燃机调峰启动的节能优化研究
王雨，刘楠，关跃，杨露笛
（北京京西燃气热电有限公司，北京市，石景山区，100043）
Research on Energy-Saving Optimization of Gas Turbine Peak-Shaving Start-up
WANG Yu,LIU Nan,GUAN Yue,YANG Ludi
(Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co., Ltd.,Beijing,100043)
ABSTRACT : With the continuous access of photovoltaic and wind power to the power grid in recent years, the start-up and shutdown of single gas turbine of two-to-one unit in our plant are more frequent. From 2021 to 2023, the number of start-ups and shutdowns of a single gas turbine of the two-drag-one unit in our plant is 66,61 and 61, respectively, most of which are warm and hot start-ups. Based on the characteristics of gas turbine and the requirements of power grid dispatching, the future operation mode of gas turbine in our factory is still open day and stop at night, so it is inevitable that frequent start-up will occur. When the gas turbine is in normal operation, its economy is good or bad, and the operator can rarely intervene. Therefore, accelerating the start-up speed of the gas turbine, especially shortening the start-up to grid-connected time based on warm and hot start-up, can not only better meet the peak-shaving requirements of the power grid for the combined cycle unit, but also effectively reduce the various energy consumption during start-up. Therefore, accelerating the start-up speed of the unit at warm and hot state is particularly critical for improving the economy of the unit start-up stage. Starting from the analysis of saving natural gas and auxiliary power consumption in the start-up stage of gas turbine, the start-up time of the unit is shortened, and the unnecessary energy consumption during the start-up of the unit is reduced, so as to achieve energy saving and consumption reduction in the whole process of gas turbine start-up peak shaving and improve the economy of the unit.
Key ords : power plant; gas turbine; start-up; energy saving; influencing factors
摘要：随着近几年光伏和风电不断接入电网，我厂二拖一机组单台燃机启、停调峰较为频繁。2021-2023年，我厂二拖一机组单台燃机启、停次数分别为66、61、61次，其中绝大部分为温、热态启动。基于燃气轮机的特点及电网调度的要求，我厂燃气轮机今后的运行方式仍为日开夜停方式，所以必然出现频繁启动的情况。而燃气轮机正常运行时，其经济性的好坏，运行人员很少能干预，因此加快燃气轮机的启动速度，特别是缩短以温、热态启动为主的启动至并网时间，不仅可以更好地满足电网对联合循环机组的调峰要求，而且可以有效降低启动时的各种能源消耗，因而加快机组温、热态启动速度，对于提高机组启动阶段的经济性尤为关键。从燃机启动阶段节约天然气量与厂用电量入手进行分析，缩短机组启动时间，减少机组启动时不必要的能耗，从而达到燃机启动调峰整个过程节能降耗，提高机组经济性。
关键词：发电厂；燃气轮机；启动；节能；影响因素
1 系统介绍
北京京西燃气-蒸汽联合循环热电厂工程建设规模为3台F级燃机组成的1套“二拖一”和1套“一拖一”燃气—蒸汽联合循环发电供热机组。其中二拖一燃机岛主设备为两台SGT5-4000F型燃气轮机及两台QFSN-300-2型氢冷发电机；“二拖一”汽轮发电机组包括一台三压再热两缸两排汽低压缸可解列式汽轮机，汽轮发电机为一台QFSN-300-2型氢冷发电机。三台余热锅炉为无锡华光锅炉股份有限公司制造的三压、无补燃、立式、自然循环余热锅炉。
燃气轮机的工作过程是，压气机（即压缩机）连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转。
由于燃气轮机结构的特点，燃气轮机发电机组具有发电质量高且稳定、启动性能优越、适应性强以及污染物排放显著低于燃煤电厂等特点，使其成为电力领域低碳转型的关键载体。[1]
2 燃气轮机启动阶段节能的必要性
燃气机组相对于燃煤机组运行中的节能手段较少，主要原因在于燃气机组系统简单、辅机设备较少，燃气机组的燃烧、风烟系统与燃煤机组不同，不会被运行人员干预，而且相关辅助系统运行的自动化程度较高，对于运行人员而言，正常运行中燃气机组的节能操作手段较少。下面通过该机组启动过程中一组数据的经济性比较（表中天然气价格及上网电价为举例阶段的成本价格），分析机组的节能方向。
表1 燃气轮机温、热态启动天然气量
Tab.1 Natural gas quantity of gas turbine warm and hot start-up
表2 6kV设备厂用电量
Tab.2 Auxiliary power consumption of 6kV equipment
燃气机组启、停速度快，是电网调峰的主力机型，不可避免地经常被安排启、停调峰运行。由于燃气轮机启动至并网前，发电机并未并网发电，所以此时消耗的天然气视为损耗。从表1、表2数据分析可见，通过缩短燃气轮机启动至并网时间，并且优化大功率厂用电设备的启动时间可以大大减少燃气轮机启动过程中的损耗。所以作为运行部门，我们要采取对策，降低机组启动损失。
3 燃气轮机启动过程分析
燃气轮机的启动过程主要由几个节点组成（如图1所示），可以大致分为三个阶段：燃气轮机启动前做好准备工作；燃气轮机启动升速至定速3000rpm暖机；燃气轮机并网发电；启动结束。
机组启动阶段节能重在节约启动用天然气量与厂用电量，通过燃气轮机和各辅机之间协调控制使运行更平稳，并最大限度地从燃料中提取能量。[2]因此，缩短机组启动时间，减少机组启动不必要的能耗是启动节能的切入点。下面我们来具体针对每个阶段来进行节能分析。
图1 燃机启动过程
Fig.1 Gas turbine start-up procedure
3.1 机组启动前的准备
燃气轮机发出启动指令后，燃气轮机拖动、点火、升速等过程将自动进行，不可中断。根据燃气轮机运行规程，燃气轮机停运后必须进行24小时冷却盘车才可停运盘车，在此期间，燃气轮机可随时启动。由于启动前不涉及天然气消耗，所以此阶段重点分析厂用电量的节省。
此阶段厂用电量主要来源于启动主、辅机设备，如高、中压给水泵、循环水泵、凝结水泵、
凝结水前置泵、真空泵、控制油泵等。其中，高压给水泵（2150kW）、循环水泵（2200kW）、凝结水泵（450kW）属于大功率厂用电设备（6KV等级），它们的启动时间优化是分析的重点。
启动高压给水泵主要用于余热锅炉高压汽包上水，使汽包水位维持在启动水位（-600mm）以上，同时，要保证高压给水泵出口压力至少在3MPa以上，确保高压蒸汽旁路有足够压力的冷却水。由此可以判断，高压给水泵的启动时间主要由启动前的汽包水位来确定。通常启动前高压汽包水位保持在-300mm至-200mm之间为最佳。由于启动前需要对蒸汽管道进行消压疏水，不可避免导致汽包水位的下降，根据统计，高压汽包在启动前的平均水位在-450mm，根据高压给水泵出口最大323t/h的流量来计算，启动前10分钟启动高压给水泵完全可以在节省厂用电的情况下满足启动水位要求。
启动循环水泵主要用于提供给凝汽器足够的循环冷却水量，保证凝汽器真空良好，通常我们选择在启动前15分钟导通凝汽器各个水室，启动循环水泵。然而根据进入凝汽器的蒸汽看，此时并没有新的蒸汽进入凝汽器，所以此时启动属于厂用电损耗。由此判断，当有新蒸汽进入凝汽器，也就是高、中、低压旁路打开时，启动循环水泵更为经济，为保证安全并为操作留出足够的时间，我们选择在旁路开启前10分钟启动循环水泵。根据统计，旁路的开启时间通常为，燃机启动后20分钟，所以在燃机启动升速后10分钟启动循环水泵最为经济。
启动凝结水泵主要用于锅炉上水及给中、低压旁路提供减温水，另外凝汽器疏水扩容器的减温水也由凝结水提供。只要保证凝结水压力不低，满足以上用户的用水需求，就无需启动备用凝结水泵。结合以往操作经验以及数据统计，从燃机启动至并网，一台凝结水泵满足用水需求。而凝结水流量上涨以及凝结水泵出口母管压力下降，一般在燃机启动后20分钟，此时启动备用凝结水泵最为经济。
3.2 燃机启动定速3000rpm暖机
燃机启动、升速、定速3000rpm暖机，产生的高温烟气经过排气扩散段进入余热锅炉，加热各个受热面。此时燃机未并网发电，消耗的天然气视为损耗，如何在保证安全的前提下缩短暖机时间，减少消耗的天然气量是此阶段我们节能分析的重点。
图2 燃机温热态启动曲线
Fig.2 Warm start-up curve of gas turbine
通过燃机温热态启动曲线我们可以看到，如图2所示，单台燃机启动后只需5分钟即可并网发电，可见由于燃气轮机的结构特点，无需过长时间的暖机。而余热锅炉与燃机不同，需要一定暖管时间。因为余热锅炉属于自然循环锅炉，是由于水和蒸汽密度差的不同，才可以建立循环。余热锅炉启动初期，未建立汽水循环，此时蒸发器中是水，通过一定时间的加热，逐渐产生气泡，建立了汽水循环。在此过程中，要经过一个“虚假水位”的阶段，就是由于汽水循环的初期，大量的汽水混合物进入汽包，使得汽包液位产生剧烈的波动。特别是高压汽包液位变化尤其明显（如下图所示）。
图3 燃机启动过程汽包水位变化趋势图
Fig.3 Trend diagram of drum water level change during gas turbine start-up process
根据汽包水位控制要求，锅炉汽包水位不允许过高，以防蒸汽带水进入汽轮机造成水冲击，也不允许过低，以防锅炉受热面无水干烧导致爆管。所以此阶段控制好汽包水位尤其重要。通过机组启动过程反复验证，在燃机3000rpm暖机15分钟后，余热锅炉汽水循环已经建立，汽包液位也趋于平稳，此时并网，安全性较高。
4 优化前后对比
在二拖一机组，以一拖一方式运行启动单台燃机，待启动燃机为温、热态状态下，对燃机启动到并网时间进行优化：优化前，燃机从启动到并网时间为30分钟，经过实验对比，确保水位稳定和设备安全的前提下，将启动到并网时间优化至15分钟，从而减少了燃机空负荷暖机时间所用天然气量468标立方米/分钟*15分钟=7020立方米，非供暖季节燃气价格为2.27元/立方米，单台燃机启动一次可节省15935元，供暖季节燃气价格为2.74元/立方米，单台燃机启动一次可节省19234元。
对夏季循环水泵启动时间进行优化，优化前，在燃机准备阶段，点火前15分钟启动一台大循环水泵，经过多次验证，在保证凝汽器安全前提下，将循泵启动时间改为燃机启动后3000转/分钟定速时，从而节省了20分钟循泵启动所消耗的电量2200kW*1/3h=733kWh，非采暖季上网电价为0.58元/kWh，节省425元；采暖季上网电价为0.67元/kWh，节省491元。
对凝结水泵启动时间进行优化。优化前，在燃机准备阶段，点火前10分钟启动第二台凝结水泵。经过多次验证，在保证安全前提下，将第二台凝结水泵启动时间改为燃机启动后，高、中、低压旁路打开时启动，经过统计为燃机启动后20分钟。从而节省了30分钟凝结水泵启动所消耗的电量450kW*0.5h=225kWh，非采暖季上网电价为0.58元/kWh，节省131元；采暖季上网电价为0.67元/kWh，节省151元。
表3 优化前后对比
Tab.3 Comparison before and after
表4 优化后节约成本
Tab.4 Cost savings after optimization
5 结论
经过缩短燃机启动时间及辅机设备的启动时间大大减少了启动成本，每次启动采暖季可节省19876元/次，非采暖季可节省16491元/次，按照上一年调峰启动70次计算，去年可节省约130万元。
随着绿电进京、天然气价格上涨等多重因素的影响，燃气机组利润呈逐年下滑趋势，且火电在能源供给中的角色从基础性、常规性能源向调峰转变[3]，机组调峰次数日益频繁，此时我们更加体会到了运行的重要意义，更加要求运行人员在节能减排方面深挖潜力，在保证安全前提下，大胆尝试，克服困难。以上，我们有针对性地对启机操作流程进行优化，进而节能降耗，为机组的安全、经济运行提供了有力的技术支持，在运行层面上为公司发展壮大做出应有的贡献。
参考文献
[1] 潘爱西．节能减排背景下燃机发电厂节能技术研究[J]．中国设备工程，2025，(16)232-234．
[2] 李墨延．9E燃气—蒸汽联合循环发电机组节能运行研究[J]．中国设备工程，2024，(24)：74-76．
[3] 钟立勋．燃气发电厂降低运营成本的探索[J]．智能城市，2019，5(20)：113-114．
作者简介：
王雨（1984-），男，工程师，大学本科，主要从事燃气－蒸汽联合循环发电机组发电运行、节能减排降耗。
刘楠（1986-），男，工程师，大学本科，主要从事燃气－蒸汽联合循环发电机组发电运行、节能减排降耗。
关跃（1994-），男，工程师，大学本科，主要从事燃气－蒸汽联合循环发电机组发电运行、节能减排降耗。
杨露笛（2002-），男，大学本科，主要从事燃气－蒸汽联合循环发电机组发电运行、节能减排降耗。
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