GE 9F燃机启停过程中机力风机的启停优化.pdf

2023 年 27 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationGE 9F 燃机启停过程中机力风机的启停优化宋党科（杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015）某公司现有 6 台 GE 9F 燃气-蒸汽联合循环发电机组。自 2021 年去工业化改造，拆除了冷却塔由机力通风型冷却塔（后统称机力塔）代替原冷却塔运行后，多了机力风机加入运行导致厂用电明显提升。GE 9F燃机启停快、调峰能力强，是电网的调峰机组，由于机组启停频繁，因此在启停机过程中找到机力风机的最佳启停时间点，能有效地降低机力风机不必要的电耗。1机力塔简介1.1机力塔外观如图 1 所示，机力塔相比于传统冷却塔，占地小、体积小，在城市中观感好于冷却塔，但是多了机力风机运行，在厂用电上有提升。公司采用第三代消雾节水冷却塔技术，完全抛弃了翅片管消雾节水的概念，采用全新的理念。引入温度较低的新风，与塔内的饱和湿热空气进行换热。结构方面采用间壁式换热器，菱形布置方式，阻力小，塔体平面尺寸未增加；材料方面为亲水性及导热性能好、抗腐蚀的超导碳素材料，耐老化、导热系数好；全年节水率20%左右，消雾效果非常明显。渊a冤冷却塔渊b冤机力塔图 1冷却塔和机力塔对比图作者简介：宋党科（1986-），男，工程师。研究方向为燃气轮机运行。摘要：机力塔作为代替冷却塔的一种设备，由于机力风机的参与运行会导致厂用电增加。该文主要研究在满足机组安全的前提下，机组启停过程中机力风机的最佳启停时间点。经分析试验，得出在机组启动过程中，高压旁路开启以后开启 2 台风机，高压进汽结束以后开启 3 台风机比较合适。停机过程则是在机组 STOP 以后停 5 台风机比较合适。关键词：去工业化改造；机力塔；机力风机；高压旁路；启停优化中图分类号院TM621文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0080-04Abstract:As a kind of equipment to replace the cooling tower,more mechanical fans participate in the operation,which leadsto the increase of auxiliary power consumption.This paper mainly studies the optimal start-stop time of mechanical fan in theprocess of unit start and stop on the premise of satisfying the safety of the unit.Through analysis and test,it is concluded thatduring the start-up of the unit,it is more appropriate to open 2 fans after the opening of high-pressure bypass and 3 fans after theend of high-pressure steam intake.During the shutdown process,it is more appropriate to stop 5 fans after the unit STOP.Keywords:deindustrialization transformation;mechanical tower;mechanical fan;high pressure bypass;start-stop optimizationDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.01980-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期在机组启动点火后，升速至 2 000 r/min 左右时需要投入低压缸冷却蒸汽，气源同样为辅助蒸汽，流量大约 10 t/h，同理也可以不用启动机力风机。随着燃机排烟温度的上升，余热锅炉的蒸汽温度和压力也开始逐渐上升。一般在并网后不久，高压过热蒸汽压力会达到 4.5 MPa，高压旁路会逐渐开启，将会有大量的热蒸汽进入凝汽器。由图 4 可知，此时凝汽器循环水出水温度会有个急速上升阶段，然后保持相对1.2机力塔工作原理机力塔是把所需冷却处理的水压到冷却塔上部，再通过配水系统均匀地喷洒于填料上，热水从填料上部落下，同时不饱和空气从塔下部上升或由侧面进入淋水装置，在填料间隙的流动中，热水与不饱和空气进行冷热交换，空气把热量向外传递，变成热空气，再由风机抽到塔外，从而达到水温降低的效果，如图 2 所示。图 2机力通风型冷却塔工作原理图公司机力塔单塔水流量 4 850 t/h，3 台机配置 14座。每台机配有 2 台循环水泵，低速循环水泵流量12 000 t/h，高速循环水泵流量 14 000 t/h，平时单台机组运行情况下为高低速循环水泵搭配 5 座机力塔运行。1.3机力风机简介公司机力风机叶片采用高强度环氧树脂，模压成型，叶型方面采用先进的机翼叶型，全压效率高，能有效降低风机运行能耗。叶片设计上采用空腹式设计，自重轻、强度高，并有良好的互换性。风机叶片迎风面还特别设计了聚氨酯保护层，可有效防止出塔湿空气中夹带的水滴对叶片的冲刷破坏，极大地延长了叶片的使用寿命。超长跨高速传动轴采用性能优越的碳纤维传动轴。传动轴临界转速高达 3 000 r/min，远远地避开了电机同步转速，降低风机振动，使风机运行更加安全可靠。该风机为 6 kV 电机，运行功率约 196 kW。在实际运行中，机力塔依靠自然通风也有一定的冷却效果，机力风机并不是必须开启。所以，合理规划机力风机的启停能达到节能降耗的目的。2机组启动过程机力风机的投用时机分析2.1热态启动机力风机的投用时机图 3 为机组热态启动流程。机力风机的启停时机要从热量进入凝汽器的时机里寻找。因此，对热态启动过程进行了分析。图 4 为热态启动曲线图，从机组投轴封时算起，就不断有热量进入凝汽器了，这部分热量和循环水进行换热从而提高了循环水温度。投轴封阶段辅助蒸汽温度大约 250 益，涵盖母管疏水回凝汽器的部分流量，整体流量在 10 t/h 以内，而此时一般投用低速循环水泵，循环水流量约 12 000 t/h，温度如果按照 25 益计算，即便不启动风机，循环水温度上升也很有限。图 3热态启动流程图图 4热态启动曲线高旁开启负荷循环水出水温度环境温度真空循环水进水温度高压进汽结束投轴封至机组启动并网高压进汽结束加负荷至启动结束投轴封81-2023 年 27 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application稳定。一般并网后持续 25 min 左右，高压主蒸汽阀前温度可以到 500 益以上开始高压进汽（进汽温度根据缸温不同略有不同）。算上高压进汽过程 10 min，并网至高压进汽结束这个阶段燃机的负荷比较稳定，对这个阶段的热量进行了统计。并网后凝汽器热源统计表见表 1。表 1并网后凝汽器热源统计表根据凝汽器循环水进出水温度上升的时间差，可以推断出循环水由凝汽器出口再回到凝汽器进口的一个周期大约为 10 min（不同机组略有不同）。那么，大致判断凝汽器循环水出水至机力塔大约 5 min。因此，可以在高压旁路开启 5 min 内，开启对应数量的机力塔的风机。并网至高压进汽以前，由于高压主汽阀关闭，汽轮机并不做功，所以真空对燃机没有效率提升的作用，只是防止低压缸排汽温度过高造成安全隐患。经测试，启动 2 台机力风机是比较合适的。高压进汽结束至机组加至基本负荷平均只有 10 min，这个过程由于操作较多，所以剩下的 3 台风机一般在高压进汽结束就陆续开启。2.2GE 9F 燃机冷稳态启动过程机组冷温态启动过程如图 5 所示，和热态启动相比多了金属温度匹配，但整体过程其实变化不大，只是各个阶段时间拉长了而已。冷稳态启动曲线如图 6 所示。热源 气温/流量/（t h-1）轴封蒸汽 250 10 低压缸冷却蒸汽 250 10 高压过热蒸汽 400500 170 中压过热蒸汽 200260 20 低压过热蒸汽 130160 15 余热锅炉的热量均来源于燃机的排烟温度，燃机排烟温度是由燃机负荷决定的。冷温态启动机组并网以后一直到金属温度匹配结束，燃机为了控制排烟温度以适应金属温度匹配，负荷实际上都比较低，这个过程经测试 2 台风机足够。而金属温度匹配结束加负荷过程虽然不如热态启动加负荷速率那么快，但主要是汽轮机负荷提升缓慢，燃机负荷提升还是较快的，所以考虑到燃机排烟温度的上升，还是推荐较早将剩下的3 台风机开启。3机组停机过程机力风机的投用图 7 所示为机组停机整个流程，图 8 为流程曲线。一般减负荷至 130 MW 左右点击 STOP，STOP 后高压主汽阀开始关闭，关闭过程固定 5 min，随后机组解列。图 5冷稳态启动流程图图 7停机流程图图 6冷稳态启动曲线图 8 中可明显看到在机组 STOP 以后循环水出水温度有一个快速爬升阶段，因为此时汽机旁路陆续开启，本来进入汽轮机做功后的低温低压蒸汽从低压缸排入凝汽器，由于主汽阀的关闭，汽机旁路的开启，大循环水出水温度负荷循环水进水温度环境温度真空高旁开启金属温度匹配退出投轴封至机组启动并网金属温度匹配高压进汽金属温度匹配结束加负荷至启机结束减负荷至机组STOP解列燃机熄火盘车投入82-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期量高温蒸汽直接进入凝汽器，所以循环水温度有明显提升。但随着机组的解列，燃机燃烧明显减弱，循环水温度上升也很快停止了。如果不人为操作，高中低压旁路会在机组惰走至36 r/min 撤出轴封时候手动退出，由解列至 36 r/min 这个过程大约 45min，等待时间较长，一般考虑提前手动关闭高中低压旁路。经测试，在机组解列降速至1200r/min时关闭高中低压旁路，高压汽包不超压。如果机型有区别，可以当压力接近报警值时通过开启疏水阀或者微开向排等方法泄压。考虑到机组解列至1 200 r/min 的时间大约 5 min，而循环水一个周期的时间为 10 min，机组解列后停用风机是安全的，当然并不是最经济的。点 STOP 后主汽门开始关闭，5 min 后主汽门全部关闭，随后机组解列。那么，在 STOP 时停用所有机力风机，机力塔中无风机冷却情况下的热循环水刚好到凝汽器进口时机组解列，比较合理。但也需要考虑到解列后旁路还在开启状态，高温天气要充分考虑真空变化的情况，防止循环水温度过高影响真空导致机组处于不安全的状态。经环境温度 30 益测试，该方案还是可行的。如果遇到更高温天气，需要再做测试。在测试过程中，如果环境温度在 15 益以下时，停机过程负荷 250 MW 时停 5 台风机，从 250 MW 减负荷至解列大约 12 min，真空也较好。而机组从 250 MW减负荷 5 min 后大约在 140 MW，此时汽轮机负荷已经较低，且马上 STOP，高压主汽阀即将关闭，所以循环水温度上升，真空上升对应的效率损失也不大，也是一个可以考虑的停风机的时间点。至于具体停风机的时机和台数，可以逐渐摸索适合自己机组的方式。图 8流程曲线4结论本文主要通过分析和试验研究了 GE 9F 燃气-蒸汽联合循环发电机组在启停过程中比较合适的机力风机启停点。机组启动过程中，在高压旁路开启以后启动 2 台机力风机，热态启动高压进汽结束/冷态启动金属温度匹配结束陆续启动剩下 3 台。停机时建议在机组负荷减至准备点击 STOP 时停用 5 台风机。当然以上测试可能存在误差，主要是由于机力塔冷却效果受到环境温度、环境湿度等参数影响较大。不同厂家的机力塔，机力风机也有区别，本文更重要的是提供一种分析方法供大家参考。参考文献院1 梁言凯，刘克然，邵斌，等.燃气-蒸汽联合循环机组机力通风塔自然对流冷却分析J.吉林电力，2017，45（5）：47-50.2 周长喜.燃气电厂机力通风冷却塔的运行方式及优化J.电站辅机，2013，34（2）：27-30.3 刘官郡.机力通风冷却塔在某燃机热电厂的应用J.工业用水与废水，2006（S1）：62-65.4 韩建新.机力风塔系统在北京热电分公司的应用J.电力设备，2008（9）：82-84.5 李智.9FA 燃气轮机组机力通风塔优化改造D.北京：华北电力大学，2015.6 张超.不同温度、负荷对机力塔蒸发量的影响研究J.河南科技，2017（21）：98-100.7 熊超，刘震华，张英，等.GE 9F 燃气轮机主要控制系统及 IGV系统分析J.吉林电力，2020，48（3）：45-47，53.8 成勋，黄伟栋.GE 9F.03 型燃气轮机先进热通道改造效果分析J.发电设备，2019，33（6）：432-437.循环水出水温度负荷循环水进水温度环境温度真空解列 5 min130 MW83-