s109fa燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組熱力系統(tǒng)的設(shè)計

s109fa燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組熱力系統(tǒng)的設(shè)計

在“15”期間，中國進行了三次捆綁招標(biāo)。54輛美國通用電氣（ge）、德國西門子和日本東京電視臺的f級大型單軸機組相繼安裝，總安裝功率為2.1萬米。其中，ge9f氣田先后在江蘇省齊莊浸、張家港、浙江半山、鎮(zhèn)海和廣東珠江等水電站相繼建成。本文主要介紹鎮(zhèn)海電廠S109FA型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的熱力系統(tǒng)、工藝設(shè)備、控制系統(tǒng)的特點以及后備緊急手操按鈕的設(shè)計。1熱力系統(tǒng)方案燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的工作原理為:空氣經(jīng)壓氣機壓縮,與燃氣一道進入燃燒室燃燒,產(chǎn)生高溫燃氣經(jīng)噴嘴噴向葉輪,燃氣膨脹做功,推動葉輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機輸出電能,實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的循環(huán)過程;燃氣輪機的高溫排氣經(jīng)余熱鍋爐加熱水產(chǎn)生蒸汽進入蒸汽輪機做功推動葉輪旋轉(zhuǎn),驅(qū)動發(fā)電機輸出電能,從而實現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)過程。鎮(zhèn)海電廠聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的熱力系統(tǒng)流程圖見圖1。鎮(zhèn)海電廠共建設(shè)2套由GE公司提供的S109FA單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組,每套包括1臺250MW級的燃氣輪機、1臺100MW級的蒸汽輪機、1臺350MW級發(fā)電機和1臺無補燃三壓再熱型余熱鍋爐及其輔助設(shè)備。聯(lián)合循環(huán)的出力為390~401MW,凈熱耗小于6350kJ/(kW·h),效率為56.7%。燃氣輪機的型號為PG9351FA,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,壓氣機為18級軸流式,壓比為15.4,燃燒室為分管回流式,由18個干式、低NOx燃燒器組成。汽輪機的型號為D10,雙缸(高、中壓缸和低壓缸)下排汽,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。在設(shè)計條件下(性能保證工況),高壓蒸汽壓力為9.679MPa,中壓蒸汽壓力為2.182MPa,低壓蒸汽壓力為0.3913MPa。發(fā)電機的型號為390H,全氫冷。余熱鍋爐為臥式、自然循環(huán)、三壓、再熱、無補燃、露天布置。燃氣輪機、汽輪機和發(fā)電機由GE成套供貨,而余熱鍋爐則由哈爾濱鍋爐股份有限公司配套(引進意大利阿爾斯通技術(shù))。2低nox單級預(yù)混燃燒燃氣輪機的壓氣機、燃燒室、燃氣透平是9F級燃氣輪機的核心部件。PG9351FA機組的壓氣機是18級軸流式,壓縮比15.4∶1,空氣流量為645kg/s的多級軸流式壓氣機,頭兩級為跨音速級,帶一級可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉。軸流式壓氣機由壓氣機轉(zhuǎn)子和封閉的氣缸組成。壓氣機氣缸內(nèi)有:進口導(dǎo)葉、十八級轉(zhuǎn)子和靜葉、兩排出口導(dǎo)葉柵。每相鄰的動葉和靜葉組成一級。在每一個級內(nèi),動葉片吸收外加的功轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的壓力,而靜葉片則引導(dǎo)空氣以合適的角度進入下一級。壓縮空氣從壓氣機排氣缸出來進入燃燒室。從壓氣機級間抽出的空氣用作透平噴嘴、輪間和軸承的冷卻和密封空氣用,在啟動過程中抽氣作為喘振控制用。PG9351FA燃氣輪機采用分管式結(jié)構(gòu)的干式低NOx單級預(yù)混燃燒室(DLN-2.0+型燃燒室)。在壓氣機排氣缸的外緣,周向布置著18個逆流分管式DLN-2.0+燃燒室,配備有2只高能火花塞點火器,上部4個燃燒室還裝有火焰探測器,每個燃燒室配5個燃料噴嘴和1個動壓力探頭。由壓氣機排氣缸排出的壓縮空氣經(jīng)噴嘴上的旋流器進入預(yù)混合室,與由燃料噴嘴噴出的燃料氣進行預(yù)混合,混合物經(jīng)預(yù)混合管流入火焰筒燃燒。由于燃燒技術(shù)已很成熟,燃氣輪機燃燒室的燃燒效率幾乎近100%,因此排氣中未燃燒的碳氫化合物(UHC)、一氧化碳(CO)含量極其微小,可以滿足環(huán)保要求。而天然氣中含塵量和含硫量極低,因而排氣中煙塵和SOx污染物極少,當(dāng)前燃氣輪機排氣中NOx是主要的污染物。DLN-2.0+型燃燒室通過把天然氣與空氣預(yù)先混合成為均相稀釋的可燃混合物,然后使之以湍流火焰?zhèn)鞑シ绞酵ㄟ^火焰面進行燃燒。這時,火焰面的燃燒溫度將和實時燃料、空氣摻混比值相對應(yīng),通過對摻混比數(shù)值的控制,使火焰面的溫度永遠低于空氣中N2和O2起化學(xué)反應(yīng)生成NOx的起始溫度1650℃,這樣就能控制“熱NOx”的生成。PG9351FA燃氣透平是三級軸流式透平,包括:透平轉(zhuǎn)子、氣缸、噴嘴、復(fù)環(huán)、排氣框架和排氣擴壓器。GE公司在其9F級燃氣輪機透平上大量應(yīng)用先進的航空材料和冷卻技術(shù),例如第1、2、3級動葉采用定向結(jié)晶材料GTD-111,以提高動葉的蠕變壽命、熱疲勞壽命和抗拉伸應(yīng)力,第1級噴嘴采用含碳量較低的FSX-414鈷基超級合金材料,以提高噴嘴的抗氧化和耐腐蝕性能;在冷卻方面則采用了對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻等多種技術(shù),使透平的性能比原有的9E機組提高了許多。3燃氣輪機與余熱鍋爐間的聯(lián)合循環(huán)(1)燃氣輪機為整體式,結(jié)構(gòu)緊湊,占地小,安裝方便。單臺燃氣輪機主機占地大小約為67×40=2680m2,單套聯(lián)合循環(huán)(不含水處理,制氫站,天然氣調(diào)壓站等輔助車間)占地大小約為150×52=7800m2。(2)燃氣輪機為冷端(壓氣機端)驅(qū)動,軸向排氣,排氣擴壓器可直接與余熱鍋爐相聯(lián),有利于減少流阻損失,優(yōu)化余熱鍋爐的布置,也便于發(fā)電機轉(zhuǎn)子抽芯。(3)單軸機組,燃氣輪機與汽輪機間無離合器。燃氣輪機與余熱鍋爐間無旁路煙道,燃氣輪機不能作簡單循環(huán)運行,必須是以聯(lián)合循環(huán)運行。(4)效率高,燃氣透平初溫高達1300℃,而凝汽器的溫度小于36℃,由勃萊敦循環(huán)和朗肯循環(huán)構(gòu)成的聯(lián)合循環(huán)效率遠高于其它機組,燃氣輪機的效率為36.9%,聯(lián)合循環(huán)的效率可達56.7%。(5)機組啟、停速度快,調(diào)峰性能優(yōu)越,機組極熱態(tài)啟動可在60min時帶滿負荷,熱態(tài)啟動可在80min時帶滿負荷,溫態(tài)啟動在130min時帶上滿負荷,冷態(tài)啟動在190min時帶滿負荷(以上為合同值)。4聯(lián)合循環(huán)裝置管理系統(tǒng)4.1中央控制室及控制部分每套聯(lián)合循環(huán)的控制系統(tǒng)包括以下兩部分:燃氣輪機、汽輪機、發(fā)電機等由GE公司配供的MarkVI控制,余熱鍋爐、旁路、輔助蒸汽、循環(huán)水系統(tǒng)、廠用電、發(fā)電機-變壓器組等由DCS控制。MarkVI與DCS的連接通過冗余的雙向通訊聯(lián)系和少量硬接線來實現(xiàn),運行人員在中央控制室通過DCS的人機接口實現(xiàn)對整個聯(lián)合循環(huán)機組的監(jiān)控。鎮(zhèn)海電廠聯(lián)合循環(huán)機組的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖2。4.2scs或電氣開關(guān)控制DCS采用西屋公司的OVATION控制系統(tǒng),系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集DAS、模擬量控制MCS、順序控制SCS、電氣開關(guān)控制ECS等功能。單臺機組和2臺機組公用系統(tǒng)的控制器及I/O點配置見表1。DCS控制主要包括以下內(nèi)容:余熱鍋爐高、中、低壓汽包水位控制、高壓過熱蒸汽溫度控制、再熱蒸汽溫度控制、低壓給水溫度控制、中壓蒸汽壓力控制、高壓旁路控制、低壓旁路控制、疏水控制等。4.3基因發(fā)揮的控制和保護由GE公司配供的MarkVI是一個應(yīng)用微處理器的三重冗余控制系統(tǒng),它是燃氣輪機的核心控制系統(tǒng),包含調(diào)節(jié)、順序控制和保護三大功能。(1)轉(zhuǎn)化發(fā)電機控制主要包括啟動控制、轉(zhuǎn)速控制、加速度控制、溫度控制、壓氣機進口導(dǎo)葉(IGV)控制、燃料控制等。啟動控制系統(tǒng)是在啟動過程中控制燃氣輪機的燃料需要量;轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是燃氣輪機最基本的控制系統(tǒng),帶動發(fā)電機時用有差轉(zhuǎn)速控制,帶動壓氣機或泵時用無差轉(zhuǎn)速控制;加速控制系統(tǒng)是限制轉(zhuǎn)速增加過程中的加速度,在啟動過程中可限制加速率,減少熱沖擊或在甩負荷后可抑制動態(tài)超速;溫度控制系統(tǒng)是控制流入燃氣輪機的燃料量以維持運行溫度,使燃氣輪機部件的熱應(yīng)力在設(shè)計的范圍內(nèi);IGV控制系統(tǒng)在正常負荷運行過程中控制燃氣輪機排氣溫度的極限或在啟、停過程中提供壓氣機的喘振保護;燃料控制系統(tǒng)根據(jù)其它系統(tǒng)所確定的燃料閥基準行程FSR來確定進入燃燒室的燃料總量。(2)輔助系統(tǒng)及燃料控制系統(tǒng)主要包括燃氣輪機啟動和停機順控。啟動順控是從啟動壓氣機,帶動燃氣透平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動、燃氣輪機點火、轉(zhuǎn)子加速直至額定轉(zhuǎn)速的過程,其中包含了一系列的輔助系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)的順控命令;停機順控是從發(fā)出停機指令、減負荷、逆功率跳發(fā)電機、啟動輔助油泵、關(guān)閉壓氣機進口可調(diào)導(dǎo)葉、惰走、冷卻盤車至停轉(zhuǎn)的過程。(3)空低、發(fā)電機組排汽溫度保護系統(tǒng)主要包括超速、超溫、振動、滅火、燃燒監(jiān)測、潤滑油壓低、潤滑油溫度高、凝汽器真空低、汽輪機排汽溫度高等保護功能。保護系統(tǒng)是獨立于控制系統(tǒng)的,在控制系統(tǒng)故障或失效的情況下仍可安全停機。保護的關(guān)鍵參數(shù)和保護模塊采用三重冗余結(jié)構(gòu),控制邏輯為3取2表決,保護停機信號輸出后通過切斷燃氣輪機進氣閥達到安全停機。5燃氣入口母管緊急關(guān)斷閥為確保當(dāng)DCS發(fā)生全局性或重大故障時聯(lián)合循環(huán)機組能緊急安全停機,系統(tǒng)設(shè)置了以下獨立于DCS的緊急按鈕:調(diào)壓站母管緊急關(guān)斷(ESD)按鈕、聯(lián)合循環(huán)緊急跳閘按鈕、凝汽器真空破壞閥硬手操按鈕、發(fā)電機出口斷路器緊急跳閘按鈕、柴油機緊急啟動按鈕、直流潤滑油泵/密封油泵緊急啟動按鈕、高(中、低)壓汽包緊急放水閥手操按鈕、高(中、低)壓汽包向空排汽閥手操按鈕。天然氣