M701F型燃气-蒸汽联合循环机组点火流程分析与优化

燕金栋

(广东惠州天然气发电有限公司， 广东惠州 516082)



M701F型燃气-蒸汽联合循环机组点火流程分析与优化

燕金栋

(广东惠州天然气发电有限公司， 广东惠州 516082)

摘要：通过分析燃气轮机点火流程，总结了M701F型机组预防点火爆燃的安全措施，结合现有的燃气轮机工业标准，在综合考虑安全性和经济性的基础上确定了更加合理的燃气轮机吹扫时间，并提出了点火流程的优化方案。

关键词：燃气轮机； 点火； 吹扫时间

燃气轮机点火前应保证其排气通道内无可燃气体积聚，以避免点火后引致爆燃，损害设备。某电厂燃气-蒸汽联合循环机组采用三菱M701F3型燃气轮机，燃气轮机点火前要求进行高盘吹扫，使其满足点火安全性的要求。该机组主要以两班制方式运行，单机年启停约200次。由于机组的启动频繁，其点火流程对机组运行效率会产生一定影响，因此分析和优化其点火流程对提高机组的安全性和经济性都很有意义。笔者通过对M701F3型燃气轮机点火流程的分析，结合现行燃气轮机工业标准要求，提出了燃气轮机点火流程的优化方案。

1点火流程

机组发出正常启动指令后，点火器推入工作位置，主燃料和值班燃料的压力控制阀开启至设定开度，并维持60 s，静态变频器(SFC)带动机组升速至高盘转速(约700 r/min)，机组维持高盘转速对燃气轮机排气通道进行吹扫，吹扫时间从转速高于500 r/min开始计时550 s，计时结束后，燃气轮机开始降速至点火转速约550 r/min，自燃气轮机开始降速起计时90 s后，点火器带电开始点火，同时控制油系统跳闸电磁阀关闭，建立安全油压，安全油压正常后天然气供应系统相关阀门开启，自燃料投入起10 s内检测到火焰，则判断点火成功。

高盘吹扫是燃气轮机点火流程的固有程序，其主要作用是清除燃气轮机排气通道内可能积聚的天然气，以避免由此导致燃气轮机点火时爆燃甚至爆炸。燃气轮机点火时的安全性直接影响机组的安全运行，特别对两班制运行的机组，频繁启停使得该危险性大幅提升，因此预防燃气轮机点火爆燃是点火流程至关重要的一环[1]。

图1为燃气轮机点火时序图。

2防止燃机点火爆燃的措施

为了避免燃气轮机点火时爆燃，保证燃气轮机点火安全，M701F型燃气轮机在设计中主要采取以下三个措施：

(1) 可靠的天然气供应系统。

燃气轮机熄火后及停机期间排气通道内积聚的天然气主要来自天然气供应系统。图2为天然气供应系统流程图。在燃料截止阀后设有燃料放散阀。燃料放散阀在燃气轮机熄火至下次点火期间保持常开，以排空截止阀后管道内的天然气。在燃气轮机熄火降速至500 r/min时，以及燃气轮机启动后，主燃料和值班燃料的压力控制阀都会短时开启一定开度，以排放燃料截止阀后管道内积聚的天然气，这样就基本避免了机组熄火期间天然气经供应系统进入燃气轮机。

(2) 熄火期间排气通道可燃气体的监视。

考虑到天然气供应系统阀门内漏的可能性，以及布置在压气机进气滤附近的天然气系统管道和阀门外漏的天然气也可能会进入燃气轮机，在燃气轮机排气段装设了一套可燃气体浓度检测装置，用于燃气轮机熄火后排气段内可燃气体的监视。当该取样点测得的可燃气体浓度超过25%LEL(爆炸下限)时，发出报警信号，只有执行专门的高盘吹扫程序将报警信号复位后，机组才可以正常启动。

(3) 燃气轮机点火前的高盘吹扫。

采取上述两个措施，基本上可以保证燃气轮机点火前排气通道内不会积聚天然气；但从燃气轮机运行的安全性考虑，在燃气轮机点火前还有一个吹扫过程，通过高盘吹扫将可能积聚的天然气吹扫干净，进一步提高点火的安全性。

3吹扫时间的分析

3.1 吹扫时间的工业标准

关于燃气轮机吹扫时间，目前我国现行的最新标准GB/T 14099.3—2009 《燃气轮机-采购第3部分：设计要求》[2]规定：启动控制系统应提供足够时间用于燃气轮机自动清吹，以确保燃气轮机和下游部件的安全运行。除非国家另有规定，清吹周期通常应在机组点火前至少将(包括烟囱在内的)整个排气系统的空间进行3倍体积的清吹。对于有可替代的预防措施时，可以不需要这样做。对于排气系统容积过大而导致清吹次数过多的情形，有关各方可对减少清吹循环次数协商一致。

国际上现行的最新标准为ISO 21789：2009Gasturbineapplications-Safety[3]。该标准专门针对燃气轮机安全问题，规定燃气轮机启动前的吹扫操作要完成包含烟囱在内的整个排气通道3倍容积的气体置换，并提出应该采用适当的测控装置来度量置换容积和效果，并引入启动闭锁逻辑。

日本标准化协会(JSA)针对燃气轮机工业制定有强制性工业标准JIS B8042Gasturbines-Procurement-Part3:Designrequirements[4]，其中也规定要进行3倍容积的清吹，其表述内容与我国标准基本一致。

3.2 吹扫时间计算

根据杭州锅炉厂提供的数据，机组从燃气轮机排气口起至余热锅炉烟囱出口，包括燃气轮机排气扩压段、进口过渡烟道、进口烟道、锅炉本体、出口烟道、主烟囱的整个烟气通道的总容积为9 300 m3。

另外，测算得燃气轮机在700 r/min的吹扫转速下每分钟的空气体积流量约为4 000 m3。按照标准规定的“机组点火前至少将(包括烟囱在内的)整个排气系统的空间进行3倍体积的清吹”的要求，计算得到吹扫时间约为420 s。

根据M701F燃气轮机控制逻辑，机组吹扫时间为550 s，而根据上述计算，将吹扫时间缩短为420 s即可满足现行通用标准的要求。吹扫时间长虽然能更好地降低爆燃的可能性，但由于SFC带动机组维持高盘转速需要消耗大量的厂用电，且吹扫时间越长，燃气轮机热部件和锅炉受热面的热应力损伤越严重，因此合理设置机组启动过程中的吹扫时间非常必要。

实际上燃气轮机从启动升速起就开始了吹扫，且从高盘降速至发点火指令之间的90 s时间内也在吹扫，将机组控制逻辑设定的吹扫时间由550 s缩短为300 s，基本能满足3倍容积的吹扫要求，兼顾了机组运行安全和经济性。

3.3 吹扫时间缩短的经济性分析

吹扫时间优化后，机组运行的经济性得到了提高：(1)燃气轮机吹扫时间减短，直接缩短了SFC的运行时间，节约了厂用电，全厂3台机组以年启动次数600次测算，每年可节约厂用电费约5万元；(2)燃气轮机吹扫时间越短，燃气轮机热通道部件和余热锅炉各模块快速冷却时间越短，可以减少相关设备的应力损伤，延长它们的使用寿命，同时也减少了设备应力损伤可能引起的设备突发故障；(3)机组启动时间缩减，可以相对增加机组的运行时间，提高单台次启停的发电量，提高机组运行的经济性。

4点火流程的优化

为了保证机组的安全性，对燃气轮机点火流程进行了以下优化：

(1) 完善高盘吹扫逻辑。根据原逻辑，燃气轮机发出启动指令后，若排气段出现可燃气体浓度高报警，将继续执行点火程序，其安全性考虑不够。改进后，燃气轮机高盘吹扫结束前检测到可燃气体浓度达到报警值，将维持高盘转速继续吹扫，直至浓度降至零后再执行降速点火程序。具体逻辑图见图3。

(2) 增加点火失败逻辑。如果由于点火器故障造成燃气轮机点火失败时，必然会有部分天然气排入燃气轮机，因此要求点火失败后，下一次启动时的吹扫时间恢复为550 s。具体逻辑图见图3。

(3) 在燃气轮机排气段原有可燃气体浓度检测装置基础上增加一套可燃气体浓度检测装置，任一装置检测到可燃气体浓度高都将触发高盘吹扫请求，通过冗余配置提高了装置可靠性。改造后的可燃气体检测流程见图4。

5结语

燃气轮机点火的优化方案在确保机组安全性的基础上，降低了机组厂用电率，对机组运行效率产生了积极作用，且设备改造成本非常低。该方案实施一年多以来，很好地满足了机组两班

制运行的实际需求。

参考文献：

[1] 徐刚，张蕴峰. M701F3型C/C机组点火吹扫时间的调整和改进[J]. 东方电气评论,2013,27(2): 58-62.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 14099.3—2009燃气轮机 采购 第3部分：设计要求[S]. 北京：中国标准出版社，2010.

[3] International Organization for Standardization. ISO 21789—2009 Gas turbine applications-Safety[S]. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 2009.

[4] Japanese Standard Association. JIS B8042-3—2007 Gas turbines-Procurement-Part 3: Design requirements[S]. Tokyo, Japan: Japanese Standard Association, 2007.

Analysis and Optimization on the Ignition Process of M701F Gas-Steam Combined Cycle Units

Yan Jindong

(Guangdong Huizhou LNG Power Co., Ltd., Huizhou 516082, Guangdong Province, China)

Abstract：Through analysis on the gas turbine ignition process, safety measures were summarized to prevent M701F unit from deflagration during ignition period, based on which reasonable purging time was determined according to existing gas turbine standards on the premise of considering the unit safety and economy, while an optimization scheme was proposed for the ignition process.

Keywords：gas turbine; ignition; purging time

收稿日期：2015-11-02

作者简介：燕金栋(1982—)，男，工程师，主要从事电厂运行工作。E-mail: yanjindong@126.com

中图分类号：TM611.31

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0194-03