曾榮鵬，鄭淑芳，謝李兵

(1.北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京 100044;2.聯(lián)邦控股(香港)有限公司，北京 100029;3.廣西桂能科技發(fā)展有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

我國能源以煤炭為主，天然氣資源所占比重較小且分布很不均勻。大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站主要集中在中心城市、沿海地區(qū)以及天然氣產(chǎn)地。例如，北京鄭常莊、太陽宮，深圳美視，杭州半山，內(nèi)蒙古蘇里格等E級、F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站。

與傳統(tǒng)煤電相比，天然氣發(fā)電在燃料成本上缺乏競爭力，除去政策補貼以及減排收益等有利因素外，聯(lián)合循環(huán)電站的容量在很大程度上決定了項目的可行性?？紤]到地區(qū)特點，基于F級燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)是我國華北、東北、東南沿海等大部分地區(qū)的首選;如果上述地區(qū)有供熱需求，可結(jié)合地區(qū)特點，選擇E級及其他等級的燃氣輪機(以下簡稱燃機)［1］。

本文以廣東某燃氣熱力公司的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電供熱項目為例，分析比較了E，F(xiàn)級聯(lián)合循環(huán)供熱電站的特點，為同類項目提供參考。

1 項目概況

該項目燃料為液化天然氣LNG(Liquefied Natural Gas)，低位熱值為36.57 MJ/m3，采用“以熱定電”的運行模式。熱負荷全部為工業(yè)熱負荷，壓力為1.1 MPa，溫度為290℃，供汽量為170～270 t/h，特點如下:

(1)供汽可靠性高，要求有充足的備用容量;

(2)日熱負荷與年熱負荷波動大，供熱調(diào)峰能力要求高;

(3)年最大熱負荷持續(xù)時間為8 540 h。

2 系統(tǒng)與方案

根據(jù)熱負荷連續(xù)性強、波動性大和供熱時間長等特點，方案優(yōu)先考慮機組的可用率及運行方式的靈活性。

2.1 聯(lián)合循環(huán)整體布局與供熱能力的選擇

可供選擇的燃氣輪機有GE、三菱、西門子、阿爾斯通4家公司的9E和9F型號，整體布局考慮單軸配置方案與典型的多軸配置方案“2拖1”型。

多軸配置方案較前者供熱能力有所提高，整體布局結(jié)構(gòu)緊湊，適合帶基本熱負荷;在熱負荷調(diào)峰方面不如單軸配置方案靈活性強?？紤]到該工程熱負荷的特點，選擇單軸配置方案。

2.2 單軸配置方案的選擇

根據(jù)熱負荷容量、熱負荷調(diào)峰和機組檢修的需要，有2種單軸配置方案可供選擇。

方案1∶2套S109FB(1臺F級燃機+1臺余熱鍋爐+1臺抽汽凝汽式汽輪機)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組，采用“1用1備”的運行方式，年運行小時數(shù)為5 000 h，利用汽輪機抽汽供熱。

方案2∶3套S109E型(1臺E級燃機+1臺余熱鍋爐+1臺汽輪機組)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組，1套S109E配備背壓式汽輪機，汽輪機排汽可滿足最小供熱負荷(170 t/h)需求;另外2套配備抽汽凝汽式汽輪機，利用汽輪機的抽汽對熱負荷調(diào)峰。年運行小時數(shù):1套S109E(背壓機組)為7 020 h，2套S109E(抽凝機組)分別為5 000 h和2 200 h。

通常的運行模式:1套S109E(背壓機組)+1套S109E(抽凝機組);當S109E(背壓機組)檢修時，2套S109E(抽凝機組)通過抽汽供熱。

3 聯(lián)合循環(huán)供熱機組性能

現(xiàn)將GE、三菱、西門子、阿爾斯通4家公司9E，9F聯(lián)合循環(huán)供熱機組的簡單循環(huán)與聯(lián)合循環(huán)參數(shù)匯總于表1、表2。

3.1 燃氣輪機結(jié)構(gòu)的分析與對比

(1)壓氣機通流部分采用“可控擴壓”設(shè)計，使壓氣機獲得大流量、高壓比。對于壓氣機來說，1個級的增壓比只有1.15～1.35，整臺燃機的壓比和壓氣機的級數(shù)有關(guān)，以GT26燃機為例，級數(shù)為22級，壓比高達30。

表1 E，F(xiàn)級燃機參數(shù)匯總(簡單循環(huán))

表2 E，F(xiàn)級燃機參數(shù)匯總(聯(lián)合循環(huán))

采取中間級放氣的防喘振措施且機組負荷在70%～100%額定負荷間波動時，通過調(diào)整可調(diào)導(dǎo)葉(靜葉)的進氣角保持燃機的排氣溫度不變，可獲得良好的喘振裕度和較高的等熵壓縮效率。

(2)GE公司透平的級數(shù)為3級，三菱、西門子公司透平的級數(shù)為4級，阿爾斯通公司透平的級數(shù)為5級。透平級數(shù)選得小，則級焓降偏大、等熵膨脹效率較低，使得機組效率有所降低。以GE公司E級燃機為例，其效率較其他3家公司燃機效率略偏低0.8% ～3.6%，但級數(shù)少有利于整個機組結(jié)構(gòu)的簡化。

3.2 汽輪機組與供熱方式的選擇

聯(lián)合循環(huán)機組中的汽輪機組帶部分負荷時，通常采用滑參數(shù)運行方式，因此，在汽輪機組設(shè)備選型階段，應(yīng)對抽汽量與效率之間的關(guān)系以及汽輪機滑參數(shù)運行的可行性進行充分論證。

考慮到汽輪機的供熱抽汽量很大，必須認真校核汽輪機抽汽處部件的結(jié)構(gòu)強度，包括汽缸結(jié)構(gòu)、缸體上的開口位置、抽汽管的管徑和位于抽汽口前一級的壓力級的強度等;同時考慮抽汽口后各級汽輪機壓力級冷卻蒸汽流量的需求。

3.3 E，F(xiàn)級燃機聯(lián)合循環(huán)方案比較

分析表1、表2中E，F(xiàn)級燃機循環(huán)方案，發(fā)現(xiàn)有以下特點:

(1)就燃機自身的特點而言，E級容量為126.1～182.2MW，效率為33.8% ～37.4%;F級容量為284～312MW，效率為37.9% ～39.8%。與F級相比，E級屬于低一個檔次的產(chǎn)品。

(2)F級透平進、排氣溫度均高于E級，使得其簡單循環(huán)效率相對于E級提高1.1% ～5.1%，聯(lián)合循環(huán)效率提高5.8% ～7.5%。進口溫度提高，相關(guān)部件材質(zhì)與冷卻技術(shù)也要做相應(yīng)的調(diào)整，這在一定程度上增加了制造成本與維護費用。

(3)排氣溫度提高有利于提高余熱鍋爐的參數(shù)。E級一般采用雙壓鍋爐，F(xiàn)級可采用三壓鍋爐甚至再熱鍋爐。采用三壓蒸汽系統(tǒng)，可使排煙溫度進一步降到80～90℃，聯(lián)合循環(huán)的效率比雙壓鍋爐提高0.6 個百分點［2］。

(4)熱電比與熱效率的比較分析。與E級相比，F(xiàn)級的熱電比小而熱效率大。所有方案均符合《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》第7條:燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總熱效率年平均大于55%，各容量等級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱電比年平均應(yīng)大于30%的規(guī)定。

4 經(jīng)濟性分析

如前所述，E級與F級機組就性能而言，不具有可比性。在綜合考慮燃料成本、機組滑參數(shù)運行的特點、維護費用、機組可用率、投資等因素后，E，F(xiàn)級燃機卻各有優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇。

4.1 經(jīng)濟性計算

結(jié)合表1、表2的技術(shù)方案，對其經(jīng)濟性進行對比分析，具體內(nèi)容見表3。

對表3補充說明如下:運行小時數(shù)，額定負荷下5000 h;大修費率，E型取3.5%，F(xiàn)型取4.0%;人工費用，定員90人，人均工資10萬元/(人·年);電價，0.698 2元/(kW·h);天然氣價格，3元/m3;熱價，101.68元/GJ。

4.2 聯(lián)合循環(huán)機組經(jīng)濟性分析

在聯(lián)合循環(huán)機組中，發(fā)電功率及發(fā)電效率主要取決于燃機，即使在汽輪機負荷下降較多時，只要維持燃機在最佳負荷范圍(80% ～100%)內(nèi)運行，整個聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率就變化不大［3］。但是，當負荷降低到50%以下時，無論是燃機還是聯(lián)合循環(huán)機組，效率都將大幅度下降。

根據(jù)表3相關(guān)數(shù)據(jù)對比可知:帶基本負荷時，F(xiàn)級機組經(jīng)濟性優(yōu)于E級機組;當熱負荷調(diào)峰時，E級可以通過調(diào)整機組的運行臺數(shù)來保持機組的高效運行，F(xiàn)級只能降低運行負荷來滿足調(diào)峰需求。因此，當1臺F級機組在低負荷下運行時，聯(lián)合循環(huán)機組的效率低于2臺E級聯(lián)合循環(huán)機組的綜合效率。

另外，就單機抽汽量的大小與變化量而言，E級機組的抽汽量為0～90 t/h，F(xiàn)級機組的抽汽量為170～270 t/h，前者抽汽量波動比后者小很多，E級在設(shè)計制造與運行調(diào)節(jié)上更具優(yōu)勢。

再者，從初溫與負荷頻繁變動的幅度來看，F(xiàn)級機組維護與部件更換的成本將高于E級機組。

綜上所述，設(shè)備選型既要考慮機組性能參數(shù)的提高可部分抵消燃料價格偏高的影響，又要兼顧機組維護費用的增加，尤其是燃機核心部件的更換成本。一般情況下，采用高性能燃機的聯(lián)合循環(huán)電站的經(jīng)濟性更好，但這不是必然的，當燃機的成本和維護費用都因初溫的提高而增長較大時，經(jīng)濟性反而會變差［4］。

考慮到該工程工業(yè)熱負荷的特點以及“以熱定電”的運行方式，采用2臺E級機組并列運行，更有利于機組的熱負荷調(diào)峰。

表3 E，F(xiàn)級燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電供熱經(jīng)濟性比較

4.3 影響因素分析

前面所有論述都是圍繞聯(lián)合循環(huán)機組的效率展開的，效率高則供熱電站經(jīng)濟性就好。燃料價格、售電價格與運行小時數(shù)是獨立于機組性能之外，直接影響供熱電站經(jīng)濟性的外部因素，對投資回收期敏感性的分析如下。

4.3.1 天然氣價格影響

由表4可以看出，燃料成本與回收期的變化趨勢是一致的，E級聯(lián)合循環(huán)的投資回收期受燃料成本波動的影響很大，而F級的變化比較平穩(wěn)。說明在額定容量下F級機組對燃料價格風(fēng)險具有一定的抵抗能力，與參考文獻［1］中高燃料價格下F級燃機聯(lián)合循環(huán)是首選的論斷是一致的。

4.3.2 售電價格影響

由表5可知，隨著電價升高，投資回收期相應(yīng)縮短。E級聯(lián)合循環(huán)機組的回收期隨電價上浮比率小于下浮比率，而且變化較大，說明其對電價波動比較敏感;F級的回收期隨電價浮動變化比較平緩，說明F級回收期受電價的波動影響較小，抗風(fēng)險能力較強。

4.3.3 運行小時數(shù)影響

分析表6可以發(fā)現(xiàn)，年運行小時數(shù)越大投資回收期越短，其波動幅度與年運行小時數(shù)的變化量成正比。

表4 天然氣價格與投資回收期

表5 售電價格與投資回收期

表6 年運行小時數(shù)與投資回收期

5 結(jié)論

(1)多軸配置方案較單軸配置方案在整體布局方面結(jié)構(gòu)緊湊，供熱能力有所提高，適合帶基本熱負荷;在熱負荷調(diào)峰方面的靈活性不如單軸配置方案。

(2)汽輪機選型時，應(yīng)對汽輪機滑壓運行工況下抽汽量與效率之間的關(guān)系、抽汽口后各級汽輪機壓力級的冷卻蒸汽量以及汽輪機抽汽處結(jié)構(gòu)強度等進行認真校核。

(3)對于F級聯(lián)合循環(huán)發(fā)電供熱機組，在燃機帶基本負荷時，F(xiàn)級的性能優(yōu)于E級，而多臺E級機組具有負荷調(diào)峰的優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇機組。

(4)與E級聯(lián)合循環(huán)發(fā)電供熱燃機相比，F(xiàn)級機組在高負荷下對氣價與電價的波動風(fēng)險具有一定的抵抗能力;E，F(xiàn)級機組的投資回收期與年運行小時數(shù)都成反比例關(guān)系。

(5)在聯(lián)合供熱電站設(shè)備選型時，不但要考慮機組性能的優(yōu)劣，而且要兼顧機組的負荷特性、運行方式以及維護、檢修成本。

［1］劉宇，倪維斗，椙下秀昭，等.從地域角度看燃氣輪機發(fā)電在我國的發(fā)展及選型［J］.燃氣輪機技術(shù)，2005，18(3):1-7.

［2］何語平.大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠對汽輪機的選擇［J］.中國電力，2004，37(4):5-8.

［3］焦樹建.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［4］馮靜，倪維斗，椙下秀昭，等.燃氣輪機性能對聯(lián)合循環(huán)電站經(jīng)濟性的影響［J］.動力工程，2006，26(2):215-220.