马 涛 于清涛 刘风波
北京太阳宫燃气热电有限公司，北京 100102
摘要：介绍某电厂GE 9F.03型燃机热通道改造为GE更先进的9F.04型燃机热通道，包括改造的主要内容、新增控制模块及控制策略。对改造后的实际运行参数进行对比分析，以及最终从性能试验结果中得出先进热通道技术改造的成果。
关键词：先进热通道技术 冷却风量控制优化（EFM）模块 缸体温度管理（CTM）模块 热耗
1设备概况
某电厂设计为一套780MW级“二拖一”燃气--蒸汽联合循环供热机组。全厂配置为：二台美国GE公司生产PG9351FA燃气轮机、二台燃气轮发电机、二台余热锅炉、一台蒸汽轮机和一台蒸汽轮发电机。燃气轮机燃烧系统由18个低NOx燃烧器（DLN2.6+）组成，NOx排放设计值为15ppm，低负荷能力额定负荷的35%以上时，能够实现环保达标要求，燃机控制系统为MARKVIe,燃烧系统能够实现在线自动调整功能，余热锅炉配有脱销装置，确保排放达标。
2设备存在的主要问题及改造的必要性
某电厂GE 9F.03型燃气轮机，经长期运行后存在以下问题：
（1）热通道部件性能明显下降，导致热耗增加、最大出力降低，无法实现经济性要求。
（2）燃机设计一级动叶通流间隙较大，导致燃机本体效率较低，无法实现目前节能减排经济性要求。
（3）压气机9级和13级抽气冷却燃机热通道运行方式单一，无法实现按需要分配，冷却风量较大，压气机效率较低，机组经济性较差。
（4）固定的燃料分配模式在低温条件下对燃烧的控制能力是有限的。由于燃烧室的限制，机组在低温条件下的基本负荷出力受到限制。
目前，GE燃机9F.04型先进热通道技术，结合增强的冷却和密封以及先进的材料技术，允许机组在提高透平进口初温约50℉时有效运转。连同DLN2.6+燃烧室，基于模型的控制构架和缸体温度管理系统，能够改善机组的出力和热耗，同时延长部件的检修间隔及寿命，并维持先进的排放水平。
3燃机先进热通道（AGP）技术改造
燃机先进热通道（AGP）技术改造主要包括三个部分改造，即燃气轮机热通道部件升级、增加冷却风量控制优化（EFM）模块、增加缸体温度管理（CTM）模块，下面进行逐一介绍具体改造内容。
3.1燃气轮机热通道部件升级
燃机热通道部分将一、二、三级动叶，一、二、三级静叶、一、二、三级护环进行了升级更换，全部更换为GE目前较先进、性能优越、运行寿命较长、材料性能较好的部件，具体特点如表1所示：
表1 9F.04型热通道部件特点
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3.2 冷却风量控制优化（EFM）模块
燃机压气机有9级13级两级抽气，分别为第三级喷嘴、第二级喷嘴的冷却风使用。原设计喷嘴为过量冷却，管路只设置有节流孔板，压气机9级13级抽气大量被浪费，影响燃机整体的经济性。增加冷却风量控制优化（EFM）模块，在9级抽气增加4英寸调阀、13级增加8英寸调阀。通过优化控制冷却风量，提升燃机效率。
EFM是AGP先进热通道不可分割的组成部分，EFM实现用最优的冷却空气量对透平S2N（从压气机第十三级引气）和S3N（从压气机第十二级引气）提供可靠的冷却。EFM冷却空气是保证透平正常运行的必要条件，气冷却气量比9F.03减少的根本原因是AGP S2N/S3N 采用新的Rene108和GTD262镍基合金材料设计优化节约了冷却空气量。
EFM系统控制策略如下：
EFM系统正常时其阀门开度受二级喷嘴冷却风压力与一级透平排气压力的压比和机组燃烧温度基准最小值CRT_MIN控制。安装于9级抽气管道上的两个阀门主要用于对透平3级喷嘴冷却风流量的控制，EFM系统正常时其阀门开度受三级喷嘴冷却风压力与二级透平排气压力的压比和机组燃烧温度基准最小值CRT_MIN控制。当以上参数值都在允许范围内时，抽气阀门在保障机组安全的情况下，使相应的抽气阀门开度维持最小，从而降低9级、13级压气机抽气流量，而提高机组的效率。同时在逻辑上设置了相应的故障保护，当出现相应测量传感器故障，或喷嘴冷却风与相应透平排气压力压比过低时，将会触发相应阀门快开电磁阀失电，相应的阀门会快速打开，从而保障机组在系统改造情况下的安全运行。下图为燃机在157MW负荷下，EFM系统各阀门状态，可以看出压气机9级抽气阀门开度在65%，压气机13级抽气阀门开度在57%，透平冷却空气用量减少明显。
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图1 燃机EFM监控画面
3.3缸体温度管理（CTM）模块
CTM缸体温度管理模块可提升燃机透平的性能，该模块的基础为AGP升级的一级动叶和喷涂了可摩擦涂层的一级护环，动叶叶顶和护环顶部在运行状态下允许少量剐蹭，进一步减小通流间隙。CTM缸体温度管理模块原理为：在透平缸一级护环对应位置开孔，并加装“护环装甲”，通过冷却风机直吹“护环装甲”，间接对第一级透平缸体的温度进行控制，通过热胀冷缩原理缩小动叶尖端与护环的通流间隙，降低流经动叶片尖端的烟气漏量，提升燃机性能。除了减小叶尖间隙，CTM还可以降低透平在运行时的不圆度，进一步提升透平效率。
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图2 燃机CTM监控画面
CTM模块控制策略如下：
冷却风调阀开度由安装在缸体上的16只缸体温度热电偶的温差决定，其中TTTC3\TTTC6\TTTC11\TTTC14为插深短的热电偶，其余热电偶为插深长的热电偶，将长的热电偶与短的热电偶按其安装位置分成4组，分别计算每组内的短的热电偶与三只长的热电偶中值之差作为控制基准。CTM系统正常投入时，非BASELOAD工况下CTM风机出口流量调阀要保证四组内长短热电偶所测量的温差的中值控制在125℉，四组内长短热电偶所测量的最大温差控制在145℉,在BASELOAD工况下CTM风机出口流量调阀要保证四组内长短热电偶所测量的温差中值控制在140℉，四组长短热电偶所测量的最大温差控制在145℉。CTM风机出口流量调阀最小开度为18%，最大开度为25%。当缸体温度测量计算温差在允许边界内时，CTM风机出口流量调阀保持最大25%开度。以保证机组透平动静叶之间的间隙控制在最小以保证机组的运行效率。CTM增加约+0.2%出力，降低0.2%热耗。AGP升级后的燃机第一级动叶叶尖冷态间隙将会减小。透平的第一级护环采用了可磨损涂层（厚度大约：1.65mm），以保护第一级动叶的叶尖。
4燃机AGP改造后性能效果分析
4.1燃机启动后实际参数对比分析
改造前、后燃机启动时间基本相同，在30分钟左右，3000rpm全速空载时燃机排气温度420℃左右。不同之处主要体现在：
1）清吹转速由原来的698rpm改为714rpm。IGV最小全速角度由47.5°减小为41.5°，全速空载时天然气流量明显降低，对应的燃机排气流量也比改造前降低明显，由4.7 kg/s降至4.4kg/s，在效率提升方面表现明显。
2）排气中NOx含量有所降低，由59 mg/m3降至53mg/m3。
3）通过AGP先进热通道改造，燃气轮机的透平初温得以提升，由改造前的1327℃提升至1354.4℃。
表2 改造前后全速空载时参数对比表
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对改造前后各负荷下燃烧参数数据进行采集、统计绘制成下图3、4、5，由图可以看出：
1）各负荷点天然气流量明显降低。
2）对应的SRV（速比阀）/GCV（燃料气控制阀）开度均减小。
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由图6、7所示，改造前后机组实际运行参数曲线可以看出，改造后的燃机在排放的NOx有了明显的下降，通过加氨处理后达到改造前同样的排放含量时，所使用的氨液的流也明显减少，降低了运行成本。
4.2燃机AGP改造后成果
技术改造后燃机性能得到较大提升，单台燃机基本负荷能力由255MW提升至279MW，基本负荷出力提升9.78%,热耗降低3.33%；200MW时热耗降低3.22%；150MW时热耗降低2.59%(如表)，达到技术协议要求规定的（基本负荷出力提升8.19%,热耗降低2.07%,200MW时热耗降低1.49%，150MW时热耗降低1.26%），达到预期效果。AGP改造后中修时间由24000小时提升至32000小时，维修成本降低50%，提高了机组的稳定性和经济性。
单台燃机具有更好燃料适应性，韦伯指数由±5%MWI提升至±10%MWI，低负荷运行能力更强，最低负荷由60%降低至35%。采用自动燃烧调整（Autotune）应用技术，降低了NOx排放，由27ppm降低至19ppm，再经余热脱硝后排放到大气中的NOX的浓度最终下降至4ppm，远低于现行北京市环保排放标准（30mg/m3）50%以下。
改造后燃机燃烧脉动最大为1.31PSI，远小于报警值。改造后其排烟扩散度较小，在基本负荷时最大为36°F,最小为32°F，远小于允许温度163°F。改造后基本负荷时，机组最大瓦振0.1 inch/s，远小于报警值0.5 inch/s，轴振最大为2.08mils，远小于报警值5.9mils
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按照改造前的数据，按上一年的单台燃机发电量（9.44亿kWh），可计算出节能量：
节能量 = #1燃机发电量×（改造前#1燃机热耗 - 改造后#1燃机热耗）÷标煤热值= 9.44×108×（10272-9941）÷29307÷1000=10661.7（吨标煤）
单台燃机年节能量约为1万吨标煤。
AGP改造后，燃机基本负荷工况下联合循环机组的发电功率变化如表4所示。改造后，联合循环机组的发电功率增加较为显著，机组的整体经济性有较大幅度提高。
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5 结论
实施燃气轮机AGP改造，不仅能够提高燃气轮机及其联合循环机组的热力性能，还可延长燃气轮机热通道部件的检修周期，从而减少后期维护费用。AGP改造后，冬季、年平均、夏季等典型纯凝基本负荷工况下联合循环机组发电出力提高19~60MW (其中单台燃机出力提高 10~23MW)，联合循环机组发电热耗率下降77~116kJ/kWh，热经济性提高显著。
参考文献：
[1] 燃机先进热通道（AGP）技术改造可研性分析报告
[2] 燃机先进热通道（AGP）技术改造前后性能试验报告
作者简介：马涛（1982-- ），男，工程师，北京太阳宫燃气热电有限公司，燃机集控运行。