燃气轮机启动清吹策略讨论与优化

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摘要

燃气-蒸汽联合循环发电机组在启动初期需进行天然气吹扫，避免天然气在余热锅炉区域发生集聚，由此产生安全风险。但天然气清吹延长了发电机组启动时间，还会对下游余热锅炉产生不必要的热应力。本文根据发电机组防火、防爆的要求以及机组实际情况，提出了一种燃气-蒸汽联合循环发电机组启动优化方案，缩短发电机组启动初期清吹时间，提高发电机组启动速度，提升发电机组经济性。

关键词：燃气-蒸汽联合循环；天然气清吹；清吹时间；策略优化

——以下为正文——

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引言

截至2023年年底，浙江省燃气-蒸汽联合循环发电机组装机容量约为1200万千瓦，年平均利用小时约为2000小时，在电力系统中承担着启停调峰任务，运行方式基本为日启夜停方式，每台机组年平均启动100~200次[1]。燃气轮机的主要厂家有GE公司、西门子公司、三菱公司和安萨尔多公司等，各厂家生产的燃气轮机均需在启动过程中开展天然气清吹工作。根据各种燃气轮机的运行维护手册数据，燃气轮机的清吹时间一般为8~15分钟[2-5]。清吹时间的长短主要受燃气轮机清吹转速、燃气轮机热通道及余热锅炉烟道净烟气容积的影响[6]。燃气轮机通过清扫其本体热通道及余热锅炉区域，避免发生天然气集聚而导致爆燃[7]，但长时间的燃气轮机清吹产生的热冲击对余热锅炉设备造成相应的损伤。因此，在满足相应标准规范的同时，有必要根据本地设备的实际情况开展清吹策略研究，减少清吹时间或取消清吹，缩短机组启动时间，快速响应电网负荷需求，减少机组启动能耗，提高机组的经济性[8-9]。

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燃气轮机启动初期清吹的作用及要求

1.1 燃气轮机启动初期清吹的作用

燃气轮机停运后，燃料供应系统可能存在阀门泄漏，造成天然气在热通道及锅炉烟道内聚集，燃气轮机点火时易引起爆燃。同时燃气轮机热通道及锅炉烟道内未设置可燃气体监测装置，燃气轮机启动点火前进行一定时间的清吹是确保燃气轮机安全的必要手段。为了消除该安全隐患，目前各燃气轮机厂家均设置清吹逻辑，在燃气轮机启动前，通过使用外部动力系统将燃气轮机拖动到规定转速，向燃气轮机送入大量的空气，将燃气轮机及后续烟道内残留的可燃气体完全带出，对燃气轮机及余热锅炉部分清吹，对余热锅炉和燃气轮机排气系统进行充分置换，确保燃气轮机及余热锅炉的运行安全[10-11]。

1.2 燃气轮机启动初期清吹的规范要求

按照燃气轮机设计要求，燃气轮机启动控制系统应设置启动清吹程序，不同国家和组织对燃气轮机清吹要求不尽相同。各国及国际标准化组织关于燃气轮机清吹规定如表1所示。按照中国、日本、英国和国际标准化组织的标准要求，应在燃气轮机点火前将（包括延长在内的）排气系统的空间进行3倍体积的清吹。而根据美国标准要求，应在燃气轮机点火前将（包括延长在内的）排气系统的空间进行5倍体积的清吹。清吹倍率越高，清吹越彻底，所需时间越长，同时对后部的余热锅炉等部件影响越大。对于有可替代的预防措施时，可以不清吹[4]。

表1 各国及国际标准化组织关于燃气轮机清吹规定

1.3 清吹的副作用

（1）燃气-蒸汽联合循环发电机组日启夜停、频繁启动导致余热锅炉金属管道疲劳加剧和保温保压能力下降。过长的启动时间加剧余热锅炉参数变化，对金属管道产生的疲劳应力。在清吹过程中，随着燃气轮机排气温度迅速下降，余热锅炉的蒸汽管壁温度下降明显，余热锅炉保温保压能力也会有所下降[15]。

（2）三菱燃气轮机启动初期清吹程序与燃气轮机高盘冷却程序操作要求相矛盾。对比燃机启动初期清吹(机组点火挂闸前的状态)与燃机高盘冷却基础逻辑条件，压气机进口可转导叶与燃烧器旁路阀开度、转速(700r/min)完全一致。燃气-蒸汽联合循环发电机组程序操作中明确说明，最大轮间盘温度≥220℃时，高盘冷却时间控制在180s以内；

150℃≤最大轮间盘温度<220℃时，高盘冷却控制时间在300s以内；最大轮间盘温度<150℃时允许连续高盘。而在日常启动时，发电机组热态启动时最大轮间盘温度基本都在200～230℃范围内，温态启动时在175～200℃范围内。而目前燃气轮机启动点火前清吹时间逻辑要求360s，这与最大轮间盘温度的高盘冷却时间要求存在矛盾[16]。

（3）清吹过程中，需要外部动力系统输入能量，一般为静止变频启动装置（Static Frequency Converter，SFC）或负载换相逆变器（Load Com-mutated Inverter，LCI），清吹时间过长，将增加大量厂用电消耗，同时延长机组启动时间。

基于以上情况，各燃气轮机发电厂均将缩短清吹时间作为节能经济运行的一项重点工作，但从目前来看，缩短清吹时间的策略大多是通过计算清吹容积，尽量靠近清吹倍率下限的方式来实现，无法大幅减少清吹时间。

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优化燃气轮机清吹时间的

可行性及对应措施

2.1 缩短燃气轮机清吹时间的可行性

燃气轮机启动初期清吹主要是将机组熄火后可能集聚在燃气轮机热通道及余热锅炉烟道内的天然气清除，以消除发电机组点火阶段的爆燃隐患。如果确保发电机组在点火前燃气轮机热通道及后续烟道内没有集聚天然气，则可取消启动清吹。基于该理念，美国NFPA85《锅炉与燃烧系统的危险等级标准》在2015年进行了标准更新，根据更新后标准对余热锅炉的要求，可通过在燃气模块中增加一个隔离模块，确保下游系统与天然气完全隔绝。增加隔离模块后，在满足压力密封的状态下可取消吹扫，完成燃气轮机的安全启动[17]。

以三菱公司的燃气轮机为例，传统的三菱燃机燃料控制模块如下图1，燃气关断阀负责燃料截断，燃气供气压力调节阀A/B负责调整阀后压力，主A燃气流量控制阀、主B燃气流量控制阀、值班燃气流量控制阀、顶环燃气流量控制阀分别控制各集管流量，燃气关断阀与燃气供气压力调节阀A/B之间设置放散阀。机组停机熄火后，燃气关断阀关闭，燃气供气压力调节阀A/B关闭，放散阀打开。待机组转速降至500r/min，主燃料压力控制阀B打开30%开度，维持90s以排尽燃料关断阀和流量控制阀之间的燃气。

在这种传统设计中，由于控制阀严密性不足，且在长期使用过程中，燃气关断阀与燃气供气压力调节阀A/B也会存在一定泄漏，导致高压天然气可能通过燃料模块进入燃机系统，最终流入余热锅炉，形成部分集聚，因此需要在启动前进行天然气清吹。

图1 三菱燃气模块布置图

2.2 天然气隔离模块技术措施

为了取消发电机组启动初期清吹，确保天然气系统与下游完全隔离，需对天然气燃料模块进行重新设计，如图2所示，在传统的燃气供气压力调节阀与各燃料控制阀之间增加一个放散阀，燃气供气压力调节阀与各燃料控制阀之间接入一条管路，用于充入惰性气体（氮气）。

图2 三菱燃气模块改进示意图

发电机组停机熄火后，燃气关断阀、燃气供气压力调节阀及各路燃料控制阀关闭，燃气关断阀与燃气供气压力调节阀之间放散阀打开，主燃料压力控制阀B打开30%开度并维持90秒后，燃气关断阀与燃气供气压力调节阀之间管道保持常压，内部气体为空气。

后期将燃气供气压力调节阀与燃料控制阀之间放散阀先打开，再开启燃气供气压力调节阀与燃料控制阀之间充氮阀，充入高压氮气，将该管段天然气置换完成后，该管段放散阀关闭，燃气供气压力调节阀与各燃料控制阀之间管段内充满氮气，并通过调整充氮阀开度使该管段压力高于大气压力，确保天然气系统与燃机燃烧模块、余热锅炉系统物理隔离[18]。

2.3 天然气隔离模块监控措施

通过上述的分段隔离并充氮措施，已完成了天然气系统与上游系统的物理隔离。为了进一步确保设备安全，还可以采取其他监控保障措施。（1）对阀门位置的实时监控。在该系统运行过程中，需要对该系统中的隔离阀和放空阀的位置进行连续监测。一旦连续监测丢失，需重新进行清吹程序。（2）对P2管段与P1X管段压力差值的监控。如图2所示，通常将P2管段与P1X管段压力差值最小值设定为20kPa，一旦压力差值检测丢失，或是压力段压力比前段压力的差值小于20kPa，需要重新清吹。

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效益分析

根据三菱公司的燃气轮机设备说明书，M701F4机型机组升速至500r/min时开始清吹计时，并继续升速至700r/min清吹排气管道和余热锅炉，清吹计时为360秒。360秒清吹结束后，燃机经过约80秒降速至点火转速。在整个机组启动点火过程中，与清吹相关时间共计440秒。通过采用物理充氮隔离方式取消启动清吹，则机组启动时间可减少440秒。

3.1 安全效益

取消燃气轮机启动清吹，可以减少启动阶段压气机排气对燃机本体和余热锅炉受热面的强化冷却，一方面有利于减少金属疲劳和由于热胀冷缩引起的不必要的形变，另一方面可以减少余热锅炉热损失[19]。

3.2 经济效益

燃气轮机清吹采用发电机作为启动电机运行，同时在清吹前部分辅机系统已经投运，例如凝结水泵、高压给水泵、中压给水泵、循环水泵、闭式水泵等，这些泵均为6kV高压电机，在燃气轮机清吹时耗费大量的电力[20]。取消启动清吹，则机组启动时间可减少440秒，厂用电量的减少。三菱公司M701F4燃气-蒸汽联合循环发电机组各辅机设备参数见表2。

表2 三菱公司M701F4型发电机组清吹阶段主要运行辅机参数

以三菱公司M701F4型发电机组为例，假设每年燃机启动150台次计算，减少的电力消耗主要是启动机和循环水泵、凝结水泵等辅机，预计全年电机共节约电量10.9万千瓦时。

清吹时间的优化，可缩短燃气-蒸汽联合循环发电机组启动时间，提高其应变调峰能力，更好地体现了调峰电厂的特色，肩负起了更多社会责任。

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总结

通过对燃气-蒸汽联合循环发电机组深入研究，并结合国内外的标准，提出设置天然气隔离段的方式取消燃气轮机启动阶段清吹，可大幅缩短燃气启动时间，并减少启动能耗，对于提升燃气机组的启停调峰作用具有重大意义，为国内、外燃气机组在研究燃气轮机清吹时间时提供借鉴和参考。

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来源：能源工程，作者刘林、傅洪军