西門子V94.3A型燃氣機組運行優化分析

王 山

(華能河南中原燃氣發電有限公司，河南 駐馬店 463000)

在西門子V94.3A型燃氣—蒸汽聯合循環機組中，燃氣輪機、汽輪機和發電機采用同軸布置，發電機和汽輪機之間通過SSS離合器連接。燃氣輪機工作時，空氣在空壓機中增壓后流入燃燒室，和天然氣混合燃燒后產生高溫燃氣。隨后，高溫高壓的燃氣作為工質流入燃氣透平，在其中膨脹做功并將熱能轉化為機械能。燃氣透平2/3的機械能用于空壓機的消耗，剩余部分來驅動發電機。燃氣輪機的排氣引入余熱鍋爐中，加熱鍋爐給水生成蒸汽用于驅動汽輪機，當汽輪機滿足沖轉條件后，通過SSS離合器和發電機嚙合，實現聯合循環運行。

機組啟動過程中，燃氣輪機先啟動帶負荷，由于余熱鍋爐和汽輪機的應力限制，會分時段限制燃氣輪機的負荷，通過控制燃氣輪機負荷來控制燃氣輪機排氣溫度，防止排氣溫度過高使余熱鍋爐和汽輪機的熱應力超出允許值范圍，以便實現暖爐、暖管和暖機的目的。

河南地區某燃氣電廠有2臺西門子V94.3A型燃氣—蒸汽聯合循環機組，以其快速啟停、穩定性能好和排放指標低等優點，主要承擔電網的調峰工作，在用電高峰到來前啟動并網，低谷時停機解列。由于無法做到連續運行，頻繁的啟停操作對氣耗、水耗和廠用電量的影響很大。因此，如何在啟停調峰運行中優化運行方式變得尤為重要，做到啟停調峰和節能降耗兩不誤。本文將從氣耗、水耗和廠用電量3個方面為研究對象，分析其影響因素，并提出相關措施。

1 氣耗

燃氣輪機的燃料大都以天然氣為主，氣耗是指每發電1 kWh所耗用的天然氣量，單位m3/kWh。氣耗越低，機組經濟性能越好，不同負荷下的氣耗如表1所示。

表1 機組不同負荷下的氣耗

由表1可知，聯合循環運行的氣耗低于單循環運行時的氣耗，而且聯合循環運行時機組負荷越高氣耗越低。要想降低氣耗，就要考慮減少燃氣輪機單循環運行時間，以及在聯合循環運行時盡可能提高機組負荷，以降低發電成本。

1.1 冷態啟動優化

機組啟動初期，為了防止余熱鍋爐熱應力超出允許范圍，會有一段暖爐的時間，燃氣輪機負荷將會停留在約30 MW，冷態啟動時負荷限制時間約30 min。冷態啟動時，為了減少暖爐時間，鍋爐上完水后，通過鍋爐蒸發器加熱系統，提前通入輔助蒸汽，來提高汽包的溫度，以便減少負荷限制時間。

在暖管和暖機時，燃氣輪機單循環運行負荷約120 MW，天然氣流量約4.3×104m3，氣耗約0.36 m3/kWh，遠遠大于聯合循環運行的氣耗，效率很低，所以燃氣輪機單循環運行時間的長短將直接影響氣耗的大小。

汽輪機冷態啟動時，當釋放蒸汽品質后，汽輪機會升速至14.5 Hz，開始中速暖機過程。在暖機時會激活720 min的冷態暖機時間，當倒計時至零后才允許沖轉汽輪機。根據暖機時間的計算公式[1]，暖機剩余時間t和凝汽器壓力P存在一定的計算關系，當P小于10 kPa，t為720 min；當P大于30 kPa，t為180 min；當P在10～30 kPa之間時，t和P存在著非線性變化關系，且P越大t越小。所以為了減少暖機時間，在中速暖機時就可以通過提高凝氣器壓力的方法，來縮短暖機時間。當釋放蒸汽品質后，手動關小真空泵進口手動門，使凝汽器壓力維持在20～25 kPa。由于凝汽器壓力超過30 kPa，汽輪機會保護跳閘，所以凝汽器壓力應控制在30 kPa之內，并且保持適當的裕量。在一次汽輪機冷態啟動過程中，通過調節凝汽器壓力后暖機剩余時間變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，在汽輪機中速暖機時，當凝汽器壓力升高后，暖機剩余時間快速下降，在25 kPa壓力時，暖機剩余時間基本呈線性變化，如果調整時凝汽器壓力過低，暖機剩余時間將會瞬時變大。

圖1 汽輪機冷態暖機參數

在冷態啟動時，通過提高凝汽器壓力的辦法，可以使燃氣輪機單循環時間(燃氣輪機并網至汽輪機嚙合)控制在4 h以內。

1.2 熱態啟動優化

在啟停調峰運行中，熱態啟動居多，所以減少機組熱態啟動時燃氣輪機單循環時間就成了重要控制指標。熱態啟動時，不會激活暖機時間，不需要中速暖機，由于中低壓暖管較快，影響單循環的主要因素是高壓蒸汽的溫度和壓力，蒸汽參數滿足越快，單循環時間越短。經過多年的探索，該廠形成了一套成熟的熱態啟動操作方法，主要操作如下。

a.在點火前提前手動開啟高壓過熱期出口疏水電動門，排出管道內低溫蒸汽。當高壓旁路前主汽溫度大于高壓主蒸汽電動門后溫度時，開啟機側高壓疏水電動門，關閉高壓過熱期出口疏水電動門，實現快速暖管。當汽輪機X5準則[2]滿足后，手動關閉側高壓疏水電動門，以便快速提高高壓蒸汽壓力。

b.為了使高壓主汽壓力能快速提高，當高壓主汽壓力大于2 MPa后，手動不斷調整高壓旁路壓力設定點，使其一直略高于高壓主汽壓力，以便使高旁一直維持在約50%，達到快速升壓的目的。當高壓主汽壓力大于8 MPa后，手動將高旁控制模式由ASA模式切至U-SETP模式，當滿足汽輪機沖轉條件后進行汽輪機沖轉。

c.汽輪機嚙合后，當旁路全部關閉以后，機組負荷會限制在約200 MW，影響負荷限制最主要的條件是再熱熱段設定點溫度要大于420 ℃。為了使設定點能快速升高，可手動不斷關小再熱二級減溫水調門，使減溫器后溫度始終高設定點溫度10～20 ℃，直到減溫水調門關閉后將其投入自動。在調節減溫水時再熱溫度不能過高，防止汽輪機應力控制[3]裕度過小，造成汽輪機熱應力超出允許范圍。

d.在機組停機過程中，當汽輪機脫扣后，手動執行燃氣輪機SGC停機程序，可以讓燃氣輪機以最大的降負荷率(13 MW/min)快速停運，減少單循環時間，停機時單循環時間一般10 min。

e.機組解列后，手動關閉機側高壓疏水電動門，防止冷氣進入主汽管道內而降低管道內溫度，為下次啟動做準備。

經過多年試驗，通過以上熱態啟動操作方法，單循環運行時間一般控制在45 min左右。

1.3 減少氣耗的其他措施

該廠輔助蒸汽有啟動鍋爐和低壓過熱蒸汽2個來源，啟動鍋爐的燃料為天然氣，在機組熱態啟動準備期間，盡量用低壓汽包供輔助蒸汽，當輔助蒸汽壓力低于0.25 MPa時再投運啟動鍋爐。機組啟動后，當低壓過熱蒸汽壓力滿足軸封需要后，及時停運啟動鍋爐，來減少啟動鍋爐用氣。停機后提前手動關閉低壓旁路，適當提高低壓汽包的壓力，以延長低壓汽包供輔助蒸汽的時間。當機組負荷升至250 MW后，積極和電網溝通，盡量多帶負荷，來提高機組效率。

2 水耗

電廠是用水、排水大戶，電廠用水占工業用水總量的40%。該電廠的冷卻塔補水、化學制水和廠區生活用水都是城市自來水，用水成本較高，從經濟運行和可持續發展出發的角度，加強節約用水和減少廢水排放[4]具有重要的意義。

機組運行時，冷卻的蒸發損失很大，所以在水耗中，冷卻塔補水占比最大。在控制冷卻塔的液位時，既要滿足機組的安全生產需要，又不能使液位過高發生溢流。在停機前，提前關閉補水降低冷卻塔液位，防止循環水系統停運后使液位過高而發生溢流。同時加強對塔池內水質的化驗，合理控制加藥量，減少不必要的循環水排污。

每次機組啟動，蒸汽管道都需要暖管，在此期間會排放大量的蒸汽，消耗很多除鹽水。為了減少不必要的蒸汽損失，由于有些疏水電動門自動關閉較晚，當暖管條件滿足后要及時關閉對應的疏水門。當汽輪機X5準則滿足后，及時關閉機側高壓疏水電動門；當再熱冷段管道過熱度大于80 K時，應手動關閉再熱冷段管道疏水電動門。同時要加強閥門治理，較少閥門內漏現象，減少不必要的蒸汽損失。同時要加強對爐水指標的化驗和監視，合理控制鍋爐排污量，減少不必要的排污損失。

為了節約用水，將水質較好的排污進行再利用，該廠采取了如下技術改造措施。

a.化學制水的濃水排放量很大，除鹽水和濃水比例約1∶1，該廠將濃水引至冷卻塔，進行回收再利用。

b.將定排坑內的水進行降溫后引至冷卻塔。

c.通過技改，將清潔疏水擴容器內的疏水降溫后引至凝汽器，利用凝汽器負壓進行回收利用。

d.流入凝泵坑內的排水一般都是除鹽水，水質較好，通過技術改造引至冷卻塔。

通過多項技術改造和操作方式的優化，大大降低了機組除鹽水和自來水的消耗，降低了發電成本，并且被當地政府評為節約用水優秀企業。

3 廠用電量

電廠在發電的同時，也是用電大戶，廠用電量包括生產耗電量和非生產耗電量，生產耗電量最主要的就是各輔機設備的耗電量，主要消耗在運行中的6 kV和380 V輔機上，包括凝結水泵、給水泵、循環水泵、SEE/SFC等大容量高壓設備，以及閉冷水泵、軸封電加熱器、各類油泵等380 V電壓的輔機設備，其中6 kV輔機的廠用電量占全部廠用電量的70%以上，每臺機組中6 kV主要高壓電機配置參數如表2所示。

表2 6 kV高壓電機參數

廠用電量是重要的經濟指標，如何降低廠用電量[5]是運行管理的重要內容，主要輔機的運行方式將直接影響廠用電量的多少，該廠在降低廠用電方面也采取如下技術改造措施和優化方式。

a.對給水系統進行邏輯優化。從表2可以看出，給水泵和循環水泵的功率很大。之前，該廠余熱鍋爐需要給水泵啟動后才能滿足釋放條件，然后燃氣輪機才能啟動釋放，所以給水泵啟動后才執行機組啟動程序。針對此種情況，對給水系統進行邏輯優化，添加手動釋放給水系統在運行邏輯功能塊，余熱鍋爐釋放條件不需要再啟動給水泵。優化之后，該廠在機組啟動時都是在燃氣輪機點火后再啟動給水泵和循泵，每次機組啟動可節約廠用電量900 kWh。

b.對儀用空氣壓縮機A的冷卻水進行改造。該廠儀用空氣壓縮機的冷卻水為閉冷水，當機組備用時，閉冷水的用戶只有儀用空壓機，閉冷泵只向這一個用戶提供冷卻水的成本很高。通過技術改造，對儀用空氣壓縮機A的冷卻水進行改造，增加一路小流量的冷卻水系統，由1臺小功率的冷卻水泵提供壓力。正常運行時由閉冷水系統帶動，機組備用時可以切換至小冷卻水泵帶動。

c.減少不必要的輔機運行時間。在啟動準備時，根據機組工況，合理安排輔機啟動節點，減少不必要的輔機運行時間。在每天的啟停調峰時，按計劃并網時間前2.5 h開始啟動凝泵。由于凝泵出口壓力為2.5 MPa，當汽包壓力在2 MPa以下時，只啟動凝泵和除氧泵給鍋爐上水，當汽包壓力大于2 MPa時才啟動給水泵上水。

d.盡量維持單循泵運行。該廠每臺機組有2臺循泵，向凝汽器提供循環冷卻水。在燃氣輪機單循環運行期間，盡量維持單循泵運行。如果單循環運行時凝汽器壓力較大，要及時啟動備用循泵，以便維持真空。機組聯合循環運行時，當凝汽器壓力大于4.0 kPa時維持雙循泵運行，低于3.0 kPa時維持單循泵運行。

e.通過改變循環水泵接線方式實現對轉速的改變，夏天2臺泵都高速運行，冬季2臺泵都低速運行，春秋季高低速配合運行。

f.機組停運后及時停運各輔機設備，減少廠用電的消耗。

①當汽輪機脫扣后，及時停運1臺循泵，維持單循泵運行。

②待旁路關閉以后，及時停運汽輪機液壓油泵和高旁油站，在啟機前再投入運行。

③機組解列0.5 h后停循泵，由升壓泵提供循環水，暫時維持軸封真空系統運行。

④機組解列1.5 h后退軸封真空，停運循環水系統和凝結水系統。

⑤如果機組停運時間較長，應及時停運閉冷水系統、罩殼通風系統和防喘空壓機。

⑥待高壓缸溫度降至100 ℃后及時停運盤車、潤滑油泵和頂軸油泵。

g.如果計劃停機時間超過2天，機組停運后要將廠用電由高廠變切至高備變帶，減少變壓器的損耗。

h.合理控制照明時間，減少不必要的照明用電。同時加強管理，提高節約用電的意識，減少辦公、空調等非生產用電。

通過運行方式的優化，廠用電率明顯降低，在啟動次數多、發電量又少的情況下，將2020年的生產廠用電率下降至2.14%，環比下降0.01%。

4 結語

近年來，光伏和風電等新能源快速發展，而且天然氣價格不斷上漲，在目前的市場經濟環境中，燃氣電廠運營壓力很大，在保證設備運行安全的前提下，該電廠通過設備運行方式的優化，不斷降低發電成本，提高電廠經濟效益，實現高質量的可持續發展。