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    • 9F燃气-蒸汽联合循环电厂节能降噪技术的研究与应用

        摘要:

        某大型燃气电厂在建设初期提前考虑节能降噪工作,通过技术创新与应用大幅降低生产能耗,总平面优化布置,运用降噪措施与厂区绿化有机结合,取得预期效果,并在全国电力行业燃气发电机组2019年度能效水平对标中两台机组获得5A、4A的全国第一、第二排名。

        前言

        燃气-蒸汽联合循环发电属于清洁高效发电技术,已被广泛应用。该技术具有发电净效率较高、机组经济性能好、机组启停响应快、超洁净环保排放、占地面积小、建设周期短等特点,通过突破典型设计,创新节能环保技术,使其更节能、更环保,固有特点更优越。在农村设置电源点,对设计总平面的布置提出了更高的要求,控制噪声污染是一个难题。天然气清洁利用,因为气价高,节能降耗成为研究的主要方向和重点任务。因此,节能降耗技术创新应用和治理降噪措施应用是燃机电厂推广应用的必要条件。本文重点介绍新建大型燃气电厂在设计总平面布置、设备选型、系统优化和节能降噪等方面的大量研究和应用,经建设、机组试运投产及生产运行的检验,取得成效并具有推广价值。

        某大型燃气电厂建设2×424MW(F)燃气-蒸汽联合循环机组(以下简称“A电厂”),于2011年启动创新技术课题研究并得到了上海市科委的经费资助,于2012年开始实施及应用。因天然气越长江管线工程规划与建设的影响,机组于2018年3月具备整套启动调试条件,两台机组分别于2018年4月和5月完成168h满负荷试运考核全面建成投产。项目建设初期的创新技术课题研究,以建设“生态电厂、高效电厂”为目标,打破常规,积极创新与实践。在节能降耗、环保减排、机组技经指标等方面取得成效,对同类电厂的建设起到一定的示范作用,在全国电力行业燃气发电机组2019年度能效水平对标中两台机组获得5A、4A的全国第一、第二排名。

        1经济节能及创新技术的运用

        在机组运行经济性、节能减排方面,A电厂在建设初期主要从机组启停性能优化、采用电动机调速技术、增设性能加热器、创新采用启动锅炉炉底推动技术和主厂房采光带技术等方面进行研究。

        1.1电动机调速技术

        大型电动机调速节能技术已发展成为电力行业具有代表性的节能技术。该技术主要运用转速同功率存在固定数学对应关系,即输入功率同转速的三次方成正比的技术原理,通过加装合适的变速电机或变速联轴器控制输出功率,避免大马拉小车的现象,从而降低能耗。

        1.1.1给水泵的液力耦合器技术

        液力耦合器作为主流变速联轴器技术,具有无级变速、工作平稳、空载启动、隔离振动、过载保护、无机械磨损、便于控制、节能效果显著等优点。该技术特点通常匹配给水泵的运行工况,多用于给水泵。

        A电厂选用KSB厂提供的卧式、多级式离心泵。给水泵设中间抽头,电动机为ABB电机,额定电压6kV,额定电流232A,额定功率2100kW,为全封闭水-空冷却方式,卧式布置。所配液力偶合器为福伊特产品,采用整体集装式箱体结构,液力偶合器将偶合器的主体部分和一对变速齿轮(主油泵驱动齿轮),工作油、润滑油油管路合并在一个箱体中。

        根据A电厂典型两班制运行方式可将燃机一天的运行情况分为启动阶段、运行阶段和停机阶段。启动阶段,给水泵出口流量较小,电机平均电流在80A左右。运行阶段,给水泵随负荷波动调整,在平均70%的负荷下,平均电流在150A。停机阶段,给水泵的电机平均电流在100A左右。

        经计算,全天耗电量较定速泵节约1.44万kWh(运行阶段时长按15h估算)。机组投产至2019年5月共计启动280台次,按此计算,年节电量约400万kWh。

        1.1.2循环水泵的变频技术

        变速电机调节主要有变极调速和变频调速两种。相比变极调速,变频调速优点更为突出,主要有调速效率高、调速范围宽、安全性能高等优点。该技术一般用于电厂循环水泵(以下简称“循泵”)。

        变频器主要由整流器、平波回路和逆变器组成。工作时,控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电,实现把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源。

        A电厂的循环水系统采用江(海)水直流一次循环的供、排水系统。循泵选配立式、可抽芯、湿坑式混流泵。每台循泵容量按50%最大设计水量考虑,2台机组共选用4台循泵。循泵主要参数:Q=3.5m3/s,H=20.2m,η≥86%;电动机容量为960kW/6kV,额定转速495r/min,其中循泵2B为变频泵。

        循泵的运行方式同机组运行模式密切相关。与燃煤机组不同,燃机作为两班制调峰机组,机组昼启夜停。白天正常运行发电时,循泵处于额定工况运行,电动机频率同工频,变频器不起作用。夜间停运时,为确保厂内闭冷水温度控制在一定温度以下(一般不超过30℃),开式水必须保持一定的流量与闭冷水进行热交换。经试验验证,该工况下变频循泵电机的频率应维持在30Hz运行。循泵在燃机运行发电时,始终处于50Hz工频运行(8:00-22:00),停机至次日开机前,循泵降频至30Hz运行(22:00-次日8:00)。

        根据运行工况计算,在日平均气温低于12℃时,停机后的闭式水回水温度可在不经开式水换热的情况下自行控制在30℃,此时循泵停运。该时长约占全年的三分之一(2018年11月-2019年4月)。按此估算,变频循泵低频运行一年总时长3224h。在电机频率30Hz运行时,消耗电功率为207kW,合计全年变频循泵节电量为243万kWh。

        1.2机组经济启停性能优化

        相比于煤电机组,A电厂日夜调峰的运行方式,机组启停耗能占整个机组运行经济性的较大比重。如何更快地启停机组,缩短启停时间成为燃机研究的重要课题。

        为确保机组长期安全、稳定运行,各高温高压金属设备有明确的升温限制。燃机启动尤其是冷态启动时,启动速度受到严格控制。A电厂在设计改进时充分研究典型燃机升速受限关键工艺,经设计优化,改善了机组运行特性,并通过热工逻辑调整固化机组运行启动模式,提高了机组运行经济性和安全性。

        为验证优化前后的节能效果,在机组投运后进行了数据采集和分析。主要的数据采集对象为启动时间、天然气消耗量。经过机组冷态启动前后试验数据对比,优化后的冷态启动时间较优化前缩短近0.5h,减少天然气耗气量1.9万Nm3,减少厂用电0.165万kWh。

        经过机组热态启动前后试验数据对比,优化后冷态启动时间较优化前缩短14min,减少天然气耗气量0.95万Nm3,厂用电减少0.08万kWh。

        机组自投产至2019年5月,共计启动280台次(其中冷态启动48次,温态启动8次,热态启动224次),为便于计算,将温态启动次数按冷态同热态启动次数之比(接近1∶5)进行估算,每年节约天然气约310万Nm3,节省厂用电约26万kWh。

        1.3性能加热器技术

        电厂常规设计时,考虑为全厂辅助设备提供不间断冷却水,设有一套厂内闭式循环水系统。通常,闭式水在不断循环过程中温度不断升高,这部分热量会由开式循环水换热后带走。基于此,A电厂在闭式水系统中优化设计增加一套性能加热器,利用闭冷水回水加热天然气,实现废热回收,提高机组效率。

        该性能加热器安装在燃机前置模块处,布置于燃机前置模块前。加热水源取自机组闭冷水泵出口,通过在闭冷水泵与闭冷器之间增加抽头获取,经换热冷却后的闭冷水回到闭冷器出口。换热器采用双层管式设计,配有天然气泄漏检测装置,大幅提高系统安全性。

        理论上,设计天然气温度从15℃加热到35℃,额定工况下,联合循环机组整体效率约提升了0.0534%,小时节约天然气量约70Nm3。

        天然气性能加热器换热效果较设计出色,换热效率高,但受天然气进口温度和负荷波动影响,实际天然气平均温升约16℃,联合循环热效率提升量略低于理论设计值,不同负荷下平均小时节约天然气量55Nm3。

        机组自投产至2019年5月,启动280台次,日均开机时间15h,合计年节约天然气23.1万Nm3。

        1.4启动锅炉炉底推动技术

        A电厂周边没有启动所需的辅助蒸汽来源,设计时选型配置两台(一用一备)燃气启动锅炉。启动锅炉额定出口参数为蒸汽流量10t/h,温度300℃,压力0.8Mpa。启动锅炉自带间歇性点火保温功能,保证机组正常运行时,锅炉本体金属壁温处于热态(不低于某压力下的饱和温度),实现在短时间(常规为5min)内点火生成额定参数的辅助蒸汽,从而保障机组运行安全。

        若按该运行方式长期运行,会给电厂带来一系列负面影响:增加生产成本、缩短锅炉使用寿命,增加检修维护成本。为有效解决此问题,基建初设时参考大型燃煤锅炉利用邻炉加热方法,设想从辅助蒸汽母管引一路至启动锅炉下联箱,通过余热锅炉产生的少量低品质蒸汽推动启动锅炉内的工质流动,在不点火耗能的情况下实现保温保压,降低运行成本。

        通过试验分析比较(保温保压设定参数为压力0.3MPa,温度145℃),自带间歇性点火模式下,单次点火后压力和温度参数随时间持续下降,而采用炉底推动技术后,汽包压力在冬季和夏季均可维持在0.3MPa,温度维持在144℃左右,保温保压效果更佳。在保温保压状态下需要启动锅炉产汽时,间歇性点火模式由于初参数偏低,所消耗的天然气量远比炉底推动高,更为重要的是,炉底推动下点火产汽速度更快,更有利于机组运行安全。

        启动锅炉间歇性点火保温保压时,每次消耗天然气40Nm3,冬季单次间歇性保温保压点火耗时15min,间隔4.5h后,启动锅炉再次点火启动。夏季工况时,单次间歇性保温保压点火耗时约15min,间隔时间拉长至6h。

        综合夏、冬两季工况,采用炉底推动模式平均每小时节省天然气7.95Nm3。按全年机组启动280台次,单次启动锅炉炉底推动保温保压15h计算,年节省天然气3.3万Nm3。

        1.5主厂房采光带布置

        A电厂在主厂房设计时,充分考虑增加主厂房的自然采光功能,同时兼顾外立面美观效果,有效降低噪声外传,将常规设计中主厂房的前端和侧面的固定窗户全部取消,取而代之的是在主厂房屋顶上创新采用采光带布置,满足晴天时在不打开室内照明的情况下,主厂房室内照度能够满足日常设备巡检需要,从而减少厂用电,降低厂用电率。

        燃机主厂房纵向长53.3m,横向总宽度为51m,高低跨布置,其中主机房宽29m,钢结构,彩板围护。顶部设计7条700mm×28650mm实耐FRP采光带,单个主厂房采光面积达140m2,约为同类型电厂采光面积的3倍,采光率约为同类型电厂的2.2倍。

        材料FRP有极为突出的物理性能,抗拉强度大、抗风压性能好、抗变形能力强、板抗裂能力强、FRP采光板抗老化、风化性能强、有很强的耐腐蚀性。按照常规设计,主厂房照明总功率约为9kW,根据不同天气下的光照强度核算节电效果(晴天节电100%,阴天节电50%,雨雪天0,每天有效光照时间按8h计算),根据核算年节电量约为1.44万kWh。

        2生态环保的措施

        在生态环保方面,A电厂在严格做好烟气污染物外排控制的同时,将厂区噪声综合治理和提高厂区绿化率作为又一项重要工作,使电厂充分融入周边环境,符合当地环保发展理念,建设成为一座“生态电厂”。

        2.1噪声综合治理

        A电厂地处偏僻农庄,周边居住大量农户,附近区域无其它工业,对噪声控制要求很高,环评批复要求达到功能区三类,敏感点一类。为确保电厂建成后噪声达标,基建设计提出的厂界噪声控制目标为功能区一类,即昼间55dB(A),夜间45dB(A)。

        理论上,控制厂界噪声有效方法可归类为防止噪声产生和阻断传播两种途径。结合设备对燃气电厂声源区域进行划分,通过对燃气电厂中各功能区域的划分,将各功能系统作为独立的又相互影响的噪声区域进行预分析评价,即将燃气发电厂分成主厂房(燃机、汽机)区域、余热锅炉区域、循环冷却水(循环泵)区域、燃气调压区域、变压器区域、化学水处理车间等6个噪声区域。

        A电厂噪声控制从厂区总平面布置开始,合理的厂区建筑物的规划,可以大幅减少投产后噪声治理的工作量。在设计阶段合理设置总体工艺布局,有效降低噪声源对厂界和敏感点的影响。在满足工艺要求的前提下,总体布局满足高噪声源设备布置在厂区中心,远离敏感点。同时,低噪声值的高大建筑设置在靠近厂界处,使厂界处于其声影区内。按此原则,轴系主设备(余热锅炉-燃机-发电机-蒸汽轮机)布置平行于长江岸线,将高噪声源循泵、综合泵房、雨水泵房布置于厂区南侧,给水泵布置在余热锅炉内侧。

        全厂设备优化布置后,为确保厂界噪声达标,经噪声治理公司进行模拟噪声理论测试,增加各种降噪措施,具体措施如下:

        1)主设备燃机、汽机外部加装独立罩壳,并同凝结水泵等主要噪声源布置于主厂房内,主厂房墙体加装吸音棉。

        2)将给水泵、除氧水泵、凝结水再循环泵集中布置于给水房内,墙内加装吸音材料,门窗具有隔音功能。

        3)设有启动锅炉房和空压机房,将启动锅炉鼓风机和空压机改为室内布置。

        4)设有综合水泵房,将工业水泵、消防水泵等外围泵集中布置。

        5)在#2余热锅炉北侧建造长50m、高40m的隔音墙。

        经厂界在线实时噪声实测,电厂厂界噪声值低于功能区一类标准值,证明通过对总平面优化、建筑结构布局调整以及阻断噪声等降噪措施后,在两台机组同时运行时,厂界噪声被控制在一类声功能区的数值范围内,噪声综合治理效果显著。

        2.2绿化设计

        A电厂位于生态岛,设计之初定位生态电厂,将厂区绿化布置作为一项工作重点。绿化设计时,为提高厂区的绿化覆盖率,围绕厂区建筑与主厂房精心布局。

        1)相似功能区合并。将生活水泵、化学水泵、工业水泵、消防水泵集中布置,不同功能隔墙分割,组成综合水泵房。

        2)工艺管线布置需要合并。如启动锅炉房与空压机房合并,化水车间、化水办公楼合并,整体形成凹字形。

        3)相同附属设备合并,如同为余热锅炉本体附属设备,将给水泵房、脱硝预留设备房间和CEMS房合并。

        4)综合管架管线简单明了,清晰紧凑,所有辅助蒸汽管道、工业水管、废水管等室外长距离管道和电缆桥架全部集中分层布置于全厂唯一管架之上。管架之下种植植被,增加绿化面积。

        主厂房是厂区的主体建筑,体量大,造型独特,其扩建端以绚丽多姿的观赏植物为主,辅以大面积草坪。工艺模块通过合理的布置,在两台余热锅炉间规划了约400m2的中心绿地,与其西侧化水车间前约1100m2的绿地组合成品字形绿化带,成为生产区域的绿化重点景观。生产区域以常绿草坪为主。优化之后绿化面积为43000m2,绿化率达到45%,远高出设计目标的20%。

        3结论

        本文通过多种节能降噪创新技术的研究与应用,特别首创采用性能加热器、启动锅炉炉底推动保温保压和采光带等创新技术,机组经济性、节能效果初现成效。机组投产后一年时间,虽然两台机组启停次数有230多次之多(参与日调峰),其综合厂用电率仅为1.89%,折算供电煤耗217g/kWh。与常规设计相比,经机组投产后实际运行工况的数据统计分析,年节电量约670万kWh,节省天然气336万Nm3,大幅减少生产成本,提高了机组运行经济性。经过两年运行,机组各项技术经济指标均达到优秀水平,在2019年全国电力行业燃气发电机组能效水平对标结果评比中,两台机组均处于前列,分别达到400MW~480MW“F”级改进型纯凝机组5A和4A的全国第一、第二排名。

        在生态环保方面,立足“生态环保电厂”定位,在建设初期进行总平面合理规划,辅以全方位的降噪措施,实现厂界噪声达到声功能区Ⅰ类标准,厂区绿化面积和覆盖率超过同类电厂,基本实现“生态电厂、高效电厂”的建设目标。该电厂的成功建设和高效运行,为今后同类电厂的建设提供成功范例。

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