GE 9F 燃機啟停過程中機力風機的啟停優化

宋黨科

（杭州華電半山發電有限公司，杭州 310015）

某公司現有6 臺GE 9F 燃氣-蒸汽聯合循環發電機組。自2021 年去工業化改造，拆除了冷卻塔由機力通風型冷卻塔（后統稱機力塔）代替原冷卻塔運行后，多了機力風機加入運行導致廠用電明顯提升。GE 9F燃機啟停快、調峰能力強，是電網的調峰機組，由于機組啟停頻繁，因此在啟停機過程中找到機力風機的最佳啟停時間點，能有效地降低機力風機不必要的電耗。

1 機力塔簡介

1.1 機力塔外觀

如圖1 所示，機力塔相比于傳統冷卻塔，占地小、體積小，在城市中觀感好于冷卻塔，但是多了機力風機運行，在廠用電上有提升。

公司采用第三代消霧節水冷卻塔技術，完全拋棄了翅片管消霧節水的概念，采用全新的理念。引入溫度較低的新風，與塔內的飽和濕熱空氣進行換熱。結構方面采用間壁式換熱器，菱形布置方式，阻力小，塔體平面尺寸未增加；材料方面為親水性及導熱性能好、抗腐蝕的超導碳素材料，耐老化、導熱系數好；全年節水率20%左右，消霧效果非常明顯。

1.2 機力塔工作原理

機力塔是把所需冷卻處理的水壓到冷卻塔上部，再通過配水系統均勻地噴灑于填料上，熱水從填料上部落下，同時不飽和空氣從塔下部上升或由側面進入淋水裝置，在填料間隙的流動中，熱水與不飽和空氣進行冷熱交換，空氣把熱量向外傳遞，變成熱空氣，再由風機抽到塔外，從而達到水溫降低的效果，如圖2 所示。

圖2 機力通風型冷卻塔工作原理圖

公司機力塔單塔水流量4 850 t/h，3 臺機配置14座。每臺機配有2 臺循環水泵，低速循環水泵流量12 000 t/h，高速循環水泵流量14 000 t/h，平時單臺機組運行情況下為高低速循環水泵搭配5 座機力塔運行。

1.3 機力風機簡介

公司機力風機葉片采用高強度環氧樹脂，模壓成型，葉型方面采用先進的機翼葉型，全壓效率高，能有效降低風機運行能耗。葉片設計上采用空腹式設計，自重輕、強度高，并有良好的互換性。風機葉片迎風面還特別設計了聚氨酯保護層，可有效防止出塔濕空氣中夾帶的水滴對葉片的沖刷破壞，極大地延長了葉片的使用壽命。超長跨高速傳動軸采用性能優越的碳纖維傳動軸。傳動軸臨界轉速高達3 000 r/min，遠遠地避開了電機同步轉速，降低風機振動，使風機運行更加安全可靠。

該風機為6 kV 電機，運行功率約196 kW。在實際運行中，機力塔依靠自然通風也有一定的冷卻效果，機力風機并不是必須開啟。所以，合理規劃機力風機的啟停能達到節能降耗的目的。

2 機組啟動過程機力風機的投用時機分析

2.1 熱態啟動機力風機的投用時機

圖3 為機組熱態啟動流程。機力風機的啟停時機要從熱量進入凝汽器的時機里尋找。因此，對熱態啟動過程進行了分析。

圖3 熱態啟動流程圖

圖4 為熱態啟動曲線圖，從機組投軸封時算起，就不斷有熱量進入凝汽器了，這部分熱量和循環水進行換熱從而提高了循環水溫度。投軸封階段輔助蒸汽溫度大約250 ℃，涵蓋母管疏水回凝汽器的部分流量，整體流量在10 t/h 以內，而此時一般投用低速循環水泵，循環水流量約12 000 t/h，溫度如果按照25 ℃計算，即便不啟動風機，循環水溫度上升也很有限。

圖4 熱態啟動曲線

在機組啟動點火后，升速至2 000 r/min 左右時需要投入低壓缸冷卻蒸汽，氣源同樣為輔助蒸汽，流量大約10 t/h，同理也可以不用啟動機力風機。

隨著燃機排煙溫度的上升，余熱鍋爐的蒸汽溫度和壓力也開始逐漸上升。一般在并網后不久，高壓過熱蒸汽壓力會達到4.5 MPa，高壓旁路會逐漸開啟，將會有大量的熱蒸汽進入凝汽器。由圖4 可知，此時凝汽器循環水出水溫度會有個急速上升階段，然后保持相對穩定。一般并網后持續25 min 左右，高壓主蒸汽閥前溫度可以到500 ℃以上開始高壓進汽（進汽溫度根據缸溫不同略有不同）。算上高壓進汽過程10 min，并網至高壓進汽結束這個階段燃機的負荷比較穩定，對這個階段的熱量進行了統計。并網后凝汽器熱源統計表見表1。

表1 并網后凝汽器熱源統計表

根據凝汽器循環水進出水溫度上升的時間差，可以推斷出循環水由凝汽器出口再回到凝汽器進口的一個周期大約為10 min（不同機組略有不同）。那么，大致判斷凝汽器循環水出水至機力塔大約5 min。因此，可以在高壓旁路開啟5 min 內，開啟對應數量的機力塔的風機。

并網至高壓進汽以前，由于高壓主汽閥關閉，汽輪機并不做功，所以真空對燃機沒有效率提升的作用，只是防止低壓缸排汽溫度過高造成安全隱患。經測試，啟動2 臺機力風機是比較合適的。高壓進汽結束至機組加至基本負荷平均只有10 min，這個過程由于操作較多，所以剩下的3 臺風機一般在高壓進汽結束就陸續開啟。

2.2 GE 9F 燃機冷穩態啟動過程

機組冷溫態啟動過程如圖5 所示，和熱態啟動相比多了金屬溫度匹配，但整體過程其實變化不大，只是各個階段時間拉長了而已。冷穩態啟動曲線如圖6 所示。

圖5 冷穩態啟動流程圖

圖6 冷穩態啟動曲線

余熱鍋爐的熱量均來源于燃機的排煙溫度，燃機排煙溫度是由燃機負荷決定的。冷溫態啟動機組并網以后一直到金屬溫度匹配結束，燃機為了控制排煙溫度以適應金屬溫度匹配，負荷實際上都比較低，這個過程經測試2 臺風機足夠。而金屬溫度匹配結束加負荷過程雖然不如熱態啟動加負荷速率那么快，但主要是汽輪機負荷提升緩慢，燃機負荷提升還是較快的，所以考慮到燃機排煙溫度的上升，還是推薦較早將剩下的3 臺風機開啟。

3 機組停機過程機力風機的投用

圖7 所示為機組停機整個流程，圖8 為流程曲線。一般減負荷至130 MW 左右點擊STOP，STOP 后高壓主汽閥開始關閉，關閉過程固定5 min，隨后機組解列。

圖7 停機流程圖

圖8 流程曲線

圖8 中可明顯看到在機組STOP 以后循環水出水溫度有一個快速爬升階段，因為此時汽機旁路陸續開啟，本來進入汽輪機做功后的低溫低壓蒸汽從低壓缸排入凝汽器，由于主汽閥的關閉，汽機旁路的開啟，大量高溫蒸汽直接進入凝汽器，所以循環水溫度有明顯提升。但隨著機組的解列，燃機燃燒明顯減弱，循環水溫度上升也很快停止了。

如果不人為操作，高中低壓旁路會在機組惰走至36 r/min 撤出軸封時候手動退出，由解列至36 r/min 這個過程大約45 min，等待時間較長，一般考慮提前手動關閉高中低壓旁路。經測試，在機組解列降速至1 200 r/min時關閉高中低壓旁路，高壓汽包不超壓。如果機型有區別，可以當壓力接近報警值時通過開啟疏水閥或者微開向排等方法泄壓。考慮到機組解列至1 200 r/min 的時間大約5 min，而循環水一個周期的時間為10 min，機組解列后停用風機是安全的，當然并不是最經濟的。

點STOP 后主汽門開始關閉，5 min 后主汽門全部關閉，隨后機組解列。那么，在STOP 時停用所有機力風機，機力塔中無風機冷卻情況下的熱循環水剛好到凝汽器進口時機組解列，比較合理。但也需要考慮到解列后旁路還在開啟狀態，高溫天氣要充分考慮真空變化的情況，防止循環水溫度過高影響真空導致機組處于不安全的狀態。經環境溫度30 ℃測試，該方案還是可行的。如果遇到更高溫天氣，需要再做測試。

在測試過程中，如果環境溫度在15 ℃以下時，停機過程負荷250 MW 時停5 臺風機，從250 MW 減負荷至解列大約12 min，真空也較好。而機組從250 MW減負荷5 min 后大約在140 MW，此時汽輪機負荷已經較低，且馬上STOP，高壓主汽閥即將關閉，所以循環水溫度上升，真空上升對應的效率損失也不大，也是一個可以考慮的停風機的時間點。至于具體停風機的時機和臺數，可以逐漸摸索適合自己機組的方式。

4 結論

本文主要通過分析和試驗研究了GE 9F 燃氣-蒸汽聯合循環發電機組在啟停過程中比較合適的機力風機啟停點。

機組啟動過程中，在高壓旁路開啟以后啟動2 臺機力風機，熱態啟動高壓進汽結束/冷態啟動金屬溫度匹配結束陸續啟動剩下3 臺。

停機時建議在機組負荷減至準備點擊STOP 時停用5 臺風機。

當然以上測試可能存在誤差，主要是由于機力塔冷卻效果受到環境溫度、環境濕度等參數影響較大。不同廠家的機力塔，機力風機也有區別，本文更重要的是提供一種分析方法供大家參考。