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1、西门子燃气轮机天然气燃料供给系统介绍缪金华,沈存五(上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂设计研究所,上海200240)摘要:主要介绍了SIEMENS典型天然气供给系统的组成及功能,对各个主要功能模块进行了详细的描述,并结合工程实践,总结了天然气系统设计中几个关键的安全要素。关键词:天然气调压站;露点加热器;流量计;过滤器;安全要素中图分类号:TK16文献标识码:A文章编号:1672-5549(2008)02-IntroductiononNGIOJiwu(Design&ReEquipmentCo.,Ltd.ShanghaiTurbineWorks,Shanghai200240,China)Abs
2、tract:ThepaperintroducesconfigurationandfunctionoftypicalNCsupplysysteminSiemens,describesthemainfunctionmoduleindetail,andsummarizestheseveralkeysafetyelementsforthedesignofNCsupplysystembasedontheprojectexperiences.Keywords:NGregulationstation;dew2pointheater;flowmeter;NGfilter;safetyrequirementsS
3、IEMENS燃机电站天然气燃料供给系统可0引言燃气轮机联合循环装置以其发电效率高、环保性能好、建设周期短且初期投资额较少等优势在火力发电中占据核心地位,近年来,随着大型燃气轮机可靠性的迅速提高和技术的成熟化,以及国家实行的“以市场换技术”F级重型燃气轮机技术引进,国内建设了一批F级燃气轮机发电站。2004年7月,上海电气SIEMENS联合体在国以分为两个模块:天然气调压站和前置模块,调压站一般采用母管制,而前置模块为一机一台配置,即几台前置模块共用一座调压站。下图为天然气供给系统在整个电厂中的位置示意图。它的主要功能是接受从主天然气输送管道来的天然气,经过一系列相应处理后送入燃气轮机进行燃烧,
4、其间,对天然气的处理主要包括体积计量、过滤、加热、调压以及一些必要的安全设置。家第二捆燃气轮机招标项目中一举获得了4个项目共计9台V94.3A型燃机定单,上海电气从此进入了生产重型燃机的新领域。天然气燃料供给系统作为燃气轮机辅助系统中一个极其重要的系统,直接影响燃机运行的安全与稳定。本文主要介绍SIEMENS典型的天然气燃料供给系统的组成及功能,并总结了天然气系统设计过程中需考虑的安全要素。收稿日期:2007-11-06作者简介:缪金华(1980-),男,上海交通大学机械动力工程学院在读工程硕士,上海汽轮机厂科研设计员。图1天然气燃料供给系统1994-2010ChinaAcademicJour
5、nalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.1天然气燃料供给系统基本介绍1.1天然气调压站模块过滤分离,滤芯前后设有压差计,实时监控滤芯的堵塞情况。当压差达到报警值时,系统将给出声光报警信号。分离过滤器内被分离出的颗粒和液滴将由自动排污模块排放到凝结水箱。(3)计量单元:布置在粗过滤器的下游,这样可以保护流量计不被天然气中原有的大的颗粒所损坏。一般包括前后直管段及整流器、计量模块、温度压力体积修正仪等。实现对整个电厂天然气消耗量的计量,根据所选计量设备的精度,可实现。常用的流量计,它的计量精度高,但价格昂贵且对安装尺寸的要求较大。涡轮流量计是利
6、用流量表内的叶轮随气体旋转来实现对气体的计量,它的计量精度较高,较之超声波流量计,价格便宜且安装尺寸要求较小,所以,一般工程中选用涡轮流量计。(4)露点加热及调压单元:本单元也需要做冗余设计,一般选取2100%配置。当天然气压力下降(如,由于节流孔或阀门)并且同环境没有进行热量或功的交换时,天然气的温度通常将会降低(尤其是碳水化合物)。这一现象被称作Joule2Thompson效应。由于调压阀需要将上游天然气调压站由很多的单元组成,主要包括进口单元、计量单元、过滤单元、露点加热单元、调压单元、出口单元、氮气置换单元以及放散单元。(1)进口单元:主要包括绝缘接头,紧急关断阀以及温度、压力传感器等
7、附件。绝缘接头的功能为隔离天然气输送管道的电化学腐蚀对调压站的影响。紧急关断阀一般采用气动执行机构,实现在紧急情况下对系统的隔离,紧急关断阀的上下游设置小口径旁路,前后的压差,便于阀门开启,气的流入速度。(2)过滤单元:由于燃气轮机对于燃料的清洁度要求很高,通常需在天然气供给系统中设置两级过滤,其中调压站模块中的过滤单元为粗过滤单元,去除天然气中较大的固体颗粒及液滴。粗过滤单元一般要求作冗余配置,以满足在线更换滤芯及设备维护功能,可以配置为2100%或者350%。过滤分离按分离原理可分为碰撞式、凝聚式和渗透式,按分离形式可分为重力沉降分离、旋风分离、叶片分离和滤芯分离。在实际工程应用中,常常是
8、几种形式配合,数种分离原理共同作用。调压站内各支路的过滤单元包括旋风分离器、过滤分离器、液位控制系统以及手动隔断球阀。旋风分离器能对天然气m的固中大于10体、液体颗粒物进行分离,其原理是气体流经一定数量的旋风管,微粒在离心力的作用下被甩出并分离(见图2);过滤分离器对天然气中颗粒物和液体进行输送管道来的天然气压力调节到满足燃机运行所需的压力,在此过程中,天然气的温度将会相应降低。根据一般工程经验,天然气压力每下降0.1MPa,温度将会相应降低0.4,这样,即使天然气的温度在系统进口处位于露点以上,在经过调压阀后降压后也有可能由于温度的降低而结露,所以很有必要在调压阀上游设置露点加热器,以将天然
9、气加热到露点以上足够的温度。对于SIEMENS重型燃机来说,一般要求将天然气加热到露点以上15。露点加热器一般选用管壳式水浴加热器,热量可利用专门设置的燃气热水锅炉或者电厂其他热源。在加热器内,天然气走管侧,热水走壳侧,这样加热器壳体可以不承受天然气侧的压力,气侧压力高于水侧压力,可以避免当管体发生泄漏时,有水进入天然气管道。在换热器的上部,设置有液位指示器,以检测管体是否存在泄漏,同时还装有安全发散阀,当管体破裂壳体内压力骤升时,可以有效地保护换热器壳体的安全。为保证气体加热后温度不会超过允许的温度,在换热器的上游还设有一个三通阀,当天然气温度将要达到允许的最高温度时,这个三通阀将会使热水通
10、过换热器的旁路回到锅炉中去,从而避免了气体温度过高。压力调节单元及附件,压力调节阀将输气管道来的天然气降压并稳定在满足燃机正常工作的压力范围,每个调压支路设置两只串联的调压阀(如下图3),上游调压阀为主工作阀,下游调压阀为监视调压阀,正常运行时,主调压阀工作,而监视调压阀全开,当主调压阀失效时全开状态,压阀失效时,关闭,。2天然气供应系统的安全要素由于天然气是易燃易爆的气体,同时燃料供给系统也直接关系到燃气轮机的安全运行,所以对于本系统的安全设计显得特别的重要。根据燃料供给系统的特殊性,系统的安全要素通常需要分以下5点进行考虑。2.1燃料供给系统的合理布置(1)燃料系统位置的选定根据电力行业标
11、准DL/-2003燃气-,。(2)集中放散系统,对于需要进行压力泄放的管路汇总连接,并集中到放散塔中进行排放。根据GB50251输气管道设计规范,放散塔与调压站的安全距离应大于40米。高度需高于周围建筑至少2米。(3)燃料供给系统分离物排放位置,过滤分离器分离出的固体和液体需要集中排放到集污箱中,经专业运输车运走并进行处理。2.2燃料供给系统的电气安全(1)电器设备位置的选定,根据GB50058爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范的要求,对图3调压阀串联设置燃料供给系统的电器设备进行合理布置。电器设备布置时应符合如下规定:当释放源距地坪高度不超过4.5米时,以该释放源为中心,半径为4.5米,顶部
12、距释放源距离7.5米,释放源至地坪以上的范围划为爆炸危险区域(见下图),电器设备应尽量放在危险区域外。当释放源距地坪高度超过4.5米时,爆炸危险区域可适当缩小,具体可根据(5)其余辅助单元:调压站系统还包含着其余的一些小单元模块,燃气出口单元可以实现对出口燃气的温度和压力进行监控以及管路系统的紧急关断,氮气置换单元可以保证在系统通气前和设备检修时管道及设备内的天然气含量降到爆炸极限外,发散单元保护系统运行在安全的压力范围,这些小单元对系统的安全均起着重要的作用。1.2天然气前置模块实践经验确定。天然气前置模块主要有三个子模块组成,分别是流量计量单元,精过滤单元及出口紧急关断单元,主要结构和原理
13、同调压站内的各功能模块,在此不再累述,所不同的是,前置模块中的流量计所测是单台燃机的实际天然气流量,过滤单元的过滤精度要求也比调压站内高很多。图4爆炸危险区域图(2)燃料系统采用的所有电器防护等级需达(2)燃料系统过滤单元的可靠性,采用分级过到IP65;防爆或隔爆等级需达到dIICT4标准。2.3燃料供给系统的防火保障滤,在调压站中设置粗过滤,前置模块中采用精过滤。采用有针对性的过滤方式,对于直径大于m的颗粒物,选用旋风分离器进行分离,小于10m的颗粒物通过滤芯和叶片进行组合分离。10对于采用滤芯的过滤器,设置备用路,保证工作路滤芯被堵塞时可以手动切换到备用路,从而实现滤芯的在线更换。燃料供给
14、系统的防火保障;现场设备不允许有任何的泄漏;在调压站进口及前置模块进口处均设置火警紧急关断阀,在火灾发生时通过DCS进行切断,停止天然气的供给。关断阀的关闭要求在3秒钟内完成。天然气供给系统中所有管道的球阀要求耐火,耐火等级需达到API607标准。2.4燃料供给系统设备运行过程中的保护(1)燃气泄漏监测及报警,在燃料供给系统中3,对燃机及整个电厂的安全可靠运行有着举足轻重的作用。本文通过对燃气轮机燃料供给系统各子模块的描述,从系统组成到系统安全要素的分析,对西门子典型燃料供给系统进行了全面的介绍,不但有助于读者了解西门子燃料供给系统,而且对电厂天然气系统的安全运行也有一定的参考作用。参考文献:
15、1吴天明,陈学文,何建平.西门子公司燃气轮机及联合循环汽设置有燃气泄露探头,对整个系统进行实时检测,一旦探测到有天然气泄漏,(2)。当系统管道或容器内压力达到安全压力点时,安全阀自动开启进行压力释放。切断保护,当调压器失效后,调压器下游压力将会升高,当达到压力设定点后,切断阀将会切断调压阀上游的天然气,不会让超压气体进入系统下游。2.5燃料供给系统连续供气的保证(1)燃料供给系统调压部分的可靠性,要选择轮机制造考察报告J.热力透平,2004,33(3):174178.2GeneralTechnicalSpecificationforGasTurbineFuelGasSupplySystemZ.
16、Design&ResearchInstituteofShanghai大流量调节比的调压器,保证燃料系统在燃气轮机启动和满负荷运行时都能正常供气。设置备用的调压支路,当工作路调压器出现故障时自动切换到备用路。TurbineCo.Ltd.,2006年8月.3上海飞奥燃气设备介绍资料Z.2005年12月.(下接第131页)因素对直接空冷机组排汽压力的影合理措施,才能使机组在今后的运行中安全、经济、满发运行。参考文献:1马义伟.空冷器设计与应用M.哈尔滨工业大学,1998,12.2丁尔谋.发电厂空冷技术M.北京:高等教育出版社,1980.3彭继业.表面式凝汽器间接空冷系统可靠性及优化设计探讨J.中国电
17、力,1996,No.24NorbertBerger.DryCoolingSystemsForLargePowerStationsR.October,1993.Beijing,CHINA.响。在进行真空系统严密性试验时,所具备试验的条件要苛刻周全。只有条件齐备试验结果才准确有效。同时直接空冷机组真空严密性试验方法有多种,只有根据实际情况选取合理的试验方法,试验数据才越真实可靠。(3)目前,国内外直接空冷机组真空严密性没有统一规范的试验标准,需要在不断的实践摸索中,得出统一的标准。直接空冷机组背压高,变化范围大,只有对真空方面采取一整套行之有效的5翦天聪.汽轮机原理M.华中工学院,1985.8.西
18、门子高度灵活的燃气轮机联合循环电厂彭泽瑛(上海汽轮机有限公司,上海200240)摘要:介绍了为满足电网对机组灵活性及降低全寿命运行成本的要求,西门子所提出的“灵活燃气轮机联(下简称灵活电厂)设计理念,即一种具有频繁快速启动和调峰能力,总体运行效率更合循环电厂(FlexPlant)”高,更灵活的联合循环电厂;并详细列举了“灵活电厂”设计中所采取的先进技术,以及在缩短启停时间,提高低负荷效率以及减少电厂的排放水平所取得的成果。“灵活电厂”超过现有的燃气轮机联合循环电厂。关键词:燃气轮机;联合循环;电厂;余热锅炉;效率;启动;调峰中图分类号:TM611.31文献标识码:A-()-06PlantofS
19、iemensPENGZe2ying(ShanghaiTurbineCompanyLtd.,Shanghai200240,China)Abstract:ThispaperdescribestheFlexPlant2acombined2cycleplantdesignphilosophy,developedbySiemens,whichof2fersfrequentfaststartingandcyclingflexibilitywithhigherefficiencyinordertomeettherequirementsfromtheelectricalgridtoprovideoperati
20、onflexibilityandreducelife2cyclecost.ThispaperalsointroducestheadvancedtechnologyontheSiemens,FlexPlantdesignandresultsindecreasedstarting2uptimeandincreasedthermalefficiencyofpartloadandim2provedemissionreductions.TheFlexPlant,whichistooffersignificanteconomicbenefitsandexcelmarketcompetence,willex
21、ceedthecapabilitiesofexistingcombinedcycleplantdesigns.Keywords:gasturbine;combinedcycle;powerplant;heatrecoverysteamgenerator;efficiency;start2up;cycling0引言长期以来燃气轮机开发商都在全力致力于提高燃气轮机的效率和可靠性,并已取得了非常显著的成果。随着现代电网大型化及环境保护要求的日益严格,以及电力市场的开发与激烈竞争,对发电厂的运行灵活性提出了更高的期望,目前已有更多的燃气轮机2蒸汽轮机联合循环电厂被要求频繁启动参与调峰,经常在中间负荷至
22、满负荷之间工况运行。根据对大量参与调峰运行电厂实际状况的分析表明:(1)受余热锅炉厚壁元件热应力的限制,目前整个联合循环装置启动时间较长,燃气轮机不能像简单循环一样的速率启动及升降负荷。两班制频繁启动将造成燃料费用运行成本的增加。(2)燃气轮机低负荷工况效率及燃烧排放特性的恶化使得燃气轮机在频繁启动过程中,长期处在高排放的运行状况,使电厂的总排放量增加,有些电厂甚至将超过排放的许可限制。(3)频繁长时间的启动及低负荷运行造成燃料及水耗费用增加。(下为此,西门子提出了“灵活联合循环电厂”简称灵活电厂)的优化设计理念,进一步提高了西门子燃气轮机2蒸汽轮机电厂的竞争性。本文将(见图1)详细介绍西门子
23、为提高整个“灵活电厂”联合循环装置灵活性、降低全寿命运行成本、减少排放,在四个关键环节燃气轮机、余热锅炉、收稿日期:2004-05-18作者简介:彭泽瑛(1942-),男,教授级高级工程师,现在上海汽轮机有限公司设计研究所主要从事热力叶片设计工作。164西门子高度灵活的燃气轮机联合循环电厂蒸汽轮机、辅助系统方面所采用的先进技术措施。图2西门子V94.3A型燃气轮机(1)与航空发动机制造厂的紧密技术合作,图1一个配置有西门子2台F级燃气轮机的灵活联合循环电厂1“率、高可靠性。燃气轮机及蒸汽轮机联合循环电厂以各公司现有产品技术规范为中心的市场规则,使制造商不必为适应用户不同出力和参数的要求去进行产
24、品的设计,而能将精力集中于自身产品性能的改进。西门子发电部长期以来通过研究开发以及与航空发动机制造商的合作,采用当代最为先进的三维气动叶片、耐高温涂层、先进的冷却技术和低排放燃烧系统等一系列高新技术,使其产品的效率和可靠性、变工况性能及全寿命运行成本指标等处于世界领先地位。1.1西门子高性能水平的燃气轮机西门子公司自1948年自行开发第一台燃气轮机以来,按标准模块的设计原则,首先建立起一套成熟可靠、有长期运行业绩的标准部套结构,例如压气机的中心拉杆转盘结构、压气机转向导叶结构、双轴承支撑、轴向排汽、功率冷端输出、四级燃气透平、标准的压气机通流部分等。通过几何和转速的模化原理,按转速及0.671
25、1.2的尺寸比例,加上调整压气机进汽级的方式形成了几种功率等级的产品。近十多年来,西门子燃气轮机产品系列已经历了第二代、第三代和第三代改进“3A”的更新,图2为西门子最新的V94.3A型269MW燃气轮机。在成熟可靠的结构以及标准而有限的品种的基础上,产品的效率、可靠性和运行性能水平不断提高。主要的技术进步在如下方面:广泛吸收高温材料,包括Ni基材料、单晶铸造叶片、高温涂层等先,联合循环效率超的水平。(2)级间漏气的改进,应用高温耐磨涂层材料,减少漏气损失。(3)全3D计算气动设计技术用于压气机和透平叶片、流道及排气设计。提高效率、增加压比和出力。在全球60Hz和50Hz领域,西门子最新优化设
26、计的燃气轮机单机功率等级已分别达到目前最大的253MW和269MW。目前在市场推出的V64(50Hz或60Hz)、V94(50Hz)、V84、W501F、W501G(60Hz)产品的性能及商用运行业绩均处于世界领先地位1。表1型号W501FW501GV94.2(E)V94.2A(E)周波Hz60605050燃气轮机190MW253MW164MW190MW简单循环效率38%39%34.5%36.4%联合循环效率57%58%54.4%55.6%上述西门子先进的燃气轮机通过提供低资本成本、小占地面积、短建设周期和低运行成本,满足了目前电力投资者的要求。长期的商业运行业绩表明,其可靠性和可用性处于世界
27、领先水平。目前已有超过300台具有先进技术的西门子F和G等级的燃气轮机投入运行。F等级燃气透平已经累计运行超过250万小时,其中四个最早投运机组已经在基本负荷状态下连续运行超过10年,每年平均运行超过8万小时,并在承担调峰运行模式方面积累了丰富的经验。对世界级的G等级温度的W501G燃气轮机,截止到2003年底已有累积超过8万小时的运行记录,其中首台机组运行时间已超过1.4万小时。西门子第三代改进型的V94.3A机组目前运行超过45台,其单机出力为269MW,简单循环的效率为38.6%,联合循环在1拖2的配置下,功率达到400MW,效率则达到目前世界商业机组的最高水平58.4%。该机型1995
28、年首次进入市场以来,累计运行超过65万小时,最佳的机组运行近5万小时。整个机组的可靠性达到99.8%,平均可用率为94%。其性能和可靠性是50Hz领域、大功率燃气轮机的世界最高水平。1.2改进燃气轮机的变工况运行性能90期间,设,达到尽可能高的效率。对“灵活电厂”,燃气轮机将处在频繁启动及经常带中间负荷运行的状况,为此,必须进一步改进燃气轮机的低负荷运行特性。西门子在下列优化设计中取得了显著的成果。(1)燃气轮机动静间隙的设计改进。为保证较高的设计工况效率,原动静间隙很小,但这种设计不适应承担频繁高速启动的运行模式。西门子在燃气轮机的径向表面采用一种专门的涂料技术,这种涂料具有的物理性能,允许
29、它们在旋转时碰磨,从而解决了承担两班制及调峰运行时,快速启停与小径向间隙保证效率的矛盾。(2)燃烧室系统的改进。新的“3A”机型中采用24个环形燃烧室取代原有的两个单管圆筒型燃烧室,不但结构紧凑,而且改进了透平进口温度场的均匀度,降低压损,减少NOX排放。此外,开发了一种低排放的天然气燃烧器,使燃气轮机在40%100%负荷时的NOX与CO排放降低到基本负荷相同的水平,即NOX小于25ppm,CO排放小于3ppm。这个改进用于承担调峰功能的燃气轮机,可大幅度降低整个运行期间的总排放量(见图3)。1.3每年启动2604000小时、带中间至满负荷运行的要求,此时,仅考虑燃气轮机联合循环设计工况的效率
30、显然是不够的,在确定机组性能设计目标时必然要引入全寿命运行成本的概念,包括运行全过程各个阶段的性能,运行管理及维护。西门子采用的三维气动叶片、耐高温涂层、先进的冷却技术和低排放燃烧系统等一系列高新技术,达到全面提高运行能力,全面降低成本的目标。具体体现在:(1)高温耐磨涂料改善了快速启动能力。(2)燃烧系统改进了低负荷的燃烧性能,提高了效率和减少了排放。(3)可靠性提高,扩大了偏周波运行的范围,对50Hz机组可在47Hz到53Hz周波之间长期连续运行。(4)材料、冷却及结构设计技术的综合效果,延长机组的大修间隔,减少维修成本,提高可用率。(5)采用多种提高出力的技术措施,如燃烧室喷水、压气机进
31、口冷却等增加机组的尖峰负荷能力。(6)电厂主辅设备及系统配置的高度自动化。2提高联合循环电厂的启动速度针对目前电力(电网)市场化中出现的几个以往不同的特点“灵活电厂”,必须采取相应的技术优化措施。电网负荷的峰谷差加大,仅参与调峰已不能满足电网要求,两班制将是今后燃气轮机2蒸汽轮机联合循环必须考虑的运行方式。启动特性的图3低排放燃烧器电厂NOX和CO的排放试验测量数据优化则是两班制运行机组的关键。世界环境保护对单位负荷排放要求的日益严格,加速启动过程也是控制排放总量的主要环节。电网中无CO2、硝、硫、灰份排放的绿色能源(风能、核能等)比例增加,使电网对负荷变化的自动反馈能力下降。目前电网要求电厂
32、具有更大、更快的调峰能力。例如在德国某电力公司的控制负荷中,风力发电装机占据总容量的26%,这部分容量不但不能随外部电网要求自动升降调整负荷,反而要求电网能吸收和补偿风力波动的负荷(大风波动幅度可达50%)。在快速、大负荷波动条件下,稳定性,。机2:(1)在调峰和两班制运行条件下,要求在低的调峰中间负荷仍具有基本负荷电站同样的效率和相同水平的排放量。通过上述西门子燃气轮机燃烧系统的改进已达到了这一要求。(2)要求具有快速启停能力。通过缩短启动时间,减少燃气轮机在高排放的空载区停留的时间,达到减少排放总量、减少消耗总量的目的。(3)按两班制的实际,而不是以往的所谓热态、温态和冷态启动(停机时间8
33、小时为热态启动、48小时为温态启动)对机组的启动状态分类。西门子“灵活电厂”按如下更为严格的运行状态进行机组寿命评估:表2停机类型前一个晚上周末连续停机时间8-16小时接近64小时大于64小时每年启动次数200502计的改进和分析表明“,拖累”的关键是余热锅炉。在“灵活电厂”的配置中,西门子推出了西门子专利的本生型直流余热锅炉,其独特的快速启动功能使燃气轮机在启动时不再受到余热锅炉和蒸汽轮机等下游单元的限制,仍然能保持和它们用在单循环时一样迅速地启动、升负荷的能力,从而大大提高了整个联合循环机装置的启动速度。图4所示为按“灵活电厂”原则配置的一个21F等级电厂在前一晚上停机16小时后的启动升负
34、荷曲线。图表对比了“的启动及带负图4电厂停机16小时后的启动及升负荷曲线燃气轮机在点1开始点火,燃气轮机发电机在点2同步,快速升负荷到点3。燃气轮机在点3达到额定功率。从点3,蒸汽轮机开始冲转。蒸汽轮机发电机在点4位置同步。在点5位置,高温再热和低压系统旁路阀关闭,蒸汽全部进入蒸汽轮机。此时,电厂约达到其97%的额定负荷。从曲线对比可见,由于在“灵活电厂”中配置了西门子专利的本生直流锅炉(Benson2OTSG),使整个装置在晚间停机或周末停机后的启动速度比以往典型联合循环电厂的启动速度提高了一倍多。3快速启动的本生型直流余热锅炉在过去的70年里,西门子的本生炉专利技术在整个亚临界和超临界蒸汽
35、电厂中广泛应用。到目前为止,大约已经投运了1000台本生型锅炉,总的每小时蒸汽流量超过70万吨。西门子公司成功地在在(英国)诺丁汉郡Cot2tam发展中心的一台390MW联合循环机组上应用了本生型直流余热锅炉。其高压和中压部分(如果需要中压)为本生型直流炉,而在低压部分(也是在低压需要时)保留了汽包型的设计。该机组由Powergen上市公司拥有,从1999年为了提高电厂运行的灵活性,西门子在电厂各单元的寿命评估中再增加8个附加的扩充停机,使整个电厂设计的寿命能满足每年启动260次,每年4000小时运行的能力。提高启动速度是“灵活电厂”技术开发的重大的课题之一。启动过程体现了寿命损耗对应下的最大
36、许用应力与温度变化梯度之间的关系,在目前西门子标准参考电厂(RPP)的优化设计中,通过对燃气透平、蒸汽透平、电厂工程和余热锅炉设起已投入商业运行。该本生直流余热锅炉显示了独特的快速启动和调峰运行性能。基于目前电力市场对联合循环电厂快速启停和调峰运行的需求,以及Cottam电厂成功的试验和运行经验,西门子将本生型直流余热锅炉(见图5)纳入“灵活电厂”的设计中。本生型直流余热锅炉由于没有厚壁汽包,因而不会像传统余热锅炉需要较长的加热周期和慢的最大允许温升率;而且与其它直流理念对比,其蒸发器的压力损失更小。过程中的应力评估系统,包括一个在线的寿命损耗计算器。它可根据三种不同的升负荷速率,即标准的、加
37、速的和快速的三种升负荷速率,计算汽轮机所有危险的“厚壁”部件,包括阀门、高压汽缸、高压转子和中压转子的热应力。TSC的功能是在给定的寿命损耗范围内控制启动过程的升负荷速率,同时计算透平被监控部分的累计疲劳。TSC为每个正常的、加速的和快速的启动都分配了一个合适的当量次数。用户可根据机组的使用状况,选择相应的启动速率和寿命损耗。本的要求,除了提高燃气轮机2蒸汽轮机、余热锅图5本生直流余热锅炉与其他汽包型余热锅炉相比,西门子的本生直流技术还可以通过调节给水流量来控制主蒸汽温度。该锅炉不仅保持了所有传统汽包型余热锅炉的特点,包括具有脱硝SCR、CO催化系统、辅助燃烧、提供多压蒸汽等,而且其运行灵活性
38、远超过汽包型余热锅炉。快速启动功能不仅满足了调峰要求,而且节约了启动过程的燃料消耗,减少了电厂运行的总排放量。炉等主设备的启动性能及部分负荷效率外,还必须将优化的目标扩大到循环装置的所有设备和系统。西门子在“灵活电厂”的设计中:(1)基本推荐采用三级压力再热循环。(2)燃气轮机的转子空冷系统。(3)燃油加热系统。(4)用于燃气轮机加负荷时的蒸汽冷却器系统。(5)燃烧室增加蒸汽流量系统,以提高尖峰出力的能力。(6)燃气轮机压气机冷却系统,以提高效率和出力。(7)为本生型直流余热锅炉配套的快速水处理系统。在快速启动的本生型余热锅炉中采用了综合进行氨pH控制与氧化处理技术。为使快速启动时,蒸汽品质迅
39、速达到合格的标准,在循环中还配置了一个凝结水精洗装置。通过该装置为本生型直流炉提供高质量的给水,避免在蒸发管上形成沉积,降低了蒸发管内的压损。氧化及氨处理技术和凝结水精洗装置可使启动过程时,满足蒸汽品质要求所需的时间减少为几分钟。(8)为满足灵活性所必须的电厂配套设施。在“灵活电厂”“BOP”的执行过程中,为满足快速启停和调峰运行功能应采取下列配套措施:部件的冗余;辅助锅炉;真空泵;烟道调风装置;自动疏水和放汽阀系统;优化的蒸汽管道4汽轮机的热应力控制系统在应用西门子本生型直流炉解决了联合循环电厂启动过程中余热锅炉的限制后,也要求蒸汽透平同样具有快速升降负荷的功能。西门子的蒸汽轮机为全周进汽,
40、没有调节级。这种设计大大减小了启动过程中叶片的应力。全周进汽和滑压运行相结合,具有高效率、运行灵活性和维修保养费用低的特点。在联合循环电厂中,高压、中压和低压蒸汽的高容量蒸汽旁路系统是保证汽轮机运行灵活性和可靠性的关键。高压至余热锅炉冷再热的高压旁路设置,还有利于降低启动时余热锅炉的热应力。为了在保证蒸汽轮机使用寿命条件下的灵活性,西门子在汽轮机控制中采用了汽轮机热应力控制(TSC)系统。该TSC实质是一个汽轮机启动第5/6页168西门子高度灵活的燃气轮机联合循环电厂加热装置;系统和电厂的高度自动化配置。6“灵活电厂”的经济得益“灵活电厂”通过快速启动以及通过提高低负荷运行的效率降低了全寿命期
41、的运行成本。其可以量化的经济得益体现在减少排放、节约燃料、将少耗水三个方面:6.1减少电厂的排放总量减少总的排放量正成为今后电厂建设的主要评估指标。“灵活电厂”通过三个方面降低了电厂的排放:(1)(2),使机组在调峰运行时能保持基本负荷相同的排放量。(3)其它排放控制(即SCR或CO催化剂)技术的收益。对经常在中间负荷调峰运行、每年两班制启动260次的电厂,上述的改进将大幅度减少电厂的总排放量。此外,这个总量的改进还可能对电厂的立项和是否允许运行起到决定性的作用。6.2燃料消耗节约“灵活电厂”的快速启动明显减小了启动过程所需的燃油。以一个21F级的“灵活电厂”为例,其20年的燃料费用,按净现值
42、折算可节约大约1650万美元。6.3水资源节约既然减少了启动过程的排气,这也会带来水耗费的节约,以21F燃气轮机电厂为例,每年可以大约节约水6.3万m3。按“灵活电厂”部分负荷性能年加权的改进同样可有相当可观的经济得益。和运行性能的联合循环电厂。在该电厂,由于采用了西门子专利的本生型直流炉,使燃气轮机在联合循环模式下具有和在单循环模式中一样迅速的升负荷能力。与以往联合循环电厂相比,其启动速度提高了一倍多。(2)为降低运行成本,改进了燃气轮机的变工况及综合运行性能;为与快速启动性能相适应,蒸汽轮机中采用了一种先进的汽轮机热应力控制器(TSC),将汽轮机的快速启停、变负荷与电厂自动化集成,。(3)
43、“灵活电,促进联合循环电厂的发展。参考文献:1MichaelT.McManus,RaymondBaumgartner.IntegrationofAd2vancedGasTurbineandCombinedCycleTechnologiesforHighEffi2ciencywithOperationalFlexibilityA.PowerGEN2003-LasVegas,NevadaDecember911.2BenWolfe,RickAntos.2003,SiemensAdvancedTechnologyGasTurbinesA.Power-GEN2003-LasVegas,NevadaDec
44、,911.3BaumgartnerR,McManusM.T.2003,AnIntegratedCombinedCy2clePlantDesignThatProvidesFastStartCapabilityatBase2LoadEffi2ciencyA.Power2GENinternational2003.4SALefton,PMBesuner,GPGrimsrud.TheRealCostCyclingPowerPlants;WhatYouDontWillHurtYouJ.AptechEngineer2ing,POWER,Nov1/December2002.5AndrewChrusciel,J
45、ustinZachary,SamKeith.DesignofHighLoadCyclingOperationGEPOSITIONPAPER.forCombinedCyclePowerPlantsZ.BechtelPowerCorp.,PublishedforPowerGenInterna2tional2001,LasVegas,NV.6张素心,黄瓯.创新是企业发展的动力西门子发电部考察报告J.热力透平,2003,32(3):160171.7西门子公司论文译文集Z.上海汽轮机有限公司总师办情报室,1999年5月.7结论(1)“灵活电厂”是一种能带部分负荷运行、具有快速频繁的启停能力,又不牺牲基本负荷效率
