燃氣輪機點火前吹掃流程優化

李曉東，施超凡，劉鋼，沈啟華，李寬庭，羅智斌，陳春

（1.中電（四會）熱電有限責任公司，廣東 四會 526200；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

0 引言

在以天然氣作為燃料的聯合循環機組中，燃氣輪機停運后排汽管路和余熱鍋爐中可能會聚集可燃物質。這些可燃物質既有可能來自氣體燃料在機組備用期間的泄漏，也有可能來自停機前燃燒不完全而殘余的燃料［1-3］。燃氣輪機啟動點火時煙道里溫度升高，當煙道內溫度達到可燃氣體的燃點時，可能會導致可燃氣霧爆燃，從而損傷設備［4］。燃氣輪機排氣管道內發生爆燃是概率性事件，其影響因素有燃燒效率、鍋爐型號、啟動前吹掃時間和流道的幾何結構等［5-6］。如果系統不能直接測量流道內的可燃氣體成分，采用啟動前吹掃可以避免可燃物質在管道內堆積，從而提高設備安全性。

某電廠建有2套F級燃氣-蒸汽聯合循環機組，采用上海電氣電站集團引進意大利安薩爾多技術生產的AE94.3A型燃氣輪機，汽輪機與燃氣輪機分軸布置，余熱鍋爐采用杭州鍋爐集團生產的三壓、再熱、無補燃、臥式、自然循環余熱鍋爐，并于室外布置。目前電廠采用固定吹掃模式，即每次燃氣輪機點火前均由SFC（靜止變頻器）拖動吹掃10 min，吹掃轉速在750 r/min左右。固定吹掃模式存在以下幾個問題：

1）增加機組啟動時間和廠用電耗。從燃氣輪機吹掃前升轉速到吹掃完成后降轉速的惰走時間約18～20 min，此段時間內會消耗壓氣機、SFC等設備大量功耗。

2）增加機組安全隱患。由于是調峰機組，機組啟停頻率較高。頻繁啟機吹掃會加劇金屬疲勞、熱部件的局部燒蝕等設備安全問題的產生［7］。

3）增加機組低負荷暖機時間。機組溫、熱態啟動吹掃是對余熱鍋爐的強制冷卻過程，余熱爐保溫保壓能力也會有所下降，從而推遲蒸汽輪機沖轉時間。

基于電網對聯合循環電廠快速啟停的需求并考慮到調峰機組早啟晚停的特性，在保證機組安全運行的情況下對燃氣輪機啟動前吹掃流程進行優化改造，可以有效地減少廠用電耗并縮短機組啟動時間，提高聯合循環機組對電網負荷的快速響應能力。

1 燃氣輪機吹掃研究現狀

目前對燃氣輪機啟動吹掃策略的研究主要集中在吹掃時間的縮短以及機組出現異常工況后的處理方法上。文獻［7］通過對燃氣輪機從排氣口至余熱鍋爐煙囪出口（包括燃氣輪機排氣擴壓段、進口過渡煙道、進口煙道、鍋爐本體、出口煙道、主煙囪等）的整個煙氣通道總容積進行計算，按照至少3倍吹掃體積的要求并考慮到燃氣輪機吹掃轉速降至點火轉速的時間，將吹掃時間縮短為300 s［7］。該方案雖然縮短了吹掃時間，但每次機組啟動仍不可避免地需要吹掃，并未從根本上解決耗電耗時的問題。文獻［8］采用類似的估算方法，并從減緩金屬設備老化速度的角度出發，將啟動吹掃時間縮減為180 s，同時將點火失敗后的下一次吹掃時間延長至典型值550 s［8］。此方法進一步縮減了吹掃時間，并考慮了點火失敗的影響，但對于異常工況的考慮略顯不足，仍存在安全隱患。文獻［9］提出了一種彈性吹掃策略，在燃氣輪機下游流道和余熱鍋爐內適當的位置處放置測點，取得明確的可燃氣體數據后引入控制系統，由控制系統決定吹掃時間，但并未對控制策略的實施進行深入研究［9］。

本文對某電廠燃氣輪機點火前的吹掃流程進行深入分析，提出一種改進的彈性吹掃策略，并完善異常工況下的吹掃處理流程。

2 取消燃氣輪機啟動吹掃的可行性

機組在停機過程中，燃料截止閥、值班閥、預混閥會首先關閉，接著燃氣輪機才熄火［10］。此過程中可能有少量天然氣留存在管道內，燃氣輪機惰走過程（轉速從3 000 r/min降至833 r/min）也可視為燃氣輪機吹掃過程，此過程中吹走的空氣體積約36 302 m3，約為鍋爐體積的5倍，可滿足鍋爐吹掃要求。天然氣供應系統在燃料截止閥后設有燃料放散閥，該閥門在停機期間保持常開。如果燃氣輪機在停機期間出現燃料截止閥關閉不嚴的情況，會導致有部分天然氣漏入管道中，也可通過燃料放散閥把氣體排入空氣中。這些措施在一定程度上避免了停機期間天然氣經供應系統進入燃氣輪機的可能性。天然氣供應系統如圖1所示。

圖1 天然氣供應系統Fig.1 Natural gas supply system

美國消防協會的NFPA8506余熱鍋爐標準（1998版）對清吹做了明確闡述說明：清吹應實現至少5倍容積置換（燃氣輪機后至余熱鍋爐最末級蒸發器），清吹持續時間不少于5 min，清吹流量不能小于燃氣輪機全功率質量流量的8%。具體清吹時間取決于所選的燃料、余熱鍋爐和煙道設計，以及原始設備制造商的指導。目前燃氣輪機典型清吹時間從5 min到18 min不等［11］。日本標準化協會在JIS B8042《Gas Turbines-Procurement》中規定：吹掃操作為聯合循環機組啟動前的必須安全措施，規定吹掃必須完成3倍容積的氣體置換，容積計算范圍為燃氣輪機排氣口，包含燃氣輪機與余熱鍋爐的連接部分、余熱鍋爐本體及煙囪［12］。隨著燃氣輪機工業的迅速發展，燃氣輪機啟機的清吹問題一直在行業內得到廣泛討論，部分聯合循環供應商和運營商建議取消對調峰機組的清吹要求。

中國現行的最新標準GB/T 14099.3—2009《燃氣輪機-采購第3部分：設計要求》規定：啟動控制系統應提供足夠的時間用于燃氣輪機自動清吹，以確保燃氣輪機和下游部件的安全運行。除非國家另有規定，清吹周期通常應在機組點火前至少對包括煙囪在內的整個排氣系統空間進行3倍體積的清吹。當有可替代的預防措施時，可以不需要吹掃［13］。在燃氣輪機排氣擴散段安裝天然氣探測儀并監測天然氣濃度，符合標準中提到的可替代預防措施要求。國家能源局綜合司在《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中規定：燃氣泄漏量達到測量爆炸下限的20%時，不允許啟動燃氣輪機。在點火失敗后和重新點火前，必須進行足夠時間的清吹，防止燃氣輪機和余熱鍋爐通道內的燃氣濃度達到爆炸極限而發生爆燃事故。可以看出，《防止電力生產事故的二十五項重點要求》提出對燃氣濃度進行監測，但未要求機組正常啟動時強制吹掃。

綜上所述，從實際工況和現行標準兩方面分析可知，通過布置可靠的天然氣監測裝置并充分考慮異常停機工況，可取消正常停機后下一次的啟動吹掃。

3 天然氣監測系統的布置策略

某電廠的天然氣監測系統構成如圖2所示。燃氣輪機運行時排氣流道屬于高溫區域，溫度可高達400～600 ℃，如果使用固定式探測器則無法承受如此高溫，因此采用抽取樣氣式的方法對空間內部進行監測，經過足夠長度的取樣管道自然冷卻后進入探測器，探測器前配置減壓、濾水、去硫功能以保證探測器的正常工作。同時在管道內設置旁路三通閥，具體工作原理為：當機組開機時，TCS（燃氣輪機控制系統）發送指令使三通閥的B、C連通，此時環境空氣進入監測裝置，以避免高溫排氣損壞設備。當機組停機時，TCS發送指令使三通閥的A、C端連通，經引壓管流出的燃氣輪機排氣經過處理后進入可燃氣體監測裝置。監測裝置具有抽氣、低流量檢測、可燃氣體濃度檢測等功能，可監測0%～100% LEL（爆炸下限）范圍內的可燃氣體濃度。為確保監測的可靠性，監測裝置采用三冗余配置，監測到的濃度數據通過4～20 mA硬接線信號送入TCS做后續處理。

圖2 天然氣監測系統Fig.2 Natural gas monitoring system

對于采用天然氣作為燃料的聯合循環機組而言，余熱鍋爐內聚集的可燃物質主要是分子量較小的甲烷。因此，在余熱鍋爐頂部布置監測裝置比較合理。通過對排氣流道及連接部位的幾何結構進行分析可知，可在排流道拐角處和煙囪CEMS（煙氣排放連續監測系統）取樣平臺相關位置設置取樣點。監測裝置的布置如圖3所示。

圖3 天然氣監測裝置的布置Fig.3 Layout of natural gas monitoring device

4 燃氣輪機點火前吹掃流程的優化策略

燃氣輪機點火前的吹掃及后續的點火、升速過程是由TCS發送相應控制指令給SFC來實現的。SFC（靜止變頻啟動裝置）系統的主要功能是提供電磁轉矩用于拖動燃氣輪機轉子加速，是實現燃氣輪機快速起動的核心模塊。SFC系統有3個作用，分別對應燃氣輪機的3種啟動模式［14-18］。

直接啟動模式。在低盤轉速基礎上，SFC系統拖動發電機轉子加速至點火轉速；燃氣輪機點火后，SFC系統繼續提供電磁轉矩，配合天然氣燃燒產生的機械力矩，拖動轉子加速至可自保持轉速。

水洗模式。SFC系統將燃氣輪機拖動至水洗轉速，對壓氣機葉片進行離線水洗，以清理燃氣輪機運行一段時間后葉片積累的灰垢，提高壓氣機效率。

吹掃模式。SFC系統將燃氣輪機拖動至吹掃轉速，并周期性地升降轉速，對燃氣輪機排氣管道和余熱鍋爐的通流部分進行吹掃，以防止再次點火時殘存氣體引起天然氣爆燃。

4.1 優化前的吹掃流程

在優化改造前，燃氣輪機在點火前執行固定時間的吹掃。TCS首先選擇指定的SFC，然后發送吹掃模式給SFC，隨后SFC將燃氣輪機帶動至吹掃轉速。當轉速穩定在630～810 r/min后，開始進行持續10 min吹掃。待吹掃完成信號置位后，TCS發送直接啟動模式給SFC，SFC再將燃氣輪機降至點火轉速進行點火。優化前的吹掃流程如圖4所示。

圖4 優化前的吹掃流程Fig.4 Purge process before optimization

4.2 優化后的吹掃流程

優化改造后，在選擇SFC啟動模式前，TCS首先對吹掃是否完成進行判斷。若吹掃未完成，則TCS系統發送吹掃模式指令給SFC，SFC工作流程與優化前吹掃流程一致；若吹掃已經完成，則TCS發送直接啟動模式指令給SFC，SFC裝置直接將燃氣輪機升至點火轉速并進行點火。優化后的吹掃流程如圖5所示。

圖5 優化后的吹掃流程Fig.5 Purge process after optimization

4.3 余熱鍋爐吹掃完成判據的優化

吹掃流程優化改造后，吹掃是否完成這個判據顯得尤為重要，直接決定下次啟機是否需要吹掃。正常情況下，鍋爐吹掃完成信號一直保持在置位狀態，下一次機組啟動時無須吹掃。為提高吹掃流程優化后系統的安全、可靠性，對可能引起天然氣濃度高的情況進行分析，當出現以下任意一種異常工況時，吹掃完成信號復位，即下次機組啟動時需要進行吹掃。

1）天然氣濃度異常。機組停機后，天然氣監測裝置將收集到的天然氣濃度信號送至TCS。TCS對3個冗余的濃度信號進行處理，一般采用三取中的策略，并對壞質量信號進行剔除，盡可能保證數據的可靠性。在燃氣輪機熄火到下一次機組開機前的這段時間，對天然氣濃度持續進行監測，一旦出現天然氣濃度超過定值的情況，則判定為天然氣濃度異常。該信號在下次啟機吹掃完成后才會復位。

2）點火失敗。在機組啟動監測到火焰信號后，若天然氣ESV（緊急切斷閥）開啟后10 s內又關閉，則判定為點火失敗，此時管道中會存在一定量未燃燒的天然氣。該信號在下次啟機吹掃完成后才會復位。

3）燃氣輪機跳閘。燃氣輪機負荷大于30 MW時若出現跳閘情況，此時由于燃氣輪機負荷較大，管道內存在大量未燃燒的天然氣。該信號在下次啟機吹掃完成后才會復位。

4）運行人員手動選擇吹掃模式。保留運行人員手動干預手段，當出現天然氣監測裝置故障或其他異常工況時，可手動投入該按鈕，確保下次啟機時執行吹掃工作。

吹掃完成判據的邏輯如圖6所示。其中，TON：600 s表示指令從0跳變到1，延時600 s；S表示置位；R表示復位。

圖6 吹掃完成判據Fig.6 Purge completion criterion

4.4 優化效果

4.4.1 減少燃氣輪機啟動時間，降低廠用電率

燃氣輪機點火前吹掃流程優化后，燃氣輪機從啟動到并網的時間將由原來的30 min縮短至10 min。原先吹掃過程中聯合循環機組主要輔機全部負荷約為5 000 kW，可以計算得出單次減少輔機耗電量約為1 666 kWh。SFC啟動功率約為4 000 kW，單次吹掃時間為10 min，可以計算得出單次啟動減少SFC耗電量約666 kWh。

4.4.2 減少鍋爐溫降，提升汽機暖機效果

燃氣輪機點火前，吹掃流程優化后，為避免機組在溫熱態啟動過程中余熱鍋爐高壓主蒸汽溫度的下降，減少燃氣輪機低負荷暖機時間，將蒸汽輪機沖轉時間提前。典型的溫熱態機組啟動曲線如圖7所示，其中：燃氣輪機轉速范圍為0～3 100 r/min；燃氣輪機負荷為0～100 MW；主蒸汽溫度為250～550 ℃。根據燃氣輪機清吹風量及余熱鍋爐換熱系數計算結果，燃氣輪機清吹及后續升負荷的1 h內，余熱鍋爐高壓主蒸汽溫度預計下降20～25 ℃，對比燃氣輪機啟動過程中主蒸汽升溫速度，預估可以節省升溫時間約4 min。按照燃氣輪機在80 MW暖機過程中的平均耗氣量33 887 m3/h（標準狀況下）計算，單次啟動將節省天然氣量約2 259.1 m3（標準狀況下）。

圖7 典型的溫熱態機組啟動曲線Fig.7 Typical start-up curves in warm state

5 結語

本文通過對安薩爾多AE94.3A型燃氣輪機點火前吹掃流程進行分析，在保證機組設備安全運行的前提下，提出一種彈性吹掃方案。通過在燃氣輪機排氣擴散段及煙囪CEMS取樣平臺布置一套天然氣監測系統，在無濃度高報警及異常停機工況下，可取消下一次啟動吹掃，有效地降低了廠用電率并減少機組啟動時間。優化后，機組每次啟動可節省廠用電費和天然氣費共5 000元，按照每年啟動100次計算，優化后預計每年可節約費用50萬元。