燃機燃燒器升級優(yōu)化改造項目可行性研究報告

燃氣熱電有限公司技術(shù)改造項目可行性研究報告項目名稱：9F級燃氣輪機燃燒器升級技術(shù)改造建設(shè)單位：燃氣熱電有限公司批準：審核：編制：二零一八年八月

技術(shù)改造項目可行性研究報告工程名稱9F級燃氣輪機燃燒器升級技術(shù)改造項目負責部門設(shè)備管理部項目負責人發(fā)電公司燃氣熱電有限公司一、項目概況及改造的必要性1設(shè)備現(xiàn)狀概況燃氣熱電有限公司建設(shè)為3臺西門子SGT5-4000F(+)型燃氣輪機組成的“二拖一”“一拖一”熱電聯(lián)產(chǎn)機組。2016年10月，熱電#5燃機因排氣冷熱點偏差大及NOx排放高的原因?qū)?4個值班燃燒器及預(yù)混燃燒器進行了清洗消除冷熱點偏差，預(yù)混燃燒器進行9孔改8孔工作以降低出口NOx排放。清洗及9孔改8孔前，#5燃機EOH小時數(shù)累計為12776.72h，啟動次數(shù)為44次。2017年10月，#5燃機小修期間對燃燒器堵塞情況進行內(nèi)窺鏡抽查工作，檢查發(fā)現(xiàn)在預(yù)混燃燒器的燃料通道內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量腐蝕物，部分腐蝕物堵住了預(yù)混燃料孔，導(dǎo)致在運行過程中，燃燒室內(nèi)溫度場不均勻。此時燃機累計等效運行時間為19564EOH，啟動次數(shù)56次，此時距上次清洗間隔時間為6787EOH。2018年8月2日，#5燃機啟動過程中燃機負荷84MW升負荷過程中熱點偏差達到了70.37°，冷點偏差到了50.83°燃機保護跳機。此時燃機累計等效運行時間為25882.32EOH，啟動次數(shù)65次，此時距上次清洗間隔時間為13105.6EOH。熱電燃機燃燒器冷熱點問題主要為燃機燃燒器腐蝕物造成的堵塞，按照西門子公司對腐蝕物的研究結(jié)果表示，認為燃機在運行過程存在一定的氧化腐蝕及硫化腐蝕。與此同時燃機NOx排放自2018年至今在燃機負荷250MW左右，出口排放在50mg/m3，2018年4月出現(xiàn)最高在57.19mg/m3，燃機排放的問題也亟待解決。2工程的必要性繼2016年10月份5號燃機預(yù)混燃燒器清洗之后，截止到2018年8月份，5號燃氣輪機運行過程中再次出現(xiàn)嚴重的冷熱點問題和氮氧化物排放超標問題，機組啟動過程中嚴重時熱點溫度偏差已達到70℃，NOx排放值已經(jīng)超過50mg/Nm3，嚴重影響到機組的安全運行和環(huán)保排放指標。引起冷熱點偏差大的主要原因為預(yù)混燃燒器內(nèi)部腐蝕，情況已經(jīng)較為嚴重，部分預(yù)混燃燒器的燃料孔流道已經(jīng)被腐蝕物堵塞。由于SGT5-4000F系列燃氣輪機采用的是全環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，在環(huán)形燃燒室的頭部平均分布有24個燃燒器，部分燃燒器的堵塞會導(dǎo)致環(huán)形燃燒室內(nèi)出現(xiàn)溫度場不均勻，將直接影響后端透平葉片的可靠性和使用壽命。另外，在環(huán)形燃燒室的部分區(qū)域會出現(xiàn)燃燒不完全的現(xiàn)象，影響燃機的整體效率及燃燒的穩(wěn)定性，并隨之增加燃機出口污染物的排放，使電廠方面面臨較大的環(huán)保壓力。燃氣共在裝3臺西門子的9F級燃氣輪機，相比其他2臺燃氣輪機，5號燃機輪機冷熱點問題最為嚴重，因此本可研計劃先行在5號燃機上進行技術(shù)優(yōu)化，待效果驗證后再再其他2臺燃機上推廣。二、技術(shù)改造方案針對熱電燃燒器運行的問題現(xiàn)狀，西門子公司與上海電氣安薩爾多公司分別針對問題提出了解決方案如下：（一）西門子燃燒器升級改造方案針對燃燒器腐蝕造成的冷熱點偏差問題，西門子公司推薦使用新型RST旋流扭曲葉片預(yù)混燃燒器，具體如下：方案一：更換RST鋁基材質(zhì)預(yù)混燃燒器，進氣通道、環(huán)形腔室基材為16Mo3，內(nèi)鍍鋁涂層，旋流葉片材質(zhì)為鎳鉻合金；同時優(yōu)化燃料噴射模式，減小旋轉(zhuǎn)角度。進氣通道、環(huán)形腔室基材為16Mo3，內(nèi)鍍鋁涂層，運行一段時間后涂層存在脫落風險。方案二：更換預(yù)混燃燒器Alloy617，進氣通道、環(huán)形腔室及旋流葉片材質(zhì)均為鎳鉻合金；同時優(yōu)化燃料噴射模式，減小旋轉(zhuǎn)角度，提高燃燒穩(wěn)定裕度。測試結(jié)果表明新型燃燒器有更高基本負荷峰鳴裕度，同時降低部分負荷（90Hz）燃燒不穩(wěn)定，在現(xiàn)場實際運行過程中燃氣溫度可以高達200℃。燃燒器腐蝕堵塞后引起的燃燒器運行情況的改變，有可能會造成燃機冷熱點偏差大，ACC加速度頻繁波動，90Hz轟鳴燃燒不穩(wěn)定，潛在的問題就是燃機被迫降負荷或者跳機。西門子公司在燃燒器堵塞后，進行了根本原因分析，通過對堵塞產(chǎn)物的分析，認為堵塞的主要原因是硫化鐵的形成和化學(xué)侵蝕。為避免此類問題的發(fā)生，需要既要首先組織硫化鐵的形成，安裝INCONELRST燃燒器后，可以避免硫化鐵以及化學(xué)侵蝕兩種影響，有效防止硫化鐵形成，避免化學(xué)侵蝕，也有利于元素硫沉積和結(jié)焦燃料的沉著物的清洗過程。同時在燃機停機過程中要保持燃機停機的干燥條件以及啟動前先排空疏水管，以保證燃燒器內(nèi)的空氣質(zhì)量，防止腐蝕。根據(jù)燃機的配置預(yù)混燃燒器根據(jù)燃機的配置預(yù)混燃燒器燃燒器材料商標/名稱商品名稱Alloy617品牌名稱INCONELAlloy617材料號2.4663RST預(yù)混燃燒器鉻鎳鐵合金旋流葉片2、燃機出口氮氧化物排放高的問題，可執(zhí)行的技術(shù)方案，具體如下：（1）通過燃燒調(diào)整，降低值班器的量，通過調(diào)整燃機OTC溫度從而優(yōu)化排放問題，此方案邊界條件較為嚴格，對#5燃機多次實施，從目前運行的數(shù)據(jù)來看也未得到較好的效果。（2）通過對預(yù)混燃燒器進行9孔改8孔改造，可控制氮氧化物在25ppm以下。此方案已經(jīng)在#5燃機實施，改造初期效果明顯運行后期至今，排放問題又有所上升，需要進一步優(yōu)化解決。（3）將現(xiàn)在的擴散值班燃燒器更換為PMP預(yù)混值班燃燒器，改造后氮氧化物可降低到18~25ppm?？紤]到電廠的實際情況，前兩種措施已經(jīng)嘗試，所以針對第三種擴散值班燃燒器更換為PMP預(yù)混值班燃燒器方案目前唯一可行。PMP預(yù)混值班燃燒器能夠?qū)崿F(xiàn)在全部負荷段的預(yù)混模式，從而降低并保證基本負荷時的NOx排放，同時預(yù)混值班燃燒器采用新型鉻鎳鐵合金能夠預(yù)防硫化鐵生成和避免化學(xué)侵蝕。該項升級需要配合控制系統(tǒng)升級到A-SMC（燃燒穩(wěn)定裕度控制）控制系統(tǒng)進行，能夠提高部分負荷及基本負荷時的燃燒穩(wěn)定性。該控制邏輯通過調(diào)節(jié)值班氣和透平出口溫度（OTC），從而避免加速度事件。使得燃機能在環(huán)境條件及燃氣品質(zhì)變化的情況下，仍能保持最佳燃燒動態(tài)和出力，在某些條件下，燃機甚至降低出力以避免跳機。ARGUS系統(tǒng)實時監(jiān)測燃燒動態(tài)，提供反饋給燃機自動燃燒調(diào)整，自動保護及提供燃燒過程中潛在問題信號。3、主要業(yè)績目前新型RST旋流扭曲葉片預(yù)混燃燒器以及PMP預(yù)混值班燃燒器為新型機的標配，國內(nèi)目前西門子SGT5-4000F（x）型新機有，東亞電力（無錫）燃氣發(fā)電項目，華電石家莊燃氣熱電有限公司，浙能蕭山發(fā)電廠使用新型RST預(yù)混燃燒器，但該廠因為氣源腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物不同的原因采用的是鋁基RST預(yù)混燃燒器。除此之外國內(nèi)暫無原西門子SGT5-4000F型機升級該項目。（二）上海電氣燃燒器升級改造方案1、針對燃燒器腐蝕造成的冷熱點偏差問題，上海電氣推薦使用舊斜旋流器翻新技術(shù)方案，具體如下：翻新24個舊斜旋流器，采用全新斜旋流器葉片替換原來的葉片，新葉片材料為X22CrMoV12-1，可以有效防止環(huán)境腐蝕，使燃燒器擁有更長的壽命，并便于今后的清洗。上海電氣通過研究分析認為，升級燃機耐腐蝕性葉片將有利于提高燃機燃燒器抗腐蝕性，增加燃機運行安全性及穩(wěn)定性；同時根據(jù)目前機組使用的天然氣情況下燃燒器的變化情況，發(fā)現(xiàn)燃機在運行過程中內(nèi)錐及葉片不斷形成一層氧化物及硫化物，在燃機運行中隨著天然氣的沖刷作用不斷脫落，脫落甚至墜入燃機斜旋流器葉片小孔中，因此為避免內(nèi)錐表面的銹蝕物再次墜落乃至阻塞葉片小孔，提出內(nèi)錐表面16Mo3材料附防護層方案。2、燃機出口氮氧化物排放高的問題，上海電氣給出了VeloNOx燃燒系統(tǒng)技術(shù)方案，具體如下：VeloNOx燃燒器為三合一燃燒器，可根據(jù)需求選擇不同的模式從而降低NOx排放并優(yōu)化燃機燃燒。三種模式分別為：模式一：HR3模式與原燃燒系統(tǒng)的模式相同，從點火到滿負荷都使用同一路值班，燃燒穩(wěn)定性較好，保證燃機大出力高效率，NOx排放50mg/Nm3。模式二：VeloNOx模式采用部分預(yù)混的值班燃燒，需降低OTC設(shè)定值，NOx排放<30mg/Nm3。模式三：VeloNOx+GasLance模式兩路值班控制，穩(wěn)定性、排放及性能介于HR3和純VeloNOx之間，即30mg/Nm3<NOx排放<50mg/Nm3。其中，模式一和模式二之間的切換需要重啟燃機，并需要修改相應(yīng)的控制邏輯，無需修改硬件。模式一或二切換到模式三，需要停機，重新連接管路，并修改相應(yīng)的控制邏輯。對于現(xiàn)有機型安裝VeloNOx燃燒系統(tǒng)，需要在原有燃料系統(tǒng)中增加一路值班燃氣管路（帶值班氣控制閥，一套天然氣軟管，一個環(huán)管及其它附件配置），同時還需要修改部分邏輯參數(shù)，以滿足機組運行需要。主要業(yè)績舊斜旋流器翻技術(shù)國內(nèi)電廠目前業(yè)績有，華電奉賢熱電廠、上海申能臨港電廠該電廠改造完后運行近5000EOH，燃機冷熱點得到緩解，但偶爾仍有冷熱點問題，燃燒器腐蝕問題解決。江蘇國信協(xié)聯(lián)燃氣熱電有限公司該電廠改造后目前運行接近7000EOH無冷熱點問題，運行情況良好。VeloNOx燃燒系統(tǒng)國內(nèi)目前無業(yè)績，目前主要業(yè)績集中在國外V94.3A2型機，部分V94.3A4及V94.3A4+型機組進行了三種模式的所有測試，對于VeloNOx燃燒系統(tǒng)國外電廠已經(jīng)擁有超過190000EOH的運行經(jīng)驗。工程規(guī)模和主要內(nèi)容西門子公司方案1、新型RST旋流扭曲葉片預(yù)混燃燒器主要的供貨范圍有：（1）主要硬件，RST旋流扭曲葉片預(yù)混燃燒器，一套鉻鎳鐵合金預(yù)混燃燒器；（2）儀控部分改造，控制和保護功能的邏輯；（3）燃機重新調(diào)試；2、PMP預(yù)混值班燃燒器主要供貨范圍有：（1）主要硬件，A-SMC控制系統(tǒng)（燃燒穩(wěn)定裕度控制）；（2）一套PMP3c預(yù)混值班燃燒器;（3）值班氣系統(tǒng)改造；（4）儀控部分改造；（5）燃燒重新調(diào)整；上海電氣公司方案1、舊斜旋流器翻技術(shù)：（1）將1#燃氣輪機上的24個值班燃燒器和預(yù)混燃燒器拆除；（2）預(yù)混燃燒器翻新，更換新型X22材質(zhì)斜旋流葉片；（3）翻新后進行流量測試合格后現(xiàn)場回裝；（4）燃燒調(diào)整；2、VeloNOx燃燒系統(tǒng)：（1）將燃氣輪機上的24個值班燃燒器和預(yù)混燃燒器拆除；（2）安裝VeloNOx燃燒器；（3）升級燃料系統(tǒng)，新增一路值班氣燃氣管路（帶值班氣控制閥），燃料系統(tǒng)儀表及附件配置滿足機組運行需求；（4）增加一套天然氣軟管及一個環(huán)管；（5）安裝新的測點和對應(yīng)的接線；（6）控制邏輯調(diào)整；（7）燃燒調(diào)整。技術(shù)方案對比表選用的方案為西門子全鎳鉻材質(zhì)的預(yù)混燃燒器和全鎳鉻材質(zhì)的PMP（含A-SMC）預(yù)混型值班燃燒器，不僅可以解決燃燒器腐蝕堵塞問題，還可以燃機出口NOx降低到30mg/Nm3以下，同時實現(xiàn)在線燃燒微調(diào)整。本比較表內(nèi)的報價均為單臺燃機的價格，西門子的官方報價為5000萬元左右。序號技術(shù)方案/供貨商技術(shù)方案評價及結(jié)論預(yù)估改造工期及價格業(yè)績1解決預(yù)混燃燒器腐蝕堵塞問題上海電氣：舊預(yù)混燃燒器的20個旋流葉片更換，葉片材質(zhì)由16Mo3更換為為X22不銹鋼；進氣通道和環(huán)形腔室結(jié)構(gòu)形式不改變，材質(zhì)16Mo3不改變，內(nèi)部通道部分做噴丸處理，無防護圖層?？山鉀Q旋流葉片腐蝕、堵塞問題；無法解決進氣通道和環(huán)形腔室腐蝕問題。一些技改過的燃機電廠運行中還會出現(xiàn)冷熱點問題，需要反吹，效果一般。工期：35天左右，含機組啟停、燃燒器改造、安裝、燃調(diào)等。價格：600萬元人民幣。華電奉賢熱電、上海申能臨港、江蘇國信協(xié)聯(lián)只進行葉片翻新改造，進氣通道和環(huán)形腔室表面涂層暫無業(yè)績。2西門子：方案一：更換RST鋁基材質(zhì)預(yù)混燃燒器，進氣通道、環(huán)形腔室基材為16Mo3，內(nèi)鍍鋁涂層，旋流葉片材質(zhì)為鎳鉻合金；同時優(yōu)化燃料噴射模式，減小旋轉(zhuǎn)角度。方案二：更換預(yù)混燃燒器Alloy617，進氣通道、環(huán)形腔室及旋流葉片材質(zhì)均為鎳鉻合金；同時優(yōu)化燃料噴射模式，減小旋轉(zhuǎn)角度，提高燃燒穩(wěn)定裕度。可解決進氣通道、環(huán)形腔室及旋流葉片的腐蝕堵塞問題。擔心的問題：方案一，進氣通道、環(huán)形腔室基材為16Mo3，內(nèi)鍍鋁涂層，運行一段時間后涂層會不會脫落，西門子沒有給出明確的答復(fù)，國內(nèi)燃機運行時間短，無法驗證。工期：15天左右，含機組啟停、安裝、燃調(diào)等。價格：方案一：120萬歐元（不含稅），折合約900萬元人民幣（不含稅），含稅及清關(guān)費后約1200萬元。方案二：180萬歐元（不含稅），折合約1400萬元人民幣（不含稅），含稅及清關(guān)費后約1800萬元。方案一：浙能蕭山電廠4號機升級了一套RST鋁基材質(zhì)預(yù)混燃燒器，于2018年8月份完成改造工作，目前運行效果較好。蕭山的價格包含300多萬的清洗及9改8，和700多萬元燃燒器更換費用，最終價格約1100多萬。方案二：新機標準配置，如鈺湖和鈺海，無運行業(yè)績。3降低燃機NOx排放問題上海電氣：拆除現(xiàn)有值班燃燒器，更換一套三合一值班燃燒器，增加一路值班氣環(huán)管及軟管及控制系統(tǒng)，新的新的燃燒器可實現(xiàn)3種模式：1、HR3模式，NOx排放<50mg/Nm3；2、VeloNOx模式，需降低OTC設(shè)定值，NOx排放<30mg/Nm3；3、VeloNOx+GasLance模式，穩(wěn)定性、排放及性能介于HR3和純VeloNOx之間。模式1和模式2之間的切換需要重啟燃機，并需要修改相應(yīng)的控制邏輯，無需修改硬件。模式1或2切換到模式3，需要停機，重新連接管路，并修改相應(yīng)的控制邏輯。業(yè)績，廣東四會電廠已投運，目前排放＜40mg/Nm3。4西門子：方案一：現(xiàn)有的材質(zhì)為16Mo3的預(yù)混燃燒器進行化學(xué)清洗及清洗后旋流片9孔改8孔。方案二：將現(xiàn)有值班燃燒器更換為PMP預(yù)混型值班燃燒器，增加A-SMC控制系統(tǒng)。PMP預(yù)混型值班燃燒器分兩種，一種是常規(guī)材質(zhì)16Mo3，一種是全鎳鉻材質(zhì)價格相差較大。方案一：預(yù)混燃燒器清洗后將旋流片的通氣孔變大，一般每次擴大約8%左右，伴隨著的風險為NOx排放增大甚至大于50mg/Nm3。此方案只能是臨時方案。方案二：PMP燃燒器可實現(xiàn)燃機出口NOx排放低于<30mg/Nm3，正常運行約在25mg/Nm3以下。A-SMC控制系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)值班氣和透平出口溫度（OTC），避免加速度事件。燃機能在環(huán)境條件及燃氣品質(zhì)變化的情況下，仍保持最佳燃燒動態(tài)和出力，在某些條件下，燃機甚至降低出力以避免跳機。工期：方案一：20天左右，含機組啟停、安裝、燃調(diào)等。方案二：15天左右，含機組啟停、安裝、燃調(diào)等。價格：方案一：約120萬元人民幣（含稅）。方案二：常規(guī)材質(zhì)16Mo3，230萬歐元（不含稅），折合約1800萬元人民幣（不含稅），含稅及清關(guān)費后約2300萬元。全鎳鉻合金材質(zhì)，330萬歐元（不含稅），折合約2600萬元人民幣（不含稅），含稅及清關(guān)費后約3300萬元。A-SMC控制系統(tǒng)，單獨報價40萬歐元。業(yè)績有兩家，東亞電力（無錫）燃氣發(fā)電公司和華電石家莊燃氣熱電有限公司。工程施工條件及投資估算表1工程實施計劃序號時間內(nèi)容12018年10月15日前可行性研究報告及批復(fù)22019年1月15日前完成項目招標及訂單生產(chǎn)文件32019年1月30日至9月15日完成招標工作及設(shè)備準備42019年10月1日至2019年10月15日施工階段52019年10月15日至2019年10月20日