关于9E燃气—蒸汽联合循环机组设置烟气挡板的分析

王胜寅

引言

然而在部分燃机联合循环机组中，考虑到发电经济性（联合循环机组的发电比，充分降低发供电油耗），同时为了降低机组的初始投资，在建造机组时不再设置烟气挡板，但这同时也暴露出不少的问题，如：燃机与锅炉汽机由于金属材料存在差异，在启动过程中的金属承受交变应力造成启动速率、加载率不能相互匹配，燃机启动速率得到很大的限制，调峰、调频、应急性能大大降低；在余热锅炉、汽机设备故障时，不能实现單循环和联合循环的切换，燃机运行受到严重影响；机组的使用寿命缩短等方面问题。本文以国网东嘎发电公司9E燃气-蒸汽联合循环机组为例，结合实际运行情况，从经济性、安全性、调峰灵活性以及机组使用寿命等方面着手，针对燃机联合循环机组余热锅炉是否需要配备烟气挡板进行分析及探讨。

一、烟气挡板的结构

目前联合循环机组大多配有旁路烟囱，烟气挡板在燃机排气系统中起到三通转换的作用，当挡板处于关闭位置----通往余热锅炉侧关闭，燃机排气则直接通过旁路烟囱排入大气，此时联合循环机组进行燃机单循环运行；当挡板位置处于全开位置-----通往旁路烟囱侧关闭，燃机排气则进入余热锅炉，对余热锅炉进行加热，实现燃气-蒸汽联合循环机组发电。烟气挡板系统一般有以下主要设备组成：烟气挡板门、密封空气系统、液压油系统、就地PLC控制柜。

1、烟气挡板门。采用中间骨架+双面绝热结构（三明治结构）。每片绝热结构四周都安装有双层柔性金属密封片，当挡板全开或者全关时，双层密封片和壳体上的固定气封座形成一圈封闭的环形空气密封通道，从而起到密封烟气的作用。挡板门采用内保温结构。内衬板采用耐热不锈钢，内衬板的布置必须考虑烟气对保温材料的冲击，杜绝出现烟气吹走保温材料现象的发生。

2、密封空气系统。两台增压风机，正常运行时一台运行，一台备用，入口处设置逆止阀以防止高温烟气回流，安装在管道中的两组电动高温蝶阀可切换系统向旁通侧或锅炉侧送风。此时，空气密封系统可随时使用，连续运行。密封空气根据挡板全开、全关（挡板处于0°或90°）时的位置，通过旁通侧电动阀或是锅炉侧电动阀进行输送密封空气。当挡板全开时，密封空气可以防止高温烟气漏入旁路烟囱，提高烟气的利用率，使机组的整体热效率上升。当需要简单循环时，挡板全关，这时密封空气可以防止高温烟气漏入余热锅炉内，在余热锅炉不运行时，将使受热面超温，造成锅炉空烧，严重时产生爆管。

3、液压油系统。由两台液压油泵、双连杆液压缸、蓄能器、压力开关、温度开关、控制电磁阀等组成。液压泵为高压齿轮泵，两台泵可合并供油，也可单独供油。泵从油箱经吸油滤油器吸油，泵压力油经单向阀、高压滤油器输出两股压力油，一股向系统供油，另一股经单向阀向蓄能器充液。当蓄能器内油压低于压力继电器设定值时，油泵加载充液，当蓄能器内油压充至压力继电器设定值时，油泵卸荷。

4、就地PLC控制柜。可通过PLC上的“控制切换”旋钮选择就地控制或远方控制，若选择远方控制，则由DCS发指令给PLC进行自动控制。若选择就地，则可以在就地进行控制，一般在DCS遥控控制失灵、故障或是进行校验时采用就地控制方式。

二、烟气挡板的作用

1、增加了联合循环装置运行的灵活性。通过旁路挡板的隔离作用，实现燃气轮机独立于余热锅炉系统而单独运行。当燃气轮机运行时，余热锅炉可处于隔离状态。特别适合电网容量小，要求启动速率快，应急响应快的条件下运行。

2、余热锅炉和燃气轮机的协调性能好。燃气轮机从冷态启动到额定负荷只需要10-30min，而余热锅炉和汽轮机的升温、升压和升负荷速度取决于金属允许的热应力，调节烟气挡板开度可以使余热锅炉、汽轮机和燃机很好的匹配，从而解决由于燃气轮机和余热锅炉的特性不同而带来的不协调问题。

3、在负荷急剧变化期间，为了避免余热锅炉超压可用作分流烟气，使余热锅炉快速减负荷。

4、在事故处理中，在汽轮机跳闸或汽轮机甩负荷运行时，烟气挡板的快关功能是实现余热锅炉快速减负荷的最有效手段。

三、无烟气挡板机组的利弊分析

燃机联合循环机组不配备烟气挡板主要是考虑到减少设备的初始投资，并在投产后可以节省一部分挡板的运行维护费用。该联合循环机组的燃气轮机、余热锅炉、汽机三者就是一个整体。在燃机运行时，考虑到余热锅炉不能干烧，所以在正常运行方式时只能以联合循环方式运行。另外无挡板机组在启停过程中，也有相应的要求：启动时，应尽量选择滑参数启动方式；停机时，应尽量采用额定参数停机方式。

西藏东嘎发电公司的燃机机组型号为PG9171E，由于电厂为华润集团援建的旧机组，建成后预留旁路烟囱，但未装设烟气挡板门，通过烟道隔绝板将旁通烟道封堵，从而旁路烟囱不再使用。

目前在运行中暴露出的问题：

1、燃机启动过程中对余热锅炉部件的热冲击。燃机的启动过程要经过点火、暖机、升速等几个阶段，整个过程燃机都是自动控制，这期间燃机的排气温度变化较大，余热锅炉烟气系统的各受热面处于一个交变温度场内，换热管束受到的热冲击很大，对于各部件的使用寿命将产生很大的影响。

燃机在启动过程中排气温度上升很快，从点火到带负荷整个过程一般在30min，高温排气直接对余热锅炉进行加热，而通过调节挡板开度可以控制进入余热锅炉的烟气量，从而有效的控制余热锅炉升温升压率。

2、不利于运行参数的调整。燃机启动至并网一般只需要十几分钟，燃机排气温度阶跃性变化，而在这个过程中，从余热锅炉的安全特性考虑，需要严格控制升压率、升温率及汽包壁温差在允许的范围之内。对于没有烟气挡板的余热锅炉就存在无法人为控制这些参数。同时对于汽包水位的调整也带来一定的难度，启动过程中，由于无挡板，燃机的排气全部用来对炉水的加热，特别对于冷态启动的余热锅炉，未饱和水过快的吸收燃机排气的热量，在到达饱和温度时，容积往往增长过快而导致汽包产生过高的虚假水位，不利于运行人员的控制。

3、机组运行方式单一，不利于事故处理及检修。在余热锅炉发生故障，汽水循环不能建立的情况下，为了防止锅炉干烧，燃气轮机将不得不紧急停止运行，严重缩短其寿命和检修周期。一般情况下，一旦发生跳炉、跳机现象，机组都會保护会动作而联跳燃机。

特殊情况下，当在汽轮机发生故障不能运行时，如果此时余热锅炉汽水循环与汽机真空可以维持的情况下，根据实际工况，燃机虽然可以运行，一般只能维持负荷在40MW左右，蒸汽通过旁路进入凝汽器，但往往会造成凝汽器温度升高，低压轴封温度超限；如果汽机真空无法建立，燃机只能控制在20MW以下负荷，并通过锅炉集汽箱对空排汽，蒸汽大量消耗，对经济性产生重大影响。

东嘎电厂燃机作为华润援建的二次安装机组，锅炉及汽机的故障率较高，人员技能水平相对较差，通过增设烟气挡板门，并重新启用旁通烟道，在余热锅炉或汽轮机发生故障的情况下，保护动作快关烟气挡板门，燃气轮机将可以继续正常运行，机组调峰的负荷率不受影响，并立即开展紧急抢修工作。同时余热锅炉或汽机在大小修期间，燃机仍能作为紧急备用机组，随时可以并网发电，不影响锅炉及汽机的检修。

4、经济性问题。对于频繁启停调峰机组来讲，机组停机后挡板可以有效的隔离燃机和锅炉的热通道。燃机停机后必须进行低速盘车，而盘车过程中将产生大量鼓风，对于无挡板的余热锅炉将加速其炉内的热量损失，使炉内蒸汽的压力和温度快速下降，造成下次启动过程中延迟机组并网时间。以9E配备挡板的联合循环机组为例，停机后到第二天早上启炉，炉膛温度要比无挡板机组高200℃左右，在启炉过程中可以减少20-30min的启动时间。

四、烟气挡板机组的运行方式

烟气旁路挡板一般不作为调节余热锅炉压力和温度的手段，可以通过调节燃机的负荷控制蒸汽温度，而压力一般通过蒸汽旁路来进行调节，只在特殊情况下采取烟气挡板调节。

机组启动时挡板有两种打开方式：一种是先设定余热锅炉挡板全开，再启动燃气轮机，燃机并网后，根据相应的余热锅炉状态（冷、温、热态）设定的燃机的升负荷率，一般在燃机冷态时为防止升温升压率超限，不采取此方式。

另一方式是挡板全关，燃机按单循环方式启动并网后，再启动余热锅炉，根据余热锅炉汽包压力控制挡板开度，分段逐步将挡板打开至100%开度，一般在锅炉热态时采用该方式，以避免燃机启动开机时排气温度过低，对热态余热锅炉炉膛进行冷却，使温度急剧下降。通常该控制方式，可以使燃机和余热锅炉协调性变的更好。在后一种方式中，烟气挡板也可作为余热锅炉启动闭锁保护，即余热锅炉启动条件没达到时，挡板开启闭锁。对于液压控制的烟气挡板通常分为正常关闭和紧急关闭。正常关闭时间一般为60S，而紧急关闭时间为20S—30S。

结论

综上所述，9E燃气-蒸汽联合循环机组配备烟气挡板，将增加机组建设时的初始投资以及平时的运行维护消缺的费用，但从安全、灵活、协调性等方面考虑有着很大优势，特别对于经常启停的调峰机组，总体来说利大于弊。

（作者单位：国网上海电力公司闸北发电厂）