華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司 李 洋 丁 盛 于 洋 張 皓 呼德爾

目前我國開始天然氣資源的大規(guī)模開發(fā)利用，西氣東輸、近海天然氣開發(fā)和引進(jìn)國外液化天然氣工程全面展開，國家開始重視發(fā)展天然氣燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。與國外燃?xì)庹羝?lián)合循壞機(jī)組帶基本負(fù)荷為主的情況不同，我國的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組主要用于電網(wǎng)調(diào)峰。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況的熱效率則已超過58%，但啟停經(jīng)濟(jì)性分析工作較少，本文通過建立啟停模型分析啟停經(jīng)濟(jì)性，為電廠參與調(diào)峰，節(jié)能降耗及爭取補(bǔ)貼具有重要的指導(dǎo)意義。

1 燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組啟停調(diào)峰過程

GE9FB級燃?xì)廨啓C(jī)額定功率304.1MW，排氣溫度640℃，汽輪機(jī)額定出力158.8MW，燃機(jī)效率約38.77%，汽輪機(jī)效率約為37.88%，整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總效率可達(dá)約59.02%。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動(dòng)主要經(jīng)過幾個(gè)階段：輔助系統(tǒng)設(shè)備啟動(dòng)，靜態(tài)變頻器（LCI）輸入交流電，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃機(jī)，為其啟動(dòng)提供必需的外界動(dòng)力，當(dāng)轉(zhuǎn)速約為420r/min時(shí)燃機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2700r/min時(shí)燃?xì)馔钙剿a(chǎn)生的機(jī)械功足以抵消壓氣機(jī)的耗功，LCI裝置退出。機(jī)組繼續(xù)升速，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后并網(wǎng)提高電負(fù)荷。達(dá)到穩(wěn)定的暖機(jī)負(fù)荷后待蒸汽參數(shù)滿足汽機(jī)的進(jìn)汽條件，汽機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)汽后汽機(jī)緩慢增大主汽調(diào)閥開度，直至全開進(jìn)入滑壓運(yùn)行，整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)完成[1-3]。

機(jī)組啟動(dòng)過程中的耗電設(shè)備有盤車電機(jī)、LCI啟動(dòng)裝置、透平冷卻風(fēng)機(jī)、燃機(jī)包排氣風(fēng)機(jī)、壓氣機(jī)水洗泵、凝汽器真空泵、軸抽風(fēng)機(jī)、頂軸油泵、循環(huán)水泵、給水泵以及凝結(jié)水泵。輔助蒸汽主要分為汽輪機(jī)冷卻用蒸汽以及蒸汽輪機(jī)軸封蒸汽。補(bǔ)給水則主要用于：汽包與熱井水位調(diào)整用水量，開機(jī)時(shí)排污、疏水用水量，補(bǔ)充泄漏的水量。

綜上所述，在進(jìn)行以下假設(shè)后建立計(jì)算模型：經(jīng)濟(jì)性分析僅考慮氣、電、水三部分，不考慮其它成本及機(jī)組壽命等因素；機(jī)組參與的啟停調(diào)峰僅考慮晝啟夜停模式；天然氣熱值保持恒定；機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間從燃機(jī)啟動(dòng)至機(jī)組投入AGC為止，機(jī)組停運(yùn)時(shí)間從機(jī)組退出AGC至燃機(jī)解列熄火為止；啟停過程中的所耗外購電量累計(jì)在機(jī)組停運(yùn)期間計(jì)算。

2 燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及其計(jì)算模型

2.1 運(yùn)行期間計(jì)算模型

在機(jī)組運(yùn)行期間，設(shè)機(jī)組平均負(fù)荷率為φ1，運(yùn)行時(shí)間為T1，機(jī)組額定功率為M，則運(yùn)行期間機(jī)組 發(fā)電量為E1=Mφ1T1，設(shè)運(yùn)行期間廠用電率隨機(jī)組 負(fù)荷率變化的函數(shù)為γ1(φ1)，則運(yùn)行期間機(jī)組發(fā)電 所得費(fèi)用為YE1=yeE1（1-γ1），設(shè)運(yùn)行期間氣耗隨機(jī) 組負(fù)荷率變化的函數(shù)為g1（φ1），則運(yùn)行期間所消耗 的燃?xì)赓M(fèi)用為yG1=103ygg1E1，設(shè)運(yùn)行期間水耗隨機(jī) 組負(fù)荷率變化的函數(shù)為w1（φ1），則運(yùn)行期間所消耗 的化學(xué)補(bǔ)給水費(fèi)用為yw1=yww1E1。

式中，yG1為運(yùn)行期間燃?xì)赓M(fèi)用，元；YE1為運(yùn)行期間發(fā)電所得費(fèi)用，元；YW1為運(yùn)行期間化學(xué)補(bǔ)給水費(fèi)用，元；yg為燃?xì)鈨r(jià)格，元/Nm3；ye為上網(wǎng)電價(jià)格，元/MWh；yw為化學(xué)補(bǔ)給水價(jià)格，元/噸；g1為運(yùn)行期間機(jī)組平均氣耗，Nm3/kWh；E1為運(yùn)行期間機(jī)組發(fā)電量，MWh；w1為運(yùn)行期間機(jī)組平均水耗，kg/kWh；φ1為運(yùn)行期間機(jī)組平均負(fù)荷率；γ1為運(yùn)行期間機(jī)組平均廠用電率；M為機(jī)組額定功率，MW；T1為機(jī)組運(yùn)行小時(shí)，h。在機(jī)組運(yùn)行期間綜合經(jīng)濟(jì)性效益為Y1（φ1，T1）=YE1-YG1-YW1。

2.2 停機(jī)期間計(jì)算模型

在機(jī)組停運(yùn)期間，設(shè)機(jī)組停運(yùn)時(shí)間為T2，則停運(yùn)期間機(jī)組廠用電耗量為E2=10-3UkIkT2，停運(yùn)期間機(jī)組廠用電費(fèi)用為YE2=yεE2，設(shè)機(jī)組停運(yùn)期間化學(xué)補(bǔ)給水量為W2，則停運(yùn)期間所消耗的化學(xué)補(bǔ)給水費(fèi)用為YW2=yWW2。式中，YE2為停運(yùn)期間廠用電費(fèi)用，元；YW2為停運(yùn)期間化學(xué)補(bǔ)給水費(fèi)用，元；為yε外購電價(jià)格，元/MWh；E2為停運(yùn)期間機(jī)組廠用電量，MWh；W2為停運(yùn)期間化學(xué)補(bǔ)給水用量，噸；Uk為停運(yùn)期間啟備變高壓端的電壓，V；Ik為停運(yùn)期間啟備變高壓端的電流，A；T2為機(jī)組停運(yùn)小時(shí)，h。在機(jī)組停運(yùn)期間綜合經(jīng)濟(jì)性效益為Y2（T2）=-YE2-YW2。

2.3 啟動(dòng)和停運(yùn)過程計(jì)算模型

根據(jù)汽機(jī)高壓缸一級金屬溫度的不同，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的啟動(dòng)方式一般分為熱態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)和冷態(tài)啟動(dòng)[4]，熱態(tài)、溫態(tài)和冷態(tài)的啟動(dòng)時(shí)間依次增加，進(jìn)而降低了機(jī)組啟動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性[5]。但考慮啟停調(diào)峰一般不超過48小時(shí)，因此以下分析均按照熱態(tài)啟動(dòng)考慮。

設(shè)啟動(dòng)/停運(yùn)過程中燃?xì)饬髁侩S時(shí)間變化的函數(shù)是Gsi(t)，使用天燃?xì)獾臅r(shí)間為則啟動(dòng)/停運(yùn)過程中的耗氣量為

啟動(dòng)/停運(yùn)過程中所消耗的燃?xì)赓M(fèi)用為YGSi=ygGsi。式中，YGSi為啟動(dòng)/停運(yùn)過程燃?xì)赓M(fèi)用，元；Gsi為啟動(dòng)/停運(yùn)過程燃?xì)庥昧?，Nm3；si為si=su，啟動(dòng)過程；si=sd，停運(yùn)過程。設(shè)啟動(dòng)/停運(yùn)過程中機(jī)組發(fā)電量隨時(shí)間變化的函數(shù)是Esi（t），則啟動(dòng)/停運(yùn)過程中的機(jī)組發(fā)電量為：

啟動(dòng)/停運(yùn)過程中平均廠用電率為：

啟動(dòng)/停運(yùn)過程中機(jī)組發(fā)電所得費(fèi)用為YEsi=yeEsi。

式中，YEsi為啟動(dòng)/停運(yùn)過程發(fā)電所得費(fèi)用，元； Esi為啟動(dòng)/停運(yùn)過程機(jī)組發(fā)電量，MWh；γ3si為啟動(dòng)/停運(yùn)過程平均廠用電率；Ui為啟動(dòng)/停運(yùn)過程某耗電設(shè)備運(yùn)行時(shí)的兩端電壓，V；Ii為啟動(dòng)/停運(yùn)過程某耗電設(shè)備運(yùn)行時(shí)的電流，A；ti為啟動(dòng)/停運(yùn)過程某耗電設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間，h；n為啟動(dòng)/停運(yùn)過程耗電設(shè)備數(shù)量。

設(shè)啟動(dòng)/停運(yùn)過程中化學(xué)補(bǔ)給水流量隨時(shí)間變化的函數(shù)是Wsi（t），則啟動(dòng)/停運(yùn)過程中的化學(xué)補(bǔ)給 水消耗量為：

啟動(dòng)/停運(yùn)過程中所消耗的化學(xué)補(bǔ)給水費(fèi)用為YWsi=yWWsi。式中YWsi為啟/停過程化學(xué)補(bǔ)給水費(fèi)用，元；Wsi為啟/停過程化學(xué)補(bǔ)給水用量，噸。在機(jī)組啟停期間綜合經(jīng)濟(jì)性效益為Y3=YE3-YG3-YW3=（YEsu-YGsu-YWsu）+（YEsd-YGsd-YWsd）。

2.4 調(diào)峰周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性效益

設(shè)一個(gè)啟停調(diào)峰周期時(shí)間為T，包含運(yùn)行時(shí)間T1，停機(jī)時(shí)間T2和啟停時(shí)間，定義調(diào)停，則在一個(gè)啟停調(diào)峰周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性收益為Y=Y1（φ1，T1）+Y2（T2）+Y3+Y0（1），式 中Y0為 機(jī)組一次啟停調(diào)峰電網(wǎng)補(bǔ)償費(fèi)用，元。如果機(jī)組在運(yùn)行周期T內(nèi)不參與啟停調(diào)峰，則經(jīng)濟(jì)性收益為 Y'=YE-YG-YW=yeE（1-γ）-103yggE-yWWE，式中 相關(guān)物理量含義與2.1節(jié)內(nèi)容類似。

通過式（1）可知，機(jī)組在一個(gè)啟停調(diào)峰周期內(nèi)，由于Y3和Y0為常數(shù)，所以機(jī)組啟停調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性收益Y是隨φ1和τ變化的函數(shù)關(guān)系。對參與啟停調(diào)峰的燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組，應(yīng)根據(jù)Y（φ1，τ）函數(shù)關(guān)系合 理安排各機(jī)組的啟停，爭取合適的負(fù)荷率和調(diào)停時(shí)間以提高機(jī)組運(yùn)行調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性綜合效益。

3 9FB燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組啟停調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

根據(jù)9FB燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，可知不同負(fù)荷率下對應(yīng)的發(fā)電氣耗、廠用電率及水耗關(guān)系曲線圖如圖1～3，結(jié)合第2節(jié)計(jì)算模型和上述實(shí)際關(guān)系圖，按照24、48小時(shí)周期分別計(jì)算，結(jié)果如表1～2。

4 結(jié)語

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組調(diào)峰是中國燃機(jī)電廠持續(xù)發(fā)展的必由之路，利用本文建立的調(diào)峰模型對燃?xì)怆姀S運(yùn)行方式進(jìn)行分析可得結(jié)論：非低負(fù)荷運(yùn)行機(jī)組建議不進(jìn)行或少進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行；長期低負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組建議積極參與市場調(diào)峰以提高收益；參與調(diào)峰的機(jī)組在一個(gè)調(diào)峰周期內(nèi)一方面盡可能縮短停機(jī)時(shí)間，另一方面盡可能提高運(yùn)行負(fù)荷率才能達(dá)到收益增加的目標(biāo)；充分利用不同時(shí)段氣價(jià)、電價(jià)的差別，合理安排調(diào)峰時(shí)段；合理安排啟停機(jī)操作，停備期間采取可靠措施降低外購電量，進(jìn)而提高收益；雖然不同周期對收益差值沒有影響，但考慮到周期越長啟動(dòng)消耗越大，建議采取短周期調(diào)峰。由于本文未考慮機(jī)組調(diào)峰導(dǎo)致的設(shè)備損耗壽命折舊及其它可能的影響，因此得到的總收益與實(shí)際收益有較大出入，雖然不影響最終的應(yīng)對策略，但在條件許可情況下，新建燃機(jī)電廠在進(jìn)行設(shè)備采購時(shí)盡量采用適應(yīng)頻繁啟停的設(shè)備以提高收益。

表1 24小時(shí)周期收益

表2 48小時(shí)周期收益