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9 2 电力与能 源 第 3 3 卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 1 0 9 F A燃气蒸汽联合循环机组的节能改造 肖维龙 ( 张家港华兴 电力有 限公 司， 江苏 张家港2 1 5 6 2 7 ) 摘 要 ： 张家港华兴 电力有 限公 司两 台出力 为 3 9 5 MW 级的 F级单轴燃 气一 蒸汽联合 循环机组是 我国“ 西气 东输” 的下游配套项 目。机组 自投产 以来通过改造邻炉 上水系统和 高压主汽疏水 系统 ， 新增 停机辅助 凝结水 泵 ， 将循泵 电机改为 双速 ， 将凝泵 电机改为变频 ， 提高 了联 合循环机组 的整体效率 和降低 了机组 能耗 ， 为探索 1 0 9 F A燃气轮 机联 合循 环机 组的节能降耗 工作 提供 了经验。 关键词 ： 燃气轮机 ； 联合 循环 ； 技术改造 ； 节 能降耗 中图分类号 ： TK 0 1 8 文献标志码 ： B 文章编号 ： 2 0 9 5 1 2 5 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 9 2 0 3 Th e En e r g y S a v in g Tr a ns f o r m a t io n o f 1 0 9 FA Ga s - s t e a m Co mb in e d Cy c l e Po we r Pl a n t X iao W e il o n g ( Z h a n Ni a g a n g Hu a x i n g El e c t r ic Po we r Co ，Lt d ，J i a n g s u Z h a n Ni a g a n g 2 1 5 6 2 7， Ch i n a ) 张 家港华 兴 电力 有 限公 司 ( 以下 简 称 华 兴公 司) 拥 有 2台 出力 为 3 9 5 Mw 级 的 F级 单 轴 燃 气一 蒸 汽联合 循 环 机组 ， 是 我 国西 气 东 输 的 下游 配套项 目， 作为我 国第一批捆邦招标 的 9 F A级燃 气 轮机 联合循 环 机 组 ， 主要 设 备 由美 国 GE公 司 提供 。2台 机组 分 别 于 2 0 0 5年 5月 和 2 0 0 6年 1 月投 入商业 运行 。 l 改造邻 炉上水 系统 机组设 计 为调 峰机组 ， 自投 产 以来 ， 大 多为一 台机组 运行 ， 另 一 台机组 备用 ， 约每 周进行 一 次机 组 切 换 。备 用 机组 的切换 在符 合启 动条件 之前 必 须先对余热锅炉各系统上水， 由于电厂 的余热锅 炉低压 汽包 给水 直 接 来 自凝 结水 ， 在对 余 热 锅 炉 上水前必须进行凝结水除氧 ， 但是由于备用机组 凝 汽 器 未 建 立 真 空 ， 只 能 依 靠 热 力 和化 学 除 氧 。 考 虑 到凝汽 器循 环 水 侧 管 路 的安 全 性 ， 在 实 际 运 行 中蒸 汽 ( 热 力 ) 除 氧要 求 把 凝 结 水 加 热 到 4 5 左 右 ， 化学 除氧 药 剂 量 消耗 大 而且 效 果 不好 。另 外 ， 由于机组 的 高 中压 给泵 的人 口接 自低 压汽包 ， 在高中压系统上水的过程中凝结水泵必须保持运 行， 在余热锅炉上水期间凝结水泵再循 环门大多 保 持 在全 开位 置 ， 不仅 厂用 电消 耗 大 而且 增 加 了 化学药剂的消耗 。 另外 ， 切换后停机的机组 ， 考虑到冷备用机组 的锅 炉 的保 养 ， 机 组达 到 余 热 锅 炉放 水 条 件 立 即 进行 锅炉 高 、 中 、 低压 蒸 汽系统 带压 放水 。在 对凝 结水 泵 的设 计参 数 和实 际运行 工况进 行分 析后 发 现 ， 待停机组切换前凝结水泵的余量 ， 可以满足备 用机 组 的低压 锅炉 上水 需 求 。为 此 ， 2 0 0 7年 1月 对锅 炉 上水 系统 进行 了改 造 ， 即将 2台机 组 的凝 结 水启 动放水 管相 连接 。 改造 后 ， 在 备 用 机组 余 热 锅 炉低 压 系统 上 水 时 ， 可 以利用运 行 机 组 的凝 结 水 泵 的 余 量对 备 用 机 组 的凝汽器 、 锅 炉低压 系统 进行 上水 ； 在 对备用 机 组 的高 中压 系 统 进行 上 水 时 ， 也 可 以使 用 运行 机 组 的凝结 水 泵 对 备 用 机 组 的低 压 系 统 进 行 补 水 。改造 后运 行机组 凝结 水泵 电机 的工 作 电流虽 然会 略有 增加 ， 但是 备用 机组 的凝 结水 泵 ( 额定 功 率 5 0 0 MW) 少 运行 5 6 h ， 可 以节 约 大 量用 电 ， 而且 改造 后化 学 药剂 的使 用 量 可 以 大大 减 少 ， 特 别是备用 机组 的上水 ， 来 自运行机组 的凝 汽器通 过 真空 除氧器的除氧水 ， 有利 于保护锅 炉的受热 面。 2循 泵 电机 改为 双 速 燃机 循环 水 系统 采 用 闭 式循 环 方 式 ， 由冷 却 水塔、 前池、 启闭器、 钢闸门、 平板滤网、 循环水泵 、 凝汽器和相关管道及阀门等设备组成 。电厂补水 取 自附近河道 ， 通 过补水 泵输 送至 水塔 ， 然 后 由循 环 水泵 输送 至凝 汽器 。每 台机组 各配 置 2台循 环 肖维龙 ： 1 0 9 F A燃气一 蒸 汽联合 循环机组 的节能改造 9 3 水 泵 ， 春冬低 温季 节 1台 运 行 ， i 台备 用 ， 夏 季 高 温 季 节采 用 2台循 环水 泵 并 列 运 行 。另 外 ， 循 环 水 系统 还 向开式 水 系统及 工业 水 系统 提供 水 源 。 燃气 一 蒸汽 联合 循 环 机 组 辅 机 设 备 较 少 ， 循 环水 泵耗 电在整 个机 组 的厂用 电 中占的 比例 比较 高 ( 单循 泵 运 行 时 达 到 1 O ， 双 循 泵 运 行 时 达 到 2 0 ) 。受 到天 然气 供应 和 电 网调峰 的 限制 ， 机组 大 部分 时 间 处 于 二 班 制 运 行 或 低 负 荷 运 行 状 态 下 ， 但是循环水泵电机要 求始终在额定转速下运 行 ， 即使单台循环水泵运行 ， 循环水流量往往还是 有富裕 ， 特别是冬季循环水温较低 ， 凝汽器 已经达 到 了最 有利 真空 ( 9 6 k P a以上 ) 状 态 ， 但 是 不 能 有 效 地增 加燃 机 负荷 。另 外 ， 机组 停 机 后 循 泵 仍 需 运 行一 段 时间 ， 过 大 的循 环水 量 也 会 造 成 循 泵 电 耗 的浪 费 。 为 了降 低整 个 机 组 的 厂 用 电 率 ， 同时 把 机 组 控制 在 最 有 利 真 空 运 行 状 态 ， 2 0 0 9年 1 2月 及 2 0 1 0年 1月 ， 利 用 机组 检修 机 会 将 2号 机 4号 循 泵 及 1号机 2号 循泵 返 厂进 行 电机双 速改 造 。改 造工 作 通过 更换 电机 所有 定 子线 圈将 电机 改造 为 1 4 i6极 双速 电 机 ， 电 机 实 际 极 数 通 过 切 换 连 接 片完 成 。改 造后 电缆 接 线 盒 位 置 不 变 ， 电机 高 低 速切 换在 电机改 造 后 新 增 加 的切 换 箱 内 进行 ， 在 实 际运行 中利用 停 机 机 会 ， 在 停 电后 改 变 连 接 片 连 接方 式 ， 完 成 高低 速切 换 。 改 造后 循泵 功率 从 9 0 0 k W 下 降 到 7 2 0 k W ， 厂 用 电率大 幅度 降低 ， 节 电效 果 明显 。 3新增停 机辅助凝结水 泵 燃气 蒸汽联合循环机组停运后凝汽器汽侧 真 空指 标很 快 降 为零 ， 为 了 防 止低 压缸 与凝 汽 器 喉 部超 温 ， 在 实 际运 行 中凝 结 水 泵 必 须 继 续运 行 一 段 时 间 ， 用 以满 足 低 压 缸 喷 水 减 温及 凝 汽 器水 幕 喷水 的需 要 。通 常在 保证 低压 缸 排汽 温度 不超 过 5 O ， 所需 喷 水 减 温 量 较 小 ， 最 大 喷 水 量 不 超 过 6 0 t h ， 并 且 机 组 停 运后 凝 结 水 泵 停 止对 低 压 汽 包 的上水 ， 因 此凝 结 水 泵 的 负荷 很 低 。但 是机 组 配 套 的凝 结 水泵 功 率 ( 额 定 功 率 5 0 0 k w ， 额 定 流量 6 2 5 6 t h ) 较大， 为了保证凝结水泵的运行 安 全 ， 必须 通过 控 制 凝 结 水 泵 再 循 环 开 度使 凝 结 水 再循 环 流量 大 于 1 2 0 t h ， 不 仅 浪 费 大 量 电能 ， 而 且这 种小 流 量长 时 间运行 对凝 结水 泵 的损 害较 大 。为此 ， 决定 采 用 停 机 后 用停 机辅 助 凝 结 水 泵 取代 凝结 水泵 的工 作 方 式 ， 并 要 求 改 造后 可 以对 低压汽包进行启动前上水 ， 以便进一步减少凝结 水泵 的运 行 时间 。 2 0 1 0 年 2月 ， 在 原 机组 凝结 水 泵 坑 内增 设 一 台停 机辅 助凝 结水 泵 ， 采用 立式 多级 泵 ， 出 口压力 为 1 0 MP a ， 流 量 为 1 0 0 t h ， 功率 为 4 5 k W 。把 人 口管 道接 在 甲凝 结 水 泵 入 口管 上 ， 把 出 口管接 人凝 结水 泵 出 口门后母 管 管道 上 。新增 停机 辅 助 凝结 水泵 入 口管 各 设 1只 手 动 门 和 电动 门 ， 出 口 管上 也 各 设 1只 电动 门 、 逆 止 门和 手 动 门 。在泵 出 口管上设再循环旁路 ， 旁路接至主凝结水泵再 循环 管调 门后 ， 并 设一 手动 门 ， 新 增 管道 均采 用不 锈钢 材 质 。 在 机组 两班 制停 运期 间及 机组 非 两班制 停 机 后 ， 从 原 来 的凝结 水 泵 运 行 改 为 停 机 辅 助凝 结水 泵运 行 ， 凝 结 水 泵 功 率 从 3 2 2 6 k w 下 降 为 4 5 k W ， 节 电效果 明显 。 4凝 泵 电机 改 为 变 频 正 常运行 时 ， 机 组 的凝 结 水 进入 低 压 省 煤 器 1 、 低 压省 煤 器 2 ， 通 过 低 压 水 位 调 节 阀 自动 控 制 来 实 现对 低压 汽 包 的补 水 ， 凝 结 水 泵 电机 始 终 在 额定 转速 下运 行 ， 1台运 行 1台备 用 。 机组运行 中 ， 通过调 节凝结水泵 再循环 调 门及 低 压汽包水 位调 门开度 的节 流 ， 实现对 凝结水 流量 的控制 ， 但是 由于低 压汽包 的上水调 门开度 较小 不 仅节流损失很大， 而且引起低压水位调门阀体及 阀 心 冲刷 严重 ， 导 致 阀 门 内漏 ， 节 流导 致 的巨大 运 行 噪声也 造成对 环境 的污染 。运行结 果表 明 ， 在机 组 不 同负荷时凝结 水泵 电机输 出功率 变化 幅度不 大 ， 存在大马拉小车现象； 在机组启停与低负荷时所需 凝结水 量少 ， 节 流损失 大 、 效 率低 ， 特别是 发 电机组 平均 负荷率较 低时 ， 能量 损失非常 可观 。 2 0 1 1年 2月 ， 利用 2 号 机 组 压 气 机按 第 四升 级包 升 级改 造 和机组 D 修 机会 ， 实施 了“ 一拖 二 ” 加电动旁路方案 ， 对凝结水 系统凝泵 电机进行变 频 改造 。改 造后 凝 泵 采用 变 频 运 行 方 式 ， 根 据 机 组 负荷 调节 凝结 水 泵 转 速 ， 在 燃 机 基 本 负 荷 ( 3 9 0 MW) 运 行 时 ， 凝 泵 电 机 的 工 作 电流 从 原 来 的 4 7 A 减少 到 2 4 A， 从 而 减 少 了凝 结 水 泵 的 电 能 消 耗 ， 取得 了较好 的经 济效 益 。 5 高压 主汽疏水技术 改造 美 国 G E公 司提供 的机组 热态 启 动 曲线 参 考 9 4 肖维龙 ： 1 0 9 F A燃气一 蒸汽联合循环机组 的节能改造 图如 图 1所 示 ， 2号 机组 某 次 热态 启 动 的 实 时 动 态 曲线 如 图 2所 示 。 一 c 宕 辩 1 0 0 8 0 6 0 越 4 0 2 0 0 | | S T 负 荷 ， ， | 耄 r 组 乏 速 I G T 负荷 | U ， 0 5 l 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 时间 rai n 图 1 GE推荐的热态启动曲线 时 间 min 图 2 2号机组热态启动曲线 图 2中曲线 1 为转速 ； 曲线 2为高压旁 路开度 ； 曲线 3为 高压 主汽 门( C V 阀) 开度 ； 曲线 4为 天然 气温 度 ； 曲线 5 为机组负荷 。 从 图 1可 以看 出 ， 机组 从 启 动 到 带基 本 负荷 需耗时 6 5 rain ， 而 2号机组从启动到带满负荷需 耗时 8 7 rain ， 与 GE公司提供 的参考曲线相 比， 多 花 了 2 2 rain 。通 过 比较 ， 多耗 时 1 1 min的主要原 因发生 在金 属温 度匹 配过程 中。 在 燃机 热态 启 动 过程 中 ， 为 了较 快 地 提 升燃 机 的排 烟温 度得 到 相 应 于 汽缸 温 度 的高 压 蒸 汽 ， 要求主蒸汽温度高于汽缸温度 2 0 后才 能实施 高压进 汽 。投入 金 属 温 度 匹 配程 序 ， 燃 机 会 自动 地将汽缸上缸温度加上 1 1 5 ， 作 为控 制燃机排 烟温度的基准值 ， 热态启动汽缸上缸温度一般都 为 4 7 0 以上 ， 因此燃机排 烟温度的基准值要求 到达 5 8 5 ， 不过 燃 机 温度 匹 配 所 能 达 到 的 最 高 排烟 温度 只有 5 6 6 ， 要到 达此 温 度 ， 燃 机 的 负荷 要在 4 5 Mw 以上。但在实际启动过程 中， 由于 受 到天然 气预 热 温度 的 限制 ， 在 金 属 温度 匹配 的 前 1 2 min ， 机组 负荷 只能 加载 到 3 5 MW 左右 ， 在 天然 气预 热 温 度 没 有 达 到 1 7 0 C以前 ， 燃 机 加 负 荷将 受 到韦伯 指 数 的 限制 而 停 滞 ， 从 而延 长 了金 属 温度 匹配 的时 间 ， 此 过 程 要 比 GE推 荐 的时 间 多 花费 rain。 为 了缩短启 动过 程 中金 属 温度 匹配 的时 间 ， 对高压主汽疏水系统实施 了改造 。针对 GE公 司 原 先设计 的主汽 阀前疏水 管径 偏小 ， 疏水 量 较小 ， 暖管速 度慢 ， 影 响汽 机 高压 缸 进 汽 时 间 的设 计 缺 陷 。在 2 0 1 1年 1月进行 的技 改项 目中 ， 在高 压 主 截阀前增加了一路管径较大的疏水 。用 以提高主 蒸 汽 的温升 速度 ， 缩 短 启 动 过程 中主 蒸 汽 温 度 与 金 属温 度 匹配 的时间 ， 从 而 提高机 组 的启动 速度 。 改 造后 ， 在机 组 启 动 过程 中通 过 优化 疏 水 开 启方式 ， 高压主汽阀前疏水量的增加不会对主汽 阀座及 管道 支架 产 生 明 显 的应 力 作 用 ， 通 过 汽 轮 机侧 高压 主汽 U 型弯 完全 可 以 吸收 管道 热 膨胀 ， 同时 ， 暖管速度加快 了约 1 1 min ， 通过 3次停机 后 的探 伤 检查 ， 未发 现该疏 水管 道有 异常情 况 ， 因 此 ， 从 安全 角度 看 ， 该 温升 速度 不会 对高 压主 汽管 材造 成损 害 。实施疏 水改 造后 2 号 机组 某次 热态 启 动时 间分段 列表 比较 如表 1所