专家面对面 | 9F/9E机组增强部分负荷运行能力的解决方案

北极星火力发电网讯:随着中国经济的高速发展，大城市和负荷中心地区的电网昼夜负荷峰谷差越来越大。燃气联合循环机组利用自身高效率、低污染、启停灵活、运行自动化程度高等优点，成为电网调峰机组的首选，对稳定电网负荷，保障能源安全，治理大气污染具有重要的意义。如今，越来越多的燃气电厂参与了调峰，或正在考虑进行相应的改造，使其具备调峰的能力。

（来源：微信公众号“GE发电”  ID：GE_PowerGen_China）

担当调峰重任的电厂需要平衡高峰和低谷期的用电供需波动，调峰电厂基本上都是常年处于部分负荷运行，这样才可以在需要调峰时，快速升负荷；不需要调峰时，在最低负荷运行。

燃气轮机的优点之一就是调峰性能好，调峰速度快，主要体现在燃气轮机的快速启动和燃机机组的低负荷运行深度调峰运行两个方面。

要做到这一点，并不简单。由于燃机在最初设计的时候，都是根据其常年在基本负荷下全天候运转设计的。一般来说，它们在高负荷运行，或者连续供电数天的情况下，都能提供比较好的燃料经济性和实现较低的排放。然而，当燃机在较低负荷下运行时，就偏离了最初的设计，带来的一系列问题包括：1. 经济性差——燃机效率低；2. 环保情况可能变坏——部分可能造成排放高以及黄烟问题，这是由燃烧模式和切换点以及燃烧特性决定的。

从经济性上考虑，为了实现更好的经济性，燃气电厂就需要提升机组部分载荷效率，节省燃料成本。这一点，我们在上一期的专家面对面“提升机组部分载荷效率，每年节约数百万元燃料”如何实现？文章中有过介绍。

这一期的专家面对面，我们请到了GE天然气发电服务应用工程师王井然，从环保效益的角度上探讨一下，为了满足日益严格的排放标准，燃气电厂如何让机组在满足排放的前提下，有一个比较理想的最低负荷。

大九：为什么在部分负荷工况下，燃机的排放会更高？

王井然：原因一方面是燃机低负荷模式下燃气燃烧模式以扩散燃烧为主，就是燃气在一个地方集中喷射燃烧，火焰中心温度高，导致局部区域温度过高。空气中的氮气与氧气容易生成NOx。

大九：GE针对9E机组增强部分负荷运行能力的解决方案是怎样的？基本原理是怎样的？需要的维修周期分别是多长？

王井然：对于9F燃机，在改进成DLN2.6+后，使用软件AutoTune DX，以及Extended Turndown，就可以使燃机在35%部分负荷下达到排放<30mg/Nm3的要求。

针对9E燃机，我们有9E后部注入式分级燃烧解决方案（9E Later Lean Injection）。针对9F燃机，我们有9F机组增强部分负荷运行能力的解决方案。

针对9E燃机，如果想要增强部分负荷运行能力，需要对气体燃料模块增加独立的燃料回路。这个改造，我们称其为DLNTurndown Enhance（增强机组部分负荷运行能力）。具体的原理如下：

1. 为DLN燃烧室附加燃料总管（左图为DLN燃烧室，右图为附加的燃料总管）；

2. 加装燃料回路的附加控制阀；

3. 增加新的连接软管，将燃料从总环管输送到燃烧室外缸贯穿件——每一燃烧室对应一个外缸贯穿件；

4. 将HLPT（高负荷预混自动恢复）整合到9E DLN1.0 Turndown Enhance（增强机组部分负荷运行能力）软件中。这是一款控制方案，它减轻了一区再点火和扩展贫—贫模式的影响。在上述预混切换点，HLPT将以超过切换点的任何负荷切换回预混模式；

5. 除了以上硬件上的改造，通过采用最新的修正参数控制，测量传统噪音参数（如湿度）和将控制边界分离成四个单独的控制算法，可以更加严格地控制燃机操作，实现更好的效果。修正参数控制CPC是一种稳健型燃机控制方法，来自DLN1.0+燃烧室方案。

大九：9E机组增强部分负荷运行能力改造的优势是什么？

王井然：第一个优势是改造幅度小。主要是针对原有燃烧室的改造。在改造中，新增加的燃烧室后部注入式喷油器是圆环状构造，将总燃料的一部分直接喷射到过渡段头端区域（典型喷射器如图1所示）。喷射器最深处的内壁有泪状小孔，燃料通过此小孔交叉流动，注入空气流以提高燃烧区的燃油空气混合（如图2）。每一过渡段都有三个喷射器通过厚壁管相互连接形成多支管。三个喷射器和多支管焊接在一起形成所谓的耳机（如图3）。除增加新喷油器和头端的多支管外，解决方案还增加了4个新的稀释孔，进一步增强效果。

第二个优势是可以延长燃烧室的检修间隔。如果是原机旧件，那么，维护周期不受影响，如果采用全新件，燃烧室检修间隔可按相应规范延长到32000小时。

大九：您能否举例介绍一下9E机组增强部分负荷运行能力改造的成功案例？

王井然：2017年12月，湖北华电武昌热电有限公司与GE携手顺利完成了亚洲第一例9E.03增强机组部分负荷运行能力改造，机组在27%负荷条件下仍然保持合规氮氧化物排放（NOx <=15ppm @15% O2）。从此，在启动或低载荷状态下，电厂不会再发生黄烟现象。改造成功不仅让电厂在环境绩效方面取得了新高，每年也可节省少量的燃料费用。为武汉三镇居民带来了“高楼大厦之间的清洁电厂”。相较于传统液氨处理方法，电厂也不需要单独建立液氨存储与处理设施，也不需要持续不断的投入。

大九：GE针对9F机组增强部分负荷运行能力的解决方案是怎样的？基本原理是怎样的？需要的维修周期分别是多长？

王井然：对于9F客户，没有专门的增强部分负荷运行能力改造。但对于9F DLN2.6+客户来说，在安装了Extended Turndown软件之后，会在35%燃机部分负荷时达到排放要求。

大九：安装了Extended Turndown软件可以为用户带来哪些优势？

王井然：这可以带来更低的燃料消耗和更低的CO2排放、避免停机和起机的支出、扩展了低排放运行的范围：在35%负荷，获得30mg/Nm3NOx和CO排放。按照不同的燃机类型在低负荷下排放的要求，GE可以制定和提供相应的燃机升级方案，在特定现场，有可能获得更多的降负荷运行能力。

大九：您能否举例介绍一下相关的成功案例？

王井然：国内大部分已经进行DLN2.0+升级到DLN2.6+的客户，如半山一期、镇海一期、余姚、晋江、珠江等客户都具有这项功能，并实现了预期的效果。