

2)將給水泵、除氧水泵、凝結水再循環泵集中布置于給水房內，墻內加裝吸音材料，門窗具有隔音功能（見圖8b）。

3)設有啟動鍋爐房和空壓機房，將啟動鍋爐鼓風機和空壓機改為室內布置。

4)設有綜合水泵房，將工業水泵、消防水泵等外圍泵集中布置（見圖8c）。

5)在#2 余熱鍋爐北側建造長50 m、高40 m 的隔音墻（見圖8d）。

圖7 電廠總平面圖

圖8 電廠降噪措施

經廠界在線實時噪聲實測（如圖9），電廠廠界噪聲值低于功能區一類標準值，證明通過對總平面優化、建筑結構布局調整以及阻斷噪聲等降噪措施后，在兩臺機組同時運行時，廠界噪聲被控制在一類聲功能區的數值范圍內，噪聲綜合治理效果顯著。

圖9

2.2 綠化設計

A電廠位于生態島，設計之初定位生態電廠，將廠區綠化布置作為一項工作重點。綠化設計時，為提高廠區的綠化覆蓋率，圍繞廠區建筑與主廠房精心布局。

1）相似功能區合并。將生活水泵、化學水泵、工業水泵、消防水泵集中布置，不同功能隔墻分割，組成綜合水泵房。

2）工藝管線布置需要合并。如啟動鍋爐房與空壓機房合并，化水車間、化水辦公樓合并，整體形成凹字形。

3）相同附屬設備合并，如同為余熱鍋爐本體附屬設備，將給水泵房、脫硝預留設備房間和CEMS房合并。

4）綜合管架管線簡單明了，清晰緊湊，所有輔助蒸汽管道、工業水管、廢水管等室外長距離管道和電纜橋架全部集中分層布置于全廠唯一管架之上。管架之下種植植被，增加綠化面積，見圖10 和表10。

圖10 電廠綠化總平面圖

圖11 為廠區綠化圖。主廠房是廠區的主體建筑，體量大，造型獨特，其擴建端以絢麗多姿的觀賞植物為主，輔以大面積草坪。工藝模塊通過合理的布置，在兩臺余熱鍋爐間規劃了約400 m2的中心綠地，與其西側化水車間前約1 100 m2的綠地組合成品字形綠化帶，成為生產區域的綠化重點景觀。生產區域以常綠草坪為主。從表10 可以看出優化之后綠化面積為43 000 m2，綠化率達到45%，遠高出設計目標的20%。

表10 電廠綠化面積

圖11 廠區綠化圖

3 結論

本文通過多種節能降噪創新技術的研究與應用，特別首創采用性能加熱器、啟動鍋爐爐底推動保溫保壓和采光帶等創新技術，機組經濟性、節能效果初現成效。機組投產后一年時間，雖然兩臺機組啟停次數有230多次之多（參與日調峰），其綜合廠用電率僅為1.89%，折算供電煤耗217 g/kWh。與常規設計相比，經機組投產后實際運行工況的數據統計分析，年節電量約670 萬kWh，節省天然氣336 萬Nm3，大幅減少生產成本，提高了機組運行經濟性。經過兩年運行，機組各項技術經濟指標均達到優秀水平，在2019 年全國電力行業燃氣發電機組能效水平對標結果評比中，兩臺機組均處于前列，分別達到400 MW～480 MW“F”級改進型純凝機組5A和4A的全國第一、第二排名。

在生態環保方面，立足“生態環保電廠”定位，在建設初期進行總平面合理規劃，輔以全方位的降噪措施，實現廠界噪聲達到聲功能區Ⅰ類標準，廠區綠化面積和覆蓋率超過同類電廠，基本實現“生態電廠、高效電廠”的建設目標。該電廠的成功建設和高效運行，為今后同類電廠的建設提供成功范例。