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S209E型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化

倪劍威

(上海閘電燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電有限公司,上海200438)

摘要:分析了某電廠GE S209E型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在不同運(yùn)行方式下的熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),引入了用于測(cè)算和評(píng)價(jià)機(jī)組熱力性能的簡(jiǎn)易計(jì)算方式,提出了一種基于微分計(jì)算的有功優(yōu)化分配方法.

關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán); 單循環(huán); 熱力性能; 優(yōu)化運(yùn)行

收稿日期：2015-06-30

作者簡(jiǎn)介：通訊倪劍威(1967-),男,工程師,上海人.主要研究方向?yàn)殡娏\(yùn)行生產(chǎn)和管理.E-mail:

中圖分類(lèi)號(hào)：TK123；TM611.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Operation Optimization for A S209E Gas-Steam Combined Cycle Unit

NI Jianwei

(ShanghaiZhadianGasTurbinePowerPlantCo.,Ltd.,Shanghai200438,China)

Abstract:The date of the thermal performance tests in a GE S209E combined cycle unit of a certain power plant in different operation conditions are presented and a simplified computing formula for calculation and assessing is introduced.An optimized power distribution method based on differential calculation method is also proposed.

Key words: combined cycle; simple cycle; thermal performance ; optimization operation

上海某電廠安裝有2套S209E型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組,每套S209E型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由2臺(tái)9E燃機(jī)配2臺(tái)余熱鍋爐供1臺(tái)容量為107 MW汽輪發(fā)電機(jī)組成.

本文根據(jù)S209E分別處于“2拖1”和“1拖1”方式下聯(lián)合循環(huán)熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析,并以此為基礎(chǔ)提出了一種適應(yīng)電廠需要的簡(jiǎn)易熱力性能計(jì)算與評(píng)價(jià)方法,有針對(duì)性地給出了適應(yīng)兩套S209E在不同運(yùn)行方式下為確保發(fā)電經(jīng)濟(jì)性所需的負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度策略.

1熱力性能試驗(yàn)情況

圖1為該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱力系統(tǒng)示意圖,主蒸汽為母管制,根據(jù)需要也可采用1拖1方式運(yùn)行,即一臺(tái)燃機(jī)加一臺(tái)鍋爐與汽機(jī),其運(yùn)行方式較為靈活.

某電廠的第2套聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組(3#和4#燃機(jī)汽輪機(jī),6#汽輪機(jī))在2011年12月4日至12月6日期間委托試驗(yàn)資質(zhì)單位進(jìn)行了多項(xiàng)熱力性能試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容包括以下3個(gè)方面:

圖1　S209E燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)示意

(1)3#燃機(jī)單循環(huán)方式熱力性能試驗(yàn);

(2)3#燃機(jī)、3#余熱鍋爐、6#汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)方式熱力特性試驗(yàn)(1拖1方式);

(3)3#/4#兩臺(tái)燃機(jī)、3#/4#余熱鍋爐和6#汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)方式熱力特性試驗(yàn)(2拖1方式).

試驗(yàn)期間,對(duì)機(jī)組的3種運(yùn)行方式進(jìn)行了4~5點(diǎn)負(fù)荷工況數(shù)據(jù)的測(cè)試,每個(gè)工況點(diǎn)持續(xù)20~30 min,為使各工況下計(jì)算結(jié)果有可比性,對(duì)各個(gè)工況和計(jì)算結(jié)果按GE公司提供的修正曲線(xiàn)及計(jì)算公式修正到ISO工況或保證工況下.

有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　試驗(yàn)測(cè)算結(jié)果

注:*表示該欄數(shù)值為按試驗(yàn)結(jié)果所作的計(jì)算值;**表示試驗(yàn)中按重油低位熱值41 783 kJ/kg,[1]標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)煤耗按煤的低位熱值29 307 kJ/kg進(jìn)行計(jì)算.

2S209E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組兩種運(yùn)行方

式下的熱力性能試驗(yàn)分析

2.1　2拖1方式

在燃機(jī)水洗后,[2]不注水工況下,燃燒重油時(shí),測(cè)算有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2　2拖1方式下的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按表2數(shù)據(jù)繪制出的功率P,煤耗f和效率F的曲線(xiàn)如圖2所示.參照?qǐng)D2曲線(xiàn),取圖中f1,f2,f33點(diǎn)數(shù)值設(shè)立一組三元二次方程組,即:

圖2　2拖1方式下的功率、煤耗和效率曲線(xiàn)

用消元法解方程組,得:A=0.33,B=264.87,C=29.731.

可得標(biāo)煤耗函數(shù)式為:

(1)

式中:f——發(fā)電煤耗,g/kWh;

P——機(jī)組有功功率，104kW.

近似簡(jiǎn)化為

(2)

其計(jì)算誤差小于0.7%,便于計(jì)算和記憶.

取表2中發(fā)電功率與凈效率相對(duì)應(yīng)的3組數(shù)據(jù):E1(30.4,46.4),E2(18.7,40.3),E3(12.4,33.8),以二次函數(shù)表示,則可設(shè)立一組三元二次方程式,即

用消元法解出方程組,得:A=-0.028 4,B=33.71,C=46.7.

即熱效率函數(shù)式為:

(3)

近似化簡(jiǎn)為:

(4)

其計(jì)算誤差小于0.6%.

根據(jù)式(2)和式(4),可編制S209E燃機(jī)-聯(lián)合循環(huán)機(jī)組(2拖1方式)功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗和凈效率的對(duì)應(yīng)表,如表3所示.表中,f1和F1分別表示標(biāo)準(zhǔn)煤耗和熱效率的變化量,Δf1和ΔF1分別表示標(biāo)準(zhǔn)煤耗和熱效率的變化值.

表3　2拖1方式下的功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗和效率對(duì)照

表3以聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總出力300 MW工況的煤耗及效率值為基準(zhǔn)值.由表3可以看出,機(jī)組以滿(mǎn)負(fù)荷304 MW運(yùn)行時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗為264.8 g/kWh,效率達(dá)到46.4%;以最低負(fù)荷150 MW運(yùn)行時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗為337 g/kWh,大幅增加72.2 g/kWh,增幅為27.3%,效率則下降為36.5%,幅度為-9.8%.由此可見(jiàn)機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)煤耗與效率受到負(fù)荷水平的影響很大.

此外,當(dāng)機(jī)組總出力從滿(mǎn)負(fù)荷(300 MW)下降到80%負(fù)荷(240 MW)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加到276 g/kWh,增加了10.8 g/kWh,增幅為4%.而當(dāng)負(fù)荷從80%下降到60%(180 MW)時(shí),煤耗大幅增加到310 g/kWh,比80%負(fù)荷時(shí)增加了36.4 g/kWh,增幅為13%.若從80%負(fù)荷下降到50%(150 MW)負(fù)荷時(shí),則煤耗增加到337 g/kWh,比80%負(fù)荷時(shí)增加了63.4 g/kWh,增幅為23%,而熱效率大幅下降到36.8%.因此,在電網(wǎng)負(fù)荷允許的情況下,應(yīng)盡量減少機(jī)組在80%出力以下的運(yùn)行時(shí)間,尤其應(yīng)盡量減少60%出力及以下負(fù)荷的運(yùn)行.

2.2　1拖1方式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在燃機(jī)水洗后,不注水工況下,燃用重油時(shí),測(cè)算的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示.

表4　1拖1方式時(shí)的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4可繪制出功率P,煤耗f和效率F的曲線(xiàn)如圖3所示.

圖3　1拖1方式下功率、煤耗和效率曲線(xiàn)

從圖3可以看出,該曲線(xiàn)近似于二次函數(shù)曲線(xiàn).取圖1中f1,f2,f33點(diǎn)的數(shù)值,設(shè)立一組三元二次方程組,即：

解得:A=0.375,B=265.5,C=17.58.

故發(fā)電煤耗計(jì)算公式為:

(5)

近似簡(jiǎn)化為:

(6)

式(12)的計(jì)算誤差小于0.3%.

取表2中發(fā)電功率與凈效率對(duì)應(yīng)的3組數(shù)據(jù):E1(14.8,45.3),E2(11.9,42.6),E3(6.72,35.0),也以二次函數(shù)表示,則可設(shè)立一組三元二次方程組,即：

解得:A=-0.066 4,B=20.36,C=47.35.

1拖1運(yùn)行方式下機(jī)組效率計(jì)算公式為:

(7)

近似簡(jiǎn)化為:

(8)

式(8)的計(jì)算誤差小于0.6%.

根據(jù)式(6)和式(8),可編制聯(lián)合循環(huán)1拖1方式下的功率、煤耗和效率的對(duì)照表如表5所示.

表5　 1拖1運(yùn)行方式下的功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗和

表5以1拖1方式時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷150MW工況的標(biāo)準(zhǔn)煤耗值為基準(zhǔn)值.由表5可以看出,機(jī)組以最高負(fù)荷150MW運(yùn)行時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗為270g/kWh,效率達(dá)到45.4%;以最低負(fù)荷75MW運(yùn)行時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗為340g/kWh,增加了70g/kWh,增幅為25.9%,而效率下降至36.3%,下降幅度為-20.0%,即機(jī)組的煤耗與效率受到負(fù)荷變化的影響較大.此外,當(dāng)機(jī)組總出力從滿(mǎn)負(fù)荷(150MW)下降到80%負(fù)荷(120MW)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加到288g/kWh,增加了18g/kWh,增幅為6.7%.而當(dāng)負(fù)荷從80%下降到60%(90MW)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗大幅增加到320g/kWh,比80%負(fù)荷時(shí)增加了32g/kWh,增幅為11%.若從80%負(fù)荷下降到50%(75MW)負(fù)荷時(shí),則標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加至340g/kWh,比80%負(fù)荷時(shí)增加了52g/kWh,增幅為18%,而熱效率大幅下降到36.3%.因此,在電網(wǎng)負(fù)荷允許的情況下,應(yīng)盡量減少機(jī)組在80%出力以下的運(yùn)行時(shí)間,尤其應(yīng)盡量減少60%出力及以下負(fù)荷的運(yùn)行.

3兩套2拖1方式的有功功率出力

優(yōu)化分配

3.1　運(yùn)行優(yōu)化算法

2拖1方式的煤耗計(jì)算公式可用式(4)的二次函數(shù)關(guān)系來(lái)近似地表示.因此,當(dāng)有熱力性能相近的另一套(或多套)2拖1機(jī)組運(yùn)行時(shí),應(yīng)使各套機(jī)組的有功優(yōu)化分配,[3-4]從而使全廠總的發(fā)電煤耗為最小值.

為了便于公式推導(dǎo),將f=0.33×(29.73-P)2+265表達(dá)為函數(shù)式:

(9)

式中:a=0.33;b=29.73;c=265;

p——有功出力,104kW.

設(shè)全廠總出力為p,一套機(jī)組出力為q,則另一套機(jī)組出力為p-q,全廠兩套機(jī)組總發(fā)電油耗為:

[a(b-p+q)2+d](p-q)

(10)

將式(10)整理后求一階導(dǎo)數(shù)得:

(11)

令f′(q)=0,則解方程得:

即當(dāng)q=p/2時(shí),全廠總煤耗f存在極值.

對(duì)式(11)求二階導(dǎo)數(shù),可得:

(12)

令f″=0 ,可求得總煤耗函數(shù)f (q)圖像拐點(diǎn)為:

(13)

將b=29.73代入式(13),得拐點(diǎn):

3.2　運(yùn)行優(yōu)化策略的建議

(1) 當(dāng)全廠總出力p>4b/3,即p>400MW時(shí),f″>0,此時(shí)兩套2拖1機(jī)組有功功率取p1=p2=p/2,總標(biāo)準(zhǔn)煤耗為最小值.

(2) 當(dāng)全廠總出力p<4b/3,即p<400MW時(shí),f″<0,此時(shí)兩套2拖1機(jī)組有功功率取p1=p2=p/2,總標(biāo)準(zhǔn)煤耗為最大值.

(3) 當(dāng)p=4b/3=400MW,兩套機(jī)組在函數(shù)曲線(xiàn)范圍內(nèi)(150~300MW)變化時(shí),全廠總標(biāo)準(zhǔn)煤耗不變化.

(4) 由此得出兩套與上述性能試驗(yàn)曲線(xiàn)相同(或相近)的2拖1方式運(yùn)行機(jī)組的有功功率優(yōu)化組合原則為:當(dāng)總出力≥400MW時(shí),采取2拖1機(jī)組出力平均分配;當(dāng)總出力<400MW時(shí),采取一套機(jī)組為150MW運(yùn)行、另一套2拖1機(jī)組出力則按電網(wǎng)調(diào)峰要求加減出力.

4兩套1拖1方式運(yùn)行時(shí)的有功功

率優(yōu)化分配

4.1　運(yùn)行優(yōu)化算法

當(dāng)熱力性能曲線(xiàn)相同或相近的兩套1拖1機(jī)組運(yùn)行時(shí),應(yīng)使各套機(jī)組的有功功率優(yōu)化分配,從而使全廠總的發(fā)電煤耗為最小值.

將1拖1時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗計(jì)算公式f=0.74×(17.6-P)2+266表達(dá)為函數(shù)式:

(14)

式中:b=0.74,c=17.6,d=266.

其與兩套2拖1機(jī)組有功功率優(yōu)化分配的數(shù)學(xué)推導(dǎo)相似，最終得：p=23. 47≈23.5MW.

4.2　運(yùn)行優(yōu)化策略的建議

(1) 當(dāng)總出力≥235MW時(shí),采取每組出力平均分配方式;

(2) 當(dāng)總出力<235MW時(shí),采取一套機(jī)組為75MW運(yùn)行、另一套1拖1機(jī)組出力則按電網(wǎng)調(diào)峰要求加減出力的方式.

5燃機(jī)單循環(huán)方式時(shí)的有功功率和

標(biāo)準(zhǔn)煤耗曲線(xiàn)分析

試驗(yàn)中,在機(jī)組水洗后,不注水工況下燃用重油時(shí)測(cè)算的有關(guān)數(shù)據(jù)如表6所示.

表6　3 #燃機(jī)單循環(huán)運(yùn)行方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注:以上試驗(yàn)值均已換算到ISO條件下.

由表6可繪制出單循環(huán)方式下的功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗和效率的曲線(xiàn)如圖4所示.從圖4可以看出,該曲線(xiàn)近似于二次函數(shù)曲線(xiàn).

圖4　單循環(huán)方式下的功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗和熱效率曲線(xiàn)

取圖4中f1,f2,f33點(diǎn)的數(shù)值,設(shè)立一組三元二次方成組,即:

用消元法解得:A=3.69,B=392,C=10.34.

故得標(biāo)準(zhǔn)煤耗計(jì)算公式為:

(15)

近似簡(jiǎn)化為:

(16)

其計(jì)算誤差小于0.7%.

然后取圖4中E1,E2,E33點(diǎn)的數(shù)值,設(shè)立一組三元二次方程組

用消元法和代入法可解得:A=-0.186 8≈-0.187,B=10.84,C=31.37.

故得效率計(jì)算公式為:

(17)

近似簡(jiǎn)化為:

(18)

其計(jì)算誤差小于0.9%,便于計(jì)算與記憶.

按照上述標(biāo)準(zhǔn)煤耗及效率計(jì)算公式,可編制單循環(huán)方式下功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗和效率的對(duì)照表,如表7所示.

表7以單循環(huán)機(jī)組出力100MW工況時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗及效率值為基準(zhǔn)值.從表7可以看出，當(dāng)機(jī)組從滿(mǎn)負(fù)荷100MW下降到最低負(fù)荷40MW運(yùn)行時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗達(dá)到539g/kWh,增加了138g/kWh,增幅為38%.由此可見(jiàn)單循環(huán)方式下標(biāo)準(zhǔn)煤耗和效率受負(fù)荷水平的影響最大.此外,由于單循環(huán)方式時(shí)燃機(jī)高溫排氣經(jīng)旁路煙囪排放,未經(jīng)利用,故此方式下的最高效率僅為31.27%，此時(shí)煤耗為392g/kWh,均比聯(lián)合循環(huán)2拖1或1拖1運(yùn)行方式的最低運(yùn)行負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性差.因此,除特殊情況時(shí)(例如電網(wǎng)失電時(shí),燃機(jī)黑啟動(dòng)),電廠一般不采用燃機(jī)單循環(huán)方式運(yùn)行.

表7　燃機(jī)單循環(huán)方式下功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗和效率對(duì)照

6結(jié)論

(1) 燃機(jī)單循環(huán)運(yùn)行方式下標(biāo)準(zhǔn)煤耗最高,熱效率最低,經(jīng)濟(jì)性差.原因是燃?xì)廨啓C(jī)高溫排汽余熱未被利用.從表1可知,單循環(huán)方式滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煤耗為392g/kWh,比聯(lián)合循環(huán)兩種方式的最高煤耗分別高出52g/kWh和55g/kWh,僅當(dāng)電網(wǎng)失電需要燃機(jī)黑啟動(dòng)供電網(wǎng)事故處理,或當(dāng)用電高峰電網(wǎng)無(wú)備用容量而本廠鍋爐或汽機(jī)強(qiáng)迫停用等事故條件下才投入運(yùn)行.

(2) 2拖1方式是S209E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的常規(guī)運(yùn)行方式,滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行(出力為304MW)時(shí),最低煤耗為265g/kWh,凈油耗為184g/kWh,效率達(dá)46.4%.2拖1方式下汽機(jī)負(fù)荷最高,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性也處于最高水平.由于循泵、凝泵等輔機(jī)利用率較高,廠用電率也處于較低水平,因此 2拖1方式的高負(fù)荷運(yùn)行是電廠最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式.

(3) 1拖1方式在最高負(fù)荷(148MW)運(yùn)行時(shí),聯(lián)合循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)煤耗為275g/kWh,效率為44.7%,雖然發(fā)電經(jīng)濟(jì)性與2拖1的最高負(fù)荷工況相比稍有遜色,但比2拖1方式下低負(fù)荷(187MW)時(shí)要經(jīng)濟(jì).

(4) 通過(guò)比較可知,2拖1方式在負(fù)荷小于250MW時(shí),標(biāo)準(zhǔn)煤耗高于1拖1的最低煤耗.鑒于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在低于80%額定負(fù)荷時(shí)排氣溫度下降幅度較高,故聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在80%負(fù)荷率以下標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加幅度較大,發(fā)電經(jīng)濟(jì)性降低較為明顯.因此,2拖1方式下應(yīng)減少在250MW以下的運(yùn)行時(shí)間, 1拖1方式下應(yīng)減少在120MW以下的運(yùn)行時(shí)間,采取此種機(jī)組調(diào)度策略,可提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性.

參考文獻(xiàn)：

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(編輯胡小萍)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.004