西門子燃氣輪機天然氣燃料供給系統(tǒng)介紹

1、西門子燃氣輪機天然氣燃料供給系統(tǒng)介紹繆金華,沈存五(上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠設計研究所,上海200240)摘要:主要介紹了siemens典型天然氣供給系統(tǒng)的組成及功能,對各個主要功能模塊進行了詳細的描述,并結合工程實踐,總結了天然氣系統(tǒng)設計中幾個關鍵的安全要素。關鍵詞:天然氣調壓站;露點加熱器;流量計;過濾器;安全要素中圖分類號:tk16文獻標識碼:a文章編號:1672-5549(2008)02-introductiononngiojiwu(design&reequipmentco.,ltd.shanghaiturbineworks,shanghai200240,china

2、)abstract:thepaperintroducesconfigurationandfunctionoftypicalncsupplysysteminsiemens,describesthemainfunctionmoduleindetail,andsummarizestheseveralkeysafetyelementsforthedesignofncsupplysystembasedontheprojectexperiences.keywords:ngregulationstation;dew2pointheater;flowmeter;ngfilter;safetyrequireme

3、ntssiemens燃機電站天然氣燃料供給系統(tǒng)可0引言燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)裝置以其發(fā)電效率高、環(huán)保性能好、建設周期短且初期投資額較少等優(yōu)勢在火力發(fā)電中占據核心地位,近年來,隨著大型燃氣輪機可靠性的迅速提高和技術的成熟化,以及國家實行的“以市場換技術”f級重型燃氣輪機技術引進,國內建設了一批f級燃氣輪機發(fā)電站。2004年7月,上海電氣siemens聯(lián)合體在國以分為兩個模塊:天然氣調壓站和前置模塊,調壓站一般采用母管制,而前置模塊為一機一臺配置,即幾臺前置模塊共用一座調壓站。下圖為天然氣供給系統(tǒng)在整個電廠中的位置示意圖。它的主要功能是接受從主天然氣輸送管道來的天然氣,經過一系列相應處理后送入燃氣輪機進

4、行燃燒,其間,對天然氣的處理主要包括體積計量、過濾、加熱、調壓以及一些必要的安全設置。家第二捆燃氣輪機招標項目中一舉獲得了4個項目共計9臺v94.3a型燃機定單,上海電氣從此進入了生產重型燃機的新領域。天然氣燃料供給系統(tǒng)作為燃氣輪機輔助系統(tǒng)中一個極其重要的系統(tǒng),直接影響燃機運行的安全與穩(wěn)定。本文主要介紹siemens典型的天然氣燃料供給系統(tǒng)的組成及功能,并總結了天然氣系統(tǒng)設計過程中需考慮的安全要素。收稿日期:2007-11-06作者簡介:繆金華(1980-),男,上海交通大學機械動力工程學院在讀工程碩士,上海汽輪機廠科研設計員。圖1天然氣燃料供給系統(tǒng)©1994-2010chinaac

5、ademicjournalelectronicpublishinghouse.allrightsreserved.1天然氣燃料供給系統(tǒng)基本介紹1.1天然氣調壓站模塊過濾分離,濾芯前后設有壓差計,實時監(jiān)控濾芯的堵塞情況。當壓差達到報警值時,系統(tǒng)將給出聲光報警信號。分離過濾器內被分離出的顆粒和液滴將由自動排污模塊排放到凝結水箱。(3)計量單元:布置在粗過濾器的下游,這樣可以保護流量計不被天然氣中原有的大的顆粒所損壞。一般包括前后直管段及整流器、計量模塊、溫度壓力體積修正儀等。實現(xiàn)對整個電廠天然氣消耗量的計量,根據所選計量設備的精度,可實現(xiàn)。常用的流量計,它的計量精度高,但價格昂貴且對安裝尺寸的要求

6、較大。渦輪流量計是利用流量表內的葉輪隨氣體旋轉來實現(xiàn)對氣體的計量,它的計量精度較高,較之超聲波流量計,價格便宜且安裝尺寸要求較小,所以,一般工程中選用渦輪流量計。(4)露點加熱及調壓單元:本單元也需要做冗余設計,一般選取2×100%配置。當天然氣壓力下降(如,由于節(jié)流孔或閥門)并且同環(huán)境沒有進行熱量或功的交換時,天然氣的溫度通常將會降低(尤其是碳水化合物)。這一現(xiàn)象被稱作joule2thompson效應。由于調壓閥需要將上游天然氣調壓站由很多的單元組成,主要包括進口單元、計量單元、過濾單元、露點加熱單元、調壓單元、出口單元、氮氣置換單元以及放散單元。(1)進口單元:主要包括絕緣接頭,

7、緊急關斷閥以及溫度、壓力傳感器等附件。絕緣接頭的功能為隔離天然氣輸送管道的電化學腐蝕對調壓站的影響。緊急關斷閥一般采用氣動執(zhí)行機構,實現(xiàn)在緊急情況下對系統(tǒng)的隔離,緊急關斷閥的上下游設置小口徑旁路,前后的壓差,便于閥門開啟,氣的流入速度。(2)過濾單元:由于燃氣輪機對于燃料的清潔度要求很高,通常需在天然氣供給系統(tǒng)中設置兩級過濾,其中調壓站模塊中的過濾單元為粗過濾單元,去除天然氣中較大的固體顆粒及液滴。粗過濾單元一般要求作冗余配置,以滿足在線更換濾芯及設備維護功能,可以配置為2×100%或者3×50%。過濾分離按分離原理可分為碰撞式、凝聚式和滲透式,按分離形式可分為重力沉降分離

8、、旋風分離、葉片分離和濾芯分離。在實際工程應用中,常常是幾種形式配合,數種分離原理共同作用。調壓站內各支路的過濾單元包括旋風分離器、過濾分離器、液位控制系統(tǒng)以及手動隔斷球閥。旋風分離器能對天然氣m的固中大于10體、液體顆粒物進行分離,其原理是氣體流經一定數量的旋風管,微粒在離心力的作用下被甩出并分離(見圖2);過濾分離器對天然氣中顆粒物和液體進行輸送管道來的天然氣壓力調節(jié)到滿足燃機運行所需的壓力,在此過程中,天然氣的溫度將會相應降低。根據一般工程經驗,天然氣壓力每下降0.1mpa,溫度將會相應降低0.4,這樣,即使天然氣的溫度在系統(tǒng)進口處位于露點以上,在經過調壓閥后降壓后也有可能由于溫度的降低

9、而結露,所以很有必要在調壓閥上游設置露點加熱器,以將天然氣加熱到露點以上足夠的溫度。對于siemens重型燃機來說,一般要求將天然氣加熱到露點以上15。露點加熱器一般選用管殼式水浴加熱器,熱量可利用專門設置的燃氣熱水鍋爐或者電廠其他熱源。在加熱器內,天然氣走管側,熱水走殼側,這樣加熱器殼體可以不承受天然氣側的壓力,氣側壓力高于水側壓力,可以避免當管體發(fā)生泄漏時,有水進入天然氣管道。在換熱器的上部,設置有液位指示器,以檢測管體是否存在泄漏,同時還裝有安全發(fā)散閥,當管體破裂殼體內壓力驟升時,可以有效地保護換熱器殼體的安全。為保證氣體加熱后溫度不會超過允許的溫度,在換熱器的上游還設有一個三通閥,當天

10、然氣溫度將要達到允許的最高溫度時,這個三通閥將會使熱水通過換熱器的旁路回到鍋爐中去,從而避免了氣體溫度過高。壓力調節(jié)單元及附件,壓力調節(jié)閥將輸氣管道來的天然氣降壓并穩(wěn)定在滿足燃機正常工作的壓力范圍,每個調壓支路設置兩只串聯(lián)的調壓閥(如下圖3),上游調壓閥為主工作閥,下游調壓閥為監(jiān)視調壓閥,正常運行時,主調壓閥工作,而監(jiān)視調壓閥全開,當主調壓閥失效時全開狀態(tài),壓閥失效時,關閉,。2天然氣供應系統(tǒng)的安全要素由于天然氣是易燃易爆的氣體,同時燃料供給系統(tǒng)也直接關系到燃氣輪機的安全運行,所以對于本系統(tǒng)的安全設計顯得特別的重要。根據燃料供給系統(tǒng)的特殊性,系統(tǒng)的安全要素通常需要分以下5點進行考慮。2.1燃料

11、供給系統(tǒng)的合理布置(1)燃料系統(tǒng)位置的選定根據電力行業(yè)標準dl/-2003燃氣-,。(2)集中放散系統(tǒng),對于需要進行壓力泄放的管路匯總連接,并集中到放散塔中進行排放。根據gb50251輸氣管道設計規(guī)范,放散塔與調壓站的安全距離應大于40米。高度需高于周圍建筑至少2米。(3)燃料供給系統(tǒng)分離物排放位置,過濾分離器分離出的固體和液體需要集中排放到集污箱中,經專業(yè)運輸車運走并進行處理。2.2燃料供給系統(tǒng)的電氣安全(1)電器設備位置的選定,根據gb50058爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范的要求,對圖3調壓閥串聯(lián)設置燃料供給系統(tǒng)的電器設備進行合理布置。電器設備布置時應符合如下規(guī)定:當釋放源距地坪高度

12、不超過4.5米時,以該釋放源為中心,半徑為4.5米,頂部距釋放源距離7.5米,釋放源至地坪以上的范圍劃為爆炸危險區(qū)域(見下圖),電器設備應盡量放在危險區(qū)域外。當釋放源距地坪高度超過4.5米時,爆炸危險區(qū)域可適當縮小,具體可根據(5)其余輔助單元:調壓站系統(tǒng)還包含著其余的一些小單元模塊,燃氣出口單元可以實現(xiàn)對出口燃氣的溫度和壓力進行監(jiān)控以及管路系統(tǒng)的緊急關斷,氮氣置換單元可以保證在系統(tǒng)通氣前和設備檢修時管道及設備內的天然氣含量降到爆炸極限外,發(fā)散單元保護系統(tǒng)運行在安全的壓力范圍,這些小單元對系統(tǒng)的安全均起著重要的作用。1.2天然氣前置模塊實踐經驗確定。天然氣前置模塊主要有三個子模塊組成,分別是流

13、量計量單元,精過濾單元及出口緊急關斷單元,主要結構和原理同調壓站內的各功能模塊,在此不再累述,所不同的是,前置模塊中的流量計所測是單臺燃機的實際天然氣流量,過濾單元的過濾精度要求也比調壓站內高很多。圖4爆炸危險區(qū)域圖(2)燃料系統(tǒng)采用的所有電器防護等級需達(2)燃料系統(tǒng)過濾單元的可靠性,采用分級過到ip65;防爆或隔爆等級需達到diict4標準。2.3燃料供給系統(tǒng)的防火保障濾,在調壓站中設置粗過濾,前置模塊中采用精過濾。采用有針對性的過濾方式,對于直徑大于m的顆粒物,選用旋風分離器進行分離,小于10m的顆粒物通過濾芯和葉片進行組合分離。10對于采用濾芯的過濾器,設置備用路,保證工作路濾芯被堵塞

14、時可以手動切換到備用路,從而實現(xiàn)濾芯的在線更換。燃料供給系統(tǒng)的防火保障;現(xiàn)場設備不允許有任何的泄漏;在調壓站進口及前置模塊進口處均設置火警緊急關斷閥,在火災發(fā)生時通過dcs進行切斷,停止天然氣的供給。關斷閥的關閉要求在3秒鐘內完成。天然氣供給系統(tǒng)中所有管道的球閥要求耐火,耐火等級需達到api607標準。2.4燃料供給系統(tǒng)設備運行過程中的保護(1)燃氣泄漏監(jiān)測及報警,在燃料供給系統(tǒng)中3,對燃機及整個電廠的安全可靠運行有著舉足輕重的作用。本文通過對燃氣輪機燃料供給系統(tǒng)各子模塊的描述,從系統(tǒng)組成到系統(tǒng)安全要素的分析,對西門子典型燃料供給系統(tǒng)進行了全面的介紹,不但有助于讀者了解西門子燃料供給系統(tǒng),而且

15、對電廠天然氣系統(tǒng)的安全運行也有一定的參考作用。參考文獻:1吳天明,陳學文,何建平.西門子公司燃氣輪機及聯(lián)合循環(huán)汽設置有燃氣泄露探頭,對整個系統(tǒng)進行實時檢測,一旦探測到有天然氣泄漏,(2)。當系統(tǒng)管道或容器內壓力達到安全壓力點時,安全閥自動開啟進行壓力釋放。切斷保護,當調壓器失效后,調壓器下游壓力將會升高,當達到壓力設定點后,切斷閥將會切斷調壓閥上游的天然氣,不會讓超壓氣體進入系統(tǒng)下游。2.5燃料供給系統(tǒng)連續(xù)供氣的保證(1)燃料供給系統(tǒng)調壓部分的可靠性,要選擇輪機制造考察報告j.熱力透平,2004,33(3):174178.2generaltechnicalspecificationforgas

16、turbinefuelgassupplysystemz.design&researchinstituteofshanghai大流量調節(jié)比的調壓器,保證燃料系統(tǒng)在燃氣輪機啟動和滿負荷運行時都能正常供氣。設置備用的調壓支路,當工作路調壓器出現(xiàn)故障時自動切換到備用路。turbineco.ltd.,2006年8月.3上海飛奧燃氣設備介紹資料z.2005年12月.(下接第131頁)因素對直接空冷機組排汽壓力的影合理措施,才能使機組在今后的運行中安全、經濟、滿發(fā)運行。參考文獻:1馬義偉.空冷器設計與應用m.哈爾濱工業(yè)大學,1998,12.2丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術m.北京:高等教育出版社,1980.

17、3彭繼業(yè).表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)可靠性及優(yōu)化設計探討j.中國電力,1996,no.24norbertberger.drycoolingsystemsforlargepowerstationsr.october,1993.beijing,china.響。在進行真空系統(tǒng)嚴密性試驗時,所具備試驗的條件要苛刻周全。只有條件齊備試驗結果才準確有效。同時直接空冷機組真空嚴密性試驗方法有多種,只有根據實際情況選取合理的試驗方法,試驗數據才越真實可靠。(3)目前,國內外直接空冷機組真空嚴密性沒有統(tǒng)一規(guī)范的試驗標準,需要在不斷的實踐摸索中,得出統(tǒng)一的標準。直接空冷機組背壓高,變化范圍大,只有對真空方面采取一整

18、套行之有效的5翦天聰.汽輪機原理m.華中工學院,1985.8.西門子高度靈活的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電廠彭澤瑛(上海汽輪機有限公司,上海200240)摘要:介紹了為滿足電網對機組靈活性及降低全壽命運行成本的要求,西門子所提出的“靈活燃氣輪機聯(lián)(下簡稱靈活電廠)設計理念,即一種具有頻繁快速啟動和調峰能力,總體運行效率更合循環(huán)電廠(flexplant)”高,更靈活的聯(lián)合循環(huán)電廠;并詳細列舉了“靈活電廠”設計中所采取的先進技術,以及在縮短啟停時間,提高低負荷效率以及減少電廠的排放水平所取得的成果。“靈活電廠”超過現(xiàn)有的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電廠。關鍵詞:燃氣輪機;聯(lián)合循環(huán);電廠;余熱鍋爐;效率;啟動;調峰中圖分

19、類號:tm611.31文獻標識碼:a-()-06plantofsiemenspengze2ying(shanghaiturbinecompanyltd.,shanghai200240,china)abstract:thispaperdescribestheflexplant2acombined2cycleplantdesignphilosophy,developedbysiemens,whichof2fersfrequentfaststartingandcyclingflexibilitywithhigherefficiencyinordertomeettherequirementsfromt

20、heelectricalgridtoprovideoperationflexibilityandreducelife2cyclecost.thispaperalsointroducestheadvancedtechnologyonthesiemens,flexplantdesignandresultsindecreasedstarting2uptimeandincreasedthermalefficiencyofpartloadandim2provedemissionreductions.theflexplant,whichistooffersignificanteconomicbenefit

21、sandexcelmarketcompetence,willexceedthecapabilitiesofexistingcombinedcycleplantdesigns.keywords:gasturbine;combinedcycle;powerplant;heatrecoverysteamgenerator;efficiency;start2up;cycling0引言長期以來燃氣輪機開發(fā)商都在全力致力于提高燃氣輪機的效率和可靠性,并已取得了非常顯著的成果。隨著現(xiàn)代電網大型化及環(huán)境保護要求的日益嚴格,以及電力市場的開發(fā)與激烈競爭,對發(fā)電廠的運行靈活性提出了更高的期望,目前已有更多的燃氣輪

22、機2蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠被要求頻繁啟動參與調峰,經常在中間負荷至滿負荷之間工況運行。根據對大量參與調峰運行電廠實際狀況的分析表明:(1)受余熱鍋爐厚壁元件熱應力的限制,目前整個聯(lián)合循環(huán)裝置啟動時間較長,燃氣輪機不能像簡單循環(huán)一樣的速率啟動及升降負荷。兩班制頻繁啟動將造成燃料費用運行成本的增加。(2)燃氣輪機低負荷工況效率及燃燒排放特性的惡化使得燃氣輪機在頻繁啟動過程中,長期處在高排放的運行狀況,使電廠的總排放量增加,有些電廠甚至將超過排放的許可限制。(3)頻繁長時間的啟動及低負荷運行造成燃料及水耗費用增加。(下為此,西門子提出了“靈活聯(lián)合循環(huán)電廠”簡稱靈活電廠)的優(yōu)化設計理念,進一步提高了西門

23、子燃氣輪機2蒸汽輪機電廠的競爭性。本文將(見圖1)詳細介紹西門子為提高整個“靈活電廠”聯(lián)合循環(huán)裝置靈活性、降低全壽命運行成本、減少排放,在四個關鍵環(huán)節(jié)燃氣輪機、余熱鍋爐、收稿日期:2004-05-18作者簡介:彭澤瑛(1942-),男,教授級高級工程師,現(xiàn)在上海汽輪機有限公司設計研究所主要從事熱力葉片設計工作。164西門子高度靈活的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電廠蒸汽輪機、輔助系統(tǒng)方面所采用的先進技術措施。圖2西門子v94.3a型燃氣輪機(1)與航空發(fā)動機制造廠的緊密技術合作,圖1一個配置有西門子2臺f級燃氣輪機的靈活聯(lián)合循環(huán)電廠1“率、高可靠性。燃氣輪機及蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠以各公司現(xiàn)有產品技術規(guī)范為中

24、心的市場規(guī)則,使制造商不必為適應用戶不同出力和參數的要求去進行產品的設計,而能將精力集中于自身產品性能的改進。西門子發(fā)電部長期以來通過研究開發(fā)以及與航空發(fā)動機制造商的合作,采用當代最為先進的三維氣動葉片、耐高溫涂層、先進的冷卻技術和低排放燃燒系統(tǒng)等一系列高新技術,使其產品的效率和可靠性、變工況性能及全壽命運行成本指標等處于世界領先地位。1.1西門子高性能水平的燃氣輪機西門子公司自1948年自行開發(fā)第一臺燃氣輪機以來,按標準模塊的設計原則,首先建立起一套成熟可靠、有長期運行業(yè)績的標準部套結構,例如壓氣機的中心拉桿轉盤結構、壓氣機轉向導葉結構、雙軸承支撐、軸向排汽、功率冷端輸出、四級燃氣透平、標準

25、的壓氣機通流部分等。通過幾何和轉速的模化原理,按轉速及0.6711.2的尺寸比例,加上調整壓氣機進汽級的方式形成了幾種功率等級的產品。近十多年來,西門子燃氣輪機產品系列已經歷了第二代、第三代和第三代改進“3a”的更新,圖2為西門子最新的v94.3a型269mw燃氣輪機。在成熟可靠的結構以及標準而有限的品種的基礎上,產品的效率、可靠性和運行性能水平不斷提高。主要的技術進步在如下方面:廣泛吸收高溫材料,包括ni基材料、單晶鑄造葉片、高溫涂層等先,聯(lián)合循環(huán)效率超的水平。(2)級間漏氣的改進,應用高溫耐磨涂層材料,減少漏氣損失。(3)全3d計算氣動設計技術用于壓氣機和透平葉片、流道及排氣設計。提高效率

26、、增加壓比和出力。在全球60hz和50hz領域,西門子最新優(yōu)化設計的燃氣輪機單機功率等級已分別達到目前最大的253mw和269mw。目前在市場推出的v64(50hz或60hz)、v94(50hz)、v84、w501f、w501g(60hz)產品的性能及商用運行業(yè)績均處于世界領先地位1。表1型號w501fw501gv94.2(e)v94.2a(e)周波hz60605050燃氣輪機190mw253mw164mw190mw簡單循環(huán)效率38%39%34.5%36.4%聯(lián)合循環(huán)效率57%58%54.4%55.6%上述西門子先進的燃氣輪機通過提供低資本成本、小占地面積、短建設周期和低運行成本,滿足了目前電

27、力投資者的要求。長期的商業(yè)運行業(yè)績表明,其可靠性和可用性處于世界領先水平。目前已有超過300臺具有先進技術的西門子f和g等級的燃氣輪機投入運行。f等級燃氣透平已經累計運行超過250萬小時,其中四個最早投運機組已經在基本負荷狀態(tài)下連續(xù)運行超過10年,每年平均運行超過8萬小時,并在承擔調峰運行模式方面積累了豐富的經驗。對世界級的g等級溫度的w501g燃氣輪機,截止到2003年底已有累積超過8萬小時的運行記錄,其中首臺機組運行時間已超過1.4萬小時。西門子第三代改進型的v94.3a機組目前運行超過45臺,其單機出力為269mw,簡單循環(huán)的效率為38.6%,聯(lián)合循環(huán)在1拖2的配置下,功率達到400mw

28、,效率則達到目前世界商業(yè)機組的最高水平58.4%。該機型1995年首次進入市場以來,累計運行超過65萬小時,最佳的機組運行近5萬小時。整個機組的可靠性達到99.8%,平均可用率為94%。其性能和可靠性是50hz領域、大功率燃氣輪機的世界最高水平。1.2改進燃氣輪機的變工況運行性能90期間,設,達到盡可能高的效率。對“靈活電廠”,燃氣輪機將處在頻繁啟動及經常帶中間負荷運行的狀況,為此,必須進一步改進燃氣輪機的低負荷運行特性。西門子在下列優(yōu)化設計中取得了顯著的成果。(1)燃氣輪機動靜間隙的設計改進。為保證較高的設計工況效率,原動靜間隙很小,但這種設計不適應承擔頻繁高速啟動的運行模式。西門子在燃氣輪

29、機的徑向表面采用一種專門的涂料技術,這種涂料具有的物理性能,允許它們在旋轉時碰磨,從而解決了承擔兩班制及調峰運行時,快速啟停與小徑向間隙保證效率的矛盾。(2)燃燒室系統(tǒng)的改進。新的“3a”機型中采用24個環(huán)形燃燒室取代原有的兩個單管圓筒型燃燒室,不但結構緊湊,而且改進了透平進口溫度場的均勻度,降低壓損,減少nox排放。此外,開發(fā)了一種低排放的天然氣燃燒器,使燃氣輪機在40%100%負荷時的nox與co排放降低到基本負荷相同的水平,即nox小于25ppm,co排放小于3ppm。這個改進用于承擔調峰功能的燃氣輪機,可大幅度降低整個運行期間的總排放量(見圖3)。1.3每年啟動2604000小時、帶中

30、間至滿負荷運行的要求,此時,僅考慮燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)設計工況的效率顯然是不夠的,在確定機組性能設計目標時必然要引入全壽命運行成本的概念,包括運行全過程各個階段的性能,運行管理及維護。西門子采用的三維氣動葉片、耐高溫涂層、先進的冷卻技術和低排放燃燒系統(tǒng)等一系列高新技術,達到全面提高運行能力,全面降低成本的目標。具體體現(xiàn)在:(1)高溫耐磨涂料改善了快速啟動能力。(2)燃燒系統(tǒng)改進了低負荷的燃燒性能,提高了效率和減少了排放。(3)可靠性提高,擴大了偏周波運行的范圍,對50hz機組可在47hz到53hz周波之間長期連續(xù)運行。(4)材料、冷卻及結構設計技術的綜合效果,延長機組的大修間隔,減少維修成本,提高

31、可用率。(5)采用多種提高出力的技術措施,如燃燒室噴水、壓氣機進口冷卻等增加機組的尖峰負荷能力。(6)電廠主輔設備及系統(tǒng)配置的高度自動化。2提高聯(lián)合循環(huán)電廠的啟動速度針對目前電力(電網)市場化中出現(xiàn)的幾個以往不同的特點“靈活電廠”,必須采取相應的技術優(yōu)化措施。電網負荷的峰谷差加大,僅參與調峰已不能滿足電網要求,兩班制將是今后燃氣輪機2蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)必須考慮的運行方式。啟動特性的圖3低排放燃燒器電廠nox和co的排放試驗測量數據優(yōu)化則是兩班制運行機組的關鍵。世界環(huán)境保護對單位負荷排放要求的日益嚴格,加速啟動過程也是控制排放總量的主要環(huán)節(jié)。電網中無co2、硝、硫、灰份排放的綠色能源(風能、核能等

32、)比例增加,使電網對負荷變化的自動反饋能力下降。目前電網要求電廠具有更大、更快的調峰能力。例如在德國某電力公司的控制負荷中,風力發(fā)電裝機占據總容量的26%,這部分容量不但不能隨外部電網要求自動升降調整負荷,反而要求電網能吸收和補償風力波動的負荷(大風波動幅度可達50%)。在快速、大負荷波動條件下,穩(wěn)定性,。機2:(1)在調峰和兩班制運行條件下,要求在低的調峰中間負荷仍具有基本負荷電站同樣的效率和相同水平的排放量。通過上述西門子燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的改進已達到了這一要求。(2)要求具有快速啟停能力。通過縮短啟動時間,減少燃氣輪機在高排放的空載區(qū)停留的時間,達到減少排放總量、減少消耗總量的目的。(3)

33、按兩班制的實際,而不是以往的所謂熱態(tài)、溫態(tài)和冷態(tài)啟動(停機時間8小時為熱態(tài)啟動、48小時為溫態(tài)啟動)對機組的啟動狀態(tài)分類。西門子“靈活電廠”按如下更為嚴格的運行狀態(tài)進行機組壽命評估:表2停機類型前一個晚上周末連續(xù)停機時間8-16小時接近64小時大于64小時每年啟動次數200502計的改進和分析表明“,拖累”的關鍵是余熱鍋爐。在“靈活電廠”的配置中,西門子推出了西門子專利的本生型直流余熱鍋爐,其獨特的快速啟動功能使燃氣輪機在啟動時不再受到余熱鍋爐和蒸汽輪機等下游單元的限制,仍然能保持和它們用在單循環(huán)時一樣迅速地啟動、升負荷的能力,從而大大提高了整個聯(lián)合循環(huán)機裝置的啟動速度。圖4所示為按“靈活電廠

34、”原則配置的一個2×1f等級電廠在前一晚上停機16小時后的啟動升負荷曲線。圖表對比了“的啟動及帶負圖4電廠停機16小時后的啟動及升負荷曲線燃氣輪機在點1開始點火,燃氣輪機發(fā)電機在點2同步,快速升負荷到點3。燃氣輪機在點3達到額定功率。從點3,蒸汽輪機開始沖轉。蒸汽輪機發(fā)電機在點4位置同步。在點5位置,高溫再熱和低壓系統(tǒng)旁路閥關閉,蒸汽全部進入蒸汽輪機。此時,電廠約達到其97%的額定負荷。從曲線對比可見,由于在“靈活電廠”中配置了西門子專利的本生直流鍋爐(benson2otsg),使整個裝置在晚間停機或周末停機后的啟動速度比以往典型聯(lián)合循環(huán)電廠的啟動速度提高了一倍多。3快速啟動的本生型

35、直流余熱鍋爐在過去的70年里,西門子的本生爐專利技術在整個亞臨界和超臨界蒸汽電廠中廣泛應用。到目前為止,大約已經投運了1000臺本生型鍋爐,總的每小時蒸汽流量超過70萬噸。西門子公司成功地在在(英國)諾丁漢郡cot2tam發(fā)展中心的一臺390mw聯(lián)合循環(huán)機組上應用了本生型直流余熱鍋爐。其高壓和中壓部分(如果需要中壓)為本生型直流爐,而在低壓部分(也是在低壓需要時)保留了汽包型的設計。該機組由powergen上市公司擁有,從1999年為了提高電廠運行的靈活性,西門子在電廠各單元的壽命評估中再增加8個附加的擴充停機,使整個電廠設計的壽命能滿足每年啟動260次,每年4000小時運行的能力。提高啟動速

36、度是“靈活電廠”技術開發(fā)的重大的課題之一。啟動過程體現(xiàn)了壽命損耗對應下的最大許用應力與溫度變化梯度之間的關系,在目前西門子標準參考電廠(rpp)的優(yōu)化設計中,通過對燃氣透平、蒸汽透平、電廠工程和余熱鍋爐設起已投入商業(yè)運行。該本生直流余熱鍋爐顯示了獨特的快速啟動和調峰運行性能?；谀壳半娏κ袌鰧β?lián)合循環(huán)電廠快速啟停和調峰運行的需求,以及cottam電廠成功的試驗和運行經驗,西門子將本生型直流余熱鍋爐(見圖5)納入“靈活電廠”的設計中。本生型直流余熱鍋爐由于沒有厚壁汽包,因而不會像傳統(tǒng)余熱鍋爐需要較長的加熱周期和慢的最大允許溫升率;而且與其它直流理念對比,其蒸發(fā)器的壓力損失更小。過程中的應力評估系

37、統(tǒng),包括一個在線的壽命損耗計算器。它可根據三種不同的升負荷速率,即標準的、加速的和快速的三種升負荷速率,計算汽輪機所有危險的“厚壁”部件,包括閥門、高壓汽缸、高壓轉子和中壓轉子的熱應力。tsc的功能是在給定的壽命損耗范圍內控制啟動過程的升負荷速率,同時計算透平被監(jiān)控部分的累計疲勞。tsc為每個正常的、加速的和快速的啟動都分配了一個合適的當量次數。用戶可根據機組的使用狀況,選擇相應的啟動速率和壽命損耗。本的要求,除了提高燃氣輪機2蒸汽輪機、余熱鍋圖5本生直流余熱鍋爐與其他汽包型余熱鍋爐相比,西門子的本生直流技術還可以通過調節(jié)給水流量來控制主蒸汽溫度。該鍋爐不僅保持了所有傳統(tǒng)汽包型余熱鍋爐的特點,

38、包括具有脫硝scr、co催化系統(tǒng)、輔助燃燒、提供多壓蒸汽等,而且其運行靈活性遠超過汽包型余熱鍋爐。快速啟動功能不僅滿足了調峰要求,而且節(jié)約了啟動過程的燃料消耗,減少了電廠運行的總排放量。爐等主設備的啟動性能及部分負荷效率外,還必須將優(yōu)化的目標擴大到循環(huán)裝置的所有設備和系統(tǒng)。西門子在“靈活電廠”的設計中:(1)基本推薦采用三級壓力再熱循環(huán)。(2)燃氣輪機的轉子空冷系統(tǒng)。(3)燃油加熱系統(tǒng)。(4)用于燃氣輪機加負荷時的蒸汽冷卻器系統(tǒng)。(5)燃燒室增加蒸汽流量系統(tǒng),以提高尖峰出力的能力。(6)燃氣輪機壓氣機冷卻系統(tǒng),以提高效率和出力。(7)為本生型直流余熱鍋爐配套的快速水處理系統(tǒng)。在快速啟動的本生型

39、余熱鍋爐中采用了綜合進行氨ph控制與氧化處理技術。為使快速啟動時,蒸汽品質迅速達到合格的標準,在循環(huán)中還配置了一個凝結水精洗裝置。通過該裝置為本生型直流爐提供高質量的給水,避免在蒸發(fā)管上形成沉積,降低了蒸發(fā)管內的壓損。氧化及氨處理技術和凝結水精洗裝置可使啟動過程時,滿足蒸汽品質要求所需的時間減少為幾分鐘。(8)為滿足靈活性所必須的電廠配套設施。在“靈活電廠”“bop”的執(zhí)行過程中,為滿足快速啟停和調峰運行功能應采取下列配套措施:部件的冗余;輔助鍋爐;真空泵;煙道調風裝置;自動疏水和放汽閥系統(tǒng);優(yōu)化的蒸汽管道4汽輪機的熱應力控制系統(tǒng)在應用西門子本生型直流爐解決了聯(lián)合循環(huán)電廠啟動過程中余熱鍋爐的限

40、制后,也要求蒸汽透平同樣具有快速升降負荷的功能。西門子的蒸汽輪機為全周進汽,沒有調節(jié)級。這種設計大大減小了啟動過程中葉片的應力。全周進汽和滑壓運行相結合,具有高效率、運行靈活性和維修保養(yǎng)費用低的特點。在聯(lián)合循環(huán)電廠中,高壓、中壓和低壓蒸汽的高容量蒸汽旁路系統(tǒng)是保證汽輪機運行靈活性和可靠性的關鍵。高壓至余熱鍋爐冷再熱的高壓旁路設置,還有利于降低啟動時余熱鍋爐的熱應力。為了在保證蒸汽輪機使用壽命條件下的靈活性,西門子在汽輪機控制中采用了汽輪機熱應力控制(tsc)系統(tǒng)。該tsc實質是一個汽輪機啟動第5/6頁168西門子高度靈活的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電廠加熱裝置;系統(tǒng)和電廠的高度自動化配置。6“靈活電廠”的經濟得益“靈活電廠”通過快速啟動以及通過提高低負荷運行的效率降低了全壽命期的運行成本。其可以量化的經濟得益體現(xiàn)在減少排放、節(jié)約燃料、將少耗水三個方面:6.1減少電廠的排放總量減少總的排放量正成為今后電廠建設的主要評估指標?！办`活電廠”通過三個方面降低了電廠的排放:(1)(2),使機組在調峰運行時能保持基本負荷相同的排放量。(3)其它排放控制(即scr或co催化劑)技術的收益。對經常在中間負荷調