一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置及方法

摘要

本发明涉及一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置及方法，所述装置包括天然气燃料系统、排气烟道；所述天然气燃料系统包含辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀，所述辅助安全截止阀与速度比例截止阀之间连接有第一排空管路并在内设有第一天然气监测探头组；所述速度比例截止阀与燃料控制阀之间连接有第二排空管路并在内设有第二天然气监测探头组；所述排气烟道设有第三天然气监测探头组。所述方法包括分别在第一和第二排空管路内增加天然气监测探头组监测阀门隔离状况及严密性；在排气烟道增加天然气监测探头组验证隔离效果。本发明可以有效缩短燃气‑蒸汽联合循环机组的启动时间，可大幅提升机组的灵活性和经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及燃机控制领域，具体涉及一种维持燃气-蒸汽联合循环机组免清吹信用证装置及方法。

背景技术

燃气轮机联合循环电厂因其高效清洁，启动灵活快速在电力市场中占据着重要地位，尤其在快速启动负荷响应方面有着不可替代的作用。对于使用天然气作为燃料的燃气轮机，因为担心天然气在燃机后的排气烟道内聚集而在机组启动时发生燃烧爆炸的恶性事故，会在燃机启动前进行清吹，清吹为至少五倍容积置换（燃机后至余热锅炉最末级蒸发器），持续时间不少于5分钟，清吹流量不能小于燃机全功率质量流量的8%。

典型的燃机联合循环机组启动步骤分为三个阶段：1、燃机启动阶段，包括燃机启动和并网，冷凝器建立真空，汽机旁路运行；2、联合循环启动阶段，包括汽水化学品质确认，汽机冲转及并网，汽机暖机；3、燃机和汽机带负荷阶段，燃机汽机按升负荷率加负荷。

在不同的温度状态下，典型的燃机启动各阶段所需时间如下：

1、冷启动状态：燃机启动阶段用时20-25min，联合循环启动阶段用时80min，燃机和汽机带负荷阶段用时45min；

2、暖启动状态：燃机启动阶段用时20-25min，联合循环启动阶段用时50min，燃机和汽机带负荷阶段用时45min；

3、热启动状态：燃机启动阶段用时15-20min，联合循环启动阶段用时10min，燃机和汽机带负荷阶段用时20-25min；

目前燃机典型清吹时间从5分钟到18分钟不等，在暖态和热态启动时，燃机清吹延长了燃机启动并网时间的同时，对燃机热端部件产生热冲击，余热锅炉受热面因被清吹空气冷却而使各级蒸汽有更多的凝结水产生，汽水参数降低，余热锅炉和汽机启动和并网时间延长且效率下降。以现有技术中某类型F级燃机电厂机组热启动实测数据为例，燃气轮机轮间盘温度(DCT)230℃、燃气轮机叶片通道温度(BPT)298℃、燃气轮机排气温度(EXT)265℃，300s清吹后DCT 180℃、BPT 130℃、EXT172℃，550s清吹后DCT 177℃、BPT116℃、EXT152°℃, 余热锅炉在启动前、清吹300s后、清吹550s后热通道金属管壁温度变化情况:再热器2入口温度279℃\210℃\173℃;再热器2出口温度280℃\247℃\210℃; 高压过热器2出口温度282℃\263℃\244℃;再热器1号再热出口温度282℃\ 279℃\269℃。

免清吹可以减少清吹时间的厂用电消耗，上述机组启动变频装置SFC的额定功率是6600kVA，辅机设备中最大负荷循环水泵额定功率2200kW。以一次启停减少10分钟清吹时间为例，可以节电1200千瓦时，年启动300次计，节约厂用电36万千瓦时，节省厂用电费超过二十万。

由以上案例可见燃机免清吹可以使暖态和热态启动时机组启动时间明显缩短，节省厂用电，经济性提升显著，燃机热端部件和余热锅炉受热面及汽水循环部件可靠性增加，尤其是对于日启停的调峰机组，因热态启动占绝大多数，受益尤为明显。

伴随着燃气轮机工业的迅速发展，余热锅炉的清吹问题一直在行业内得到广泛讨论，一大部分联合循环供应商和运营商建议取消对日起停联合循环机组的清吹要求。美国国家消防协会余热锅炉技术委员会在2003年首次提出了一个概念：“联合循环免清吹信用证”。NFPA锅炉和燃烧系统危害标准委员会在2006年成立了一个工作组来研究和落实这个概念，为联合循环电厂提供指引来加强快速启动能力。

免清吹信用证的定义：燃机正常停机，机组内不存在可燃气体，不存在发生燃爆的环境，如果停机期间确保可燃气体不会进入燃机内，那么机组下次启动时不需要进行清吹，也就是说具备免清吹信用证。要确保可燃气体不进入机组，要解决的核心问题就在于停机后确保天然气不会通过燃料系统进入燃机，标准给出了方向性的指引：燃料系统满足三阀组双放散配置，采用技术方案确保停机期间气体燃料不会进入机组内，但并没有给出具体可操作的技术方案。

因此，急需找到一种可靠的维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置及方法，保证燃机启动安全性的前提下使得燃机尽可能的免除启动前的清吹。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置及方法，提高燃机联合循环机组的运行灵活性及经济性。

本发明的技术方案为：

一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置，其特征在于，包括天然气燃料系统、排气烟道，所述天然气燃料系统的后方与排气烟道连接；所述排气烟道位于天然气燃料系统的燃气轮机透平出口至余热锅炉过热器入口的位置，具体的，所述天然气燃料系统的燃气进入燃机燃烧做功，做功后的高温烟气通过排气烟道进入余热锅炉。

所述天然气燃料系统包含辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀、阀间管路系统，所述辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀依次布置在天然气燃料系统内，所述阀间管路系统分别设置在辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀两侧；所述燃料控制阀后方连接有燃气轮机。

所述辅助安全截止阀与速度比例截止阀之间连接有第一排空管路，所述第一排空管路上设有第一自动对空排放阀，所述第一排空管路内设有第一天然气监测探头组；

所述速度比例截止阀与燃料控制阀之间连接有第二排空管路，所述第二排空管路上设有第二自动对空排放阀，所述第二排空管路内设有第二天然气监测探头组；

所述排气烟道设有第三天然气监测探头组。

进一步的，所述辅助安全截止阀与速度比例截止阀之间设有第一压力变送器，所述速度比例截止阀与燃料控制阀之间设有第二压力变送器。

进一步的，所述第一天然气监测探头组设置于所述第一自动对空排放阀的后方；所述第二天然气监测探头组设置于所述第二自动对空排放阀的后方。

进一步的，所述第三天然气监测探头组根据排气烟道的几何形状在天然气易聚集区域设置，所述易聚集区域设置包括排气烟道的高处的转角位置、排气烟道存在凹鼓区域。

本发明还提供一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证的方法，其特征在于，包括上述的维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置，包括以下：

S1. 在阀间增加天然气监测探头组监测阀门隔离状况；

S2. 阀门密封检测流程辅助验证阀门严密性；

S3. 在排气烟道增加天然气监测探头组验证隔离效果；

所述方法免清吹有效期不超过8天，超出后需要选择时间进行清吹，重新建立免清吹有效期。

进一步的，所述步骤S1包括：停机时，分别通过第一天然气监测探头组、第二天然气监测探头组检测阀间的天然气浓度；辅助安全截止阀与速度比例截止阀间天然气浓度需低于爆炸下限40%LEL，速度比例截止阀与控制阀间天然气浓度需低于爆炸下限20%LEL。

进一步的，所述步骤S2包括：确立泄漏检测程序并定期执行，在开停机过程中对辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀、第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀进行充气检测，判断阀门密封是否合格。

进一步的，所述步骤S2具体包括速度比例截止阀严密性检测程序和燃料控制阀泄漏检测程序；所述速度比例截止阀严密性实验程序如下：关闭第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀，打开辅助安全截止阀，通过第一压力变送器获得第一级阀间压力P1，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）上升不超过计算设定值（如700 kPa）则速度比例截止阀严密性合格；控制阀严密性实验程序步骤如下：执行速度比例截止阀严密性实验程序，速度比例截止阀打开1S后关闭，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）下降不超过计算设定值（如1000 kPa）则燃料控制阀严密性合格。

需注意的是，本发明中的测试时间以及压力设定值，本领域技术人员可依据具体的天然气燃料系统结合现有技术选择。

进一步的，所述S3中包括：停机时检测天然气浓度，浓度高于爆炸下限20%LEL时闭锁燃机启动。

本发明还提供一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证的方法，其特征在于，包括上述维持燃机联合循环机组免清吹装置，包括以下：

A.停机后，分别连续监测辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀、第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀的阀门位置，如果阀门位置异常，则信用证失效；

B.分别通过第一压力变送器、第二压力变送器连续监测辅助安全截止阀与速度比例截止阀之间、速度比例截止阀与燃料控制阀之间的压力，如果监测到有压力升高，上游天然气进入阀间，信用证失效；

C.监测速比截止阀与控制阀之间的天然气浓度，高于设定值信用证失效；

D.建立阀门泄漏实验程序定期进行试验；

E.在排气烟道增加第三天然气监测探头组监测天然气浓度，高于设定值信用证失效。

进一步的，所述步骤C中，速比截止阀与控制阀之间的天然气浓度设定值为15%-40%LEL。

进一步的，所述步骤E中，天然气浓度设定值为10%-20%LEL；

进一步的，所述步骤D中，所述速度比例截止阀严密性实验程序如下：关闭第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀，打开辅助安全截止阀，通过第一压力变送器获得第一级阀间压力P1，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）上升不超过计算设定值（如700 kPa）则速度比例截止阀严密性合格；控制阀严密性实验程序步骤如下：执行速度比例截止阀严密性实验程序，速度比例截止阀打开1S后关闭，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）下降不超过计算设定值（如1000 kPa）则燃料控制阀严密性合格。

进一步的，所述方法免清吹有效期不超过8天，超出后需要选择时间进行清吹，重新建立信用证。

通过本发明的装置及方法，可以有效缩短燃气-蒸汽联合循环机组的启动时间，可以大幅提升机组的灵活性和经济性。

附图说明

图1为现有技术中燃机清吹系统的结构示意图；

图2为本发明装置天然气燃料系统的结构示意图；

图3为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1

一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置，其特征在于，包括天然气燃料系统10、排气烟道20，所述天然气燃料系统的后方与排气烟道连接；所述排气烟道位于天然气燃料系统的燃气轮机透平出口至余热锅炉30过热器入口的位置。

所述天然气燃料系统包含辅助安全截止阀1、速度比例截止阀2、燃料控制阀3、阀间管路系统4，所述辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀依次布置在天然气燃料系统内，所述阀间管路系统分别设置在辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀两侧；所述燃料控制阀后方连接有燃气轮机9。

所述辅助安全截止阀与速度比例截止阀之间连接有第一排空管路5，所述第一排空管路上设有第一自动对空排放阀51，所述第一排空管路内设有第一天然气监测探头组52；

所述速度比例截止阀与燃料控制阀之间连接有第二排空管路6，所述第二排空管路上设有第二自动对空排放阀61，所述第二排空管路内设有第二天然气监测探头组62；

所述排气烟道20设有第三天然气监测探头组201。

进一步的，所述辅助安全截止阀与速度比例截止阀之间设有第一压力变送器7，所述速度比例截止阀与燃料控制阀之间设有第二压力变送器8。

进一步的，所述第一天然气监测探头组设置于所述第一自动对空排放阀的后方；所述第二天然气监测探头组设置于所述第二自动对空排放阀的后方。

进一步的，所述第三天然气监测探头组根据排气烟道的几何形状在天然气易聚集区域设置，所述易聚集区域设置包括排气烟道的高处的转角位置（未标注）、排气烟道存在凹鼓区域（未标注）。

实施例2

一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证的方法，其特征在于，包括实施例1的维持燃机联合循环机组免清吹信用证装置，包括以下：

S1. 在阀间增加天然气监测探头组监测阀门隔离状况；

S2. 阀门密封检测流程辅助验证阀门严密性；

S3. 在排气烟道增加天然气监测探头组验证隔离效果；

所述方法免清吹有效期不超过8天，超出后需要选择时间进行清吹，重新建立免清吹有效期。

进一步的，所述步骤S1包括：停机时，分别通过第一天然气监测探头组、第二天然气监测探头组检测阀间的天然气浓度；辅助安全截止阀与速度比例截止阀间天然气浓度需低于爆炸下限40%LEL，速度比例截止阀与控制阀间天然气浓度需低于爆炸下限20%LEL。

进一步的，所述步骤S2包括：确立泄漏检测程序并定期执行，在开停机过程中对辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀、第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀进行充气检测，判断阀门密封是否合格。

进一步的，所述步骤S2具体包括速度比例截止阀严密性检测程序和燃料控制阀泄漏检测程序；所述速度比例截止阀严密性实验程序如下：关闭第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀，打开辅助安全截止阀，通过第一压力变送器获得第一级阀间压力P1，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）上升不超过计算设定值（如700 kPa）则速度比例截止阀严密性合格；控制阀严密性实验程序步骤如下：执行速度比例截止阀严密性实验程序，速度比例截止阀打开1S后关闭，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）下降不超过计算设定值（如1000 kPa）则燃料控制阀严密性合格。

进一步的，所述S3中包括：停机时检测天然气浓度，浓度高于爆炸下限20%LEL时闭锁燃机启动。

通过本发明的装置及方法，可以有效缩短燃气-蒸汽联合循环机组的启动时间，可以大幅提升机组的灵活性和经济性。

实施例3

一种维持燃机联合循环机组免清吹信用证的方法，其特征在于，包括上述维持燃机联合循环机组免清吹装置，包括以下：

A.停机后，分别连续监测辅助安全截止阀、速度比例截止阀、燃料控制阀、第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀的阀门位置，如果阀门位置异常，则信用证失效；

B.分别通过第一压力变送器、第二压力变送器连续监测辅助安全截止阀与速度比例截止阀之间、速度比例截止阀与燃料控制阀之间的压力，如果监测到有压力升高，上游天然气进入阀间，信用证失效；

C.监测速比截止阀与控制阀之间的天然气浓度，高于设定值信用证失效；

D.建立阀门泄漏实验程序定期进行试验；

E.在排气烟道增加第三天然气监测探头组监测天然气浓度，高于设定值信用证失效。

进一步的，所述步骤C中，速比截止阀与控制阀之间的天然气浓度设定值为15%-40%LEL。

进一步的，所述步骤E中，天然气浓度设定值为10%-20%LEL；

进一步的，所述步骤D中，所述速度比例截止阀严密性实验程序如下：关闭第一自动对空排放阀、第二自动对空排放阀，打开辅助安全截止阀，通过第一压力变送器获得第一级阀间压力P1，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）上升不超过计算设定值（如700 kPa）则速度比例截止阀严密性合格；控制阀严密性实验程序步骤如下：执行速度比例截止阀严密性实验程序，速度比例截止阀打开1S后关闭，通过第二压力变送器获得第二级阀间压力P2，P2压力给定时间内（如30S）下降不超过计算设定值（如1000 kPa）则燃料控制阀严密性合格。

进一步的，所述方法免清吹有效期不超过8天，超出后需要选择时间进行清吹，重新建立信用证。

通过本发明的装置及方法，可以有效缩短燃气-蒸汽联合循环机组的启动时间，可以大幅提升机组的灵活性和经济性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过本领域任一现有技术实现。