東方電氣集團(tuán)國際合作有限公司 肖 俊

自1939年瑞士BBC公司制成世界上第一臺(tái)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)以來，經(jīng)過60多年的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)已在發(fā)電、管線動(dòng)力、艦船動(dòng)力、坦克和機(jī)車動(dòng)力等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。相對于其他能源轉(zhuǎn)換裝置，燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)勢是功率密度極大，綜合效率高，啟動(dòng)速度快，噪聲低頻分量很低，排放污染小等。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合體循環(huán)電站主機(jī)配置方案對機(jī)組熱效率，建設(shè)成本、運(yùn)行的靈活性及設(shè)備維護(hù)的方便性方面有重大的影響。

1 工程背景及要求

阿聯(lián)酋某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合體循環(huán)電廠的主燃料為天然氣，備用燃料為輕質(zhì)柴油，全廠額定凈出力為2400MW。全壽命周期內(nèi)計(jì)劃運(yùn)行負(fù)荷有8種工況點(diǎn)，最大運(yùn)行工況90%額定凈出力，最小運(yùn)行工況為35%額定凈出力，且低于55%額定凈出力工況運(yùn)行時(shí)間占機(jī)組全壽命周期的54.2%，故該電廠應(yīng)具備良好的調(diào)峰能力。故要求其軸系配置為多軸，以便燃機(jī)可在汽機(jī)安裝過程中進(jìn)行簡單循環(huán)運(yùn)行，從而提高資金的周轉(zhuǎn)率和效率；也可以在汽機(jī)故障或檢修時(shí)，燃機(jī)可利用旁路煙囪實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，提高了整個(gè)電站可利用率。燃機(jī)調(diào)峰能力強(qiáng)[1-2]，多軸配置可使燃機(jī)快速啟動(dòng)，快速補(bǔ)充電網(wǎng)負(fù)荷。

全廠聯(lián)合循環(huán)熱效率、工程總造價(jià)、主機(jī)業(yè)績、機(jī)組操作靈活性等是設(shè)計(jì)方案競比主要考核方向。經(jīng)過多種方案的篩選后，兩種H級燃機(jī)-蒸汽聯(lián)合循環(huán)主機(jī)配置方案進(jìn)入最終的競比，3拖2配置方案和1拖1+2拖1配置方案見表1。

表1 配置方案情況表

2 方案主要配置情況

2.1 3拖2主機(jī)配置方案

項(xiàng)目對主機(jī)有兩年兩臺(tái)運(yùn)行業(yè)績的要求，故從滿足業(yè)績的JAC系列中選擇最大的機(jī)型作為3拖2主機(jī)配置方案的燃機(jī)。3臺(tái)燃機(jī)的出力為1430100kW，因此余熱鍋爐須增加補(bǔ)燃功能才能滿足全廠總凈出力的要求，汽機(jī)總毛出力達(dá)到了1028800kW。聯(lián)合循環(huán)的汽機(jī)出力比較大，只有將兩個(gè)汽機(jī)配置一樣大樣才能符合要求，否則單個(gè)汽機(jī)過大，汽機(jī)選型嚴(yán)重受限，故最終形成了3拖2多軸配置方案。方案中蒸汽系統(tǒng)采用三壓設(shè)計(jì)，主蒸汽系統(tǒng)如圖1，從三臺(tái)余熱鍋爐來主蒸汽在汽機(jī)主廠房外的主蒸汽母管匯合，然后通過汽機(jī)主汽閥、調(diào)閥進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸。為了方便運(yùn)行及機(jī)組維護(hù)，余熱鍋爐主蒸汽支管與主蒸汽母管之間以及母管均設(shè)置了隔離閥。熱再系統(tǒng)設(shè)置與主汽系統(tǒng)配置一致。兩臺(tái)汽機(jī)高壓缸排汽匯流至冷再蒸汽母管，再經(jīng)過冷再支管進(jìn)入余熱鍋爐再熱系統(tǒng)，冷再蒸汽支管與母管之間以及及母管也設(shè)置了隔離閥（圖2）。

每臺(tái)余熱鍋爐設(shè)置了1套高中低蒸汽旁路系統(tǒng)，均設(shè)置在蒸汽支管上，支管主蒸汽經(jīng)過高旁減溫減壓后進(jìn)入應(yīng)冷再支管，#1余熱鍋爐的中壓蒸汽和低壓蒸汽分別經(jīng)過中旁和低旁減溫減壓后進(jìn)入#1汽機(jī)的凝汽器，#3余熱鍋爐的中壓蒸汽和低壓蒸汽分別經(jīng)過中旁和低旁減溫減壓后則進(jìn)入#2汽機(jī)的凝汽器。

熱力管道的支管及母管設(shè)置了隔離閥，可為機(jī)組的并汽、退汽、隔離提供方便。關(guān)閉蒸汽母管的隔離閥，可以將3拖2運(yùn)行模式變換為1拖1或者2拖1模式；也能實(shí)現(xiàn)3臺(tái)動(dòng)力單元進(jìn)行輪流檢修。

2.2 1拖1+2拖1主機(jī)配置方案

方案2選擇MHPS的出力最大的JAC燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組，由1拖1+2拖1兩個(gè)相對獨(dú)立的動(dòng)力單元組成。3臺(tái)燃機(jī)的出力為1656000kW，汽機(jī)總出力為795000kW。余熱鍋爐采用三壓設(shè)計(jì)且不帶補(bǔ)燃功能（圖3）。全廠熱力系統(tǒng)屬于典型1拖1+2拖1多軸配置，該類配置在國內(nèi)以有十分成熟的設(shè)計(jì)，也做相當(dāng)多的研究[3-4]。

1拖1配置型式：從1臺(tái)余熱鍋爐來的主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功后返回余熱鍋爐再熱器，來自再熱器的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)中壓缸做功后再進(jìn)入低壓缸，并在低壓缸中與低壓蒸汽匯合，所有做功完成后進(jìn)入凝汽器。高壓蒸汽、中壓蒸汽、低壓蒸汽管道分別設(shè)置了高中低旁，高壓旁出口蒸汽進(jìn)入再熱系統(tǒng)，中低壓旁路出口蒸汽進(jìn)入凝汽器。

2拖1配置型式：2臺(tái)余熱鍋爐來的主蒸汽匯入蒸汽母管后進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，做功后經(jīng)過冷再蒸汽母管-支管后返回2臺(tái)余熱鍋爐再熱器；來自2臺(tái)余熱鍋爐的中壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)中壓缸做功后再進(jìn)入低壓缸，并在低壓缸中與來自2臺(tái)余熱鍋爐的低壓蒸汽匯合，所有蒸汽做功完成后進(jìn)入凝汽器。每臺(tái)余熱鍋爐均設(shè)置一套高中低壓旁路系統(tǒng)，與3拖2主機(jī)配置型式的旁路系統(tǒng)基本相同。

3 主機(jī)配置方案的分析對比

3.1 3拖2主機(jī)配置型式優(yōu)缺點(diǎn)

3拖2主機(jī)配置型式把3臺(tái)燃機(jī)、3臺(tái)余熱鍋爐與2臺(tái)汽機(jī)組成一個(gè)系統(tǒng)，設(shè)備之間相互關(guān)聯(lián)，彼此影響。

優(yōu)點(diǎn)：單臺(tái)汽機(jī)出力適中，汽機(jī)選型受限制小；兩臺(tái)汽機(jī)型號一致，維護(hù)檢修備件可共用，減少了備品備件儲(chǔ)備數(shù)量，提高備件使用效率，降低了后期成本；機(jī)組運(yùn)行模式可變，在機(jī)組降負(fù)荷或檢修時(shí)，3拖2運(yùn)行模式可變換成1拖1或2拖1模式運(yùn)行；蒸汽循環(huán)的余熱鍋爐存在補(bǔ)燃，開啟余熱鍋爐補(bǔ)燃時(shí)，部分燃料未經(jīng)過燃機(jī)做功，故聯(lián)合循環(huán)效率受到了影響。但是在中低負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉余熱鍋爐補(bǔ)燃，燃機(jī)仍然能保持較高的負(fù)荷并維持較高的熱效率，聯(lián)合循環(huán)熱效率受機(jī)組負(fù)荷下降的影響相對較小，故機(jī)組時(shí)間加權(quán)熱效率較優(yōu)。

缺點(diǎn)：啟動(dòng)時(shí)間長，冷態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷時(shí)間約310分鐘，遠(yuǎn)大于1拖1和2拖1機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間；控制系統(tǒng)復(fù)雜，機(jī)組變負(fù)荷特性較差，調(diào)節(jié)時(shí)間較長，對操作要求較高。比如3拖2運(yùn)行模式與1拖1或2拖1運(yùn)行模式切換時(shí)，須提前將機(jī)組參數(shù)降低，受電網(wǎng)指令影響較大，切換時(shí)間比較長；當(dāng)全廠負(fù)荷過低或因事故、檢修等原因需要隔離運(yùn)行時(shí)（比如1拖1或2拖1運(yùn)行），系統(tǒng)中各單元隔離及時(shí)性，安全性、可靠性將受到考驗(yàn)，尤其對蒸汽母管隔離閥泄漏要求、可靠性要求十分高，須對隔離閥的選型充分的論證，并嚴(yán)格控制其生產(chǎn)、安裝質(zhì)量；兩臺(tái)蒸汽輪機(jī)須全部安裝完成后才能實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)功能，一臺(tái)汽機(jī)無法單獨(dú)提前運(yùn)行，不利于提高資金周轉(zhuǎn)率和效益。

3.2 1拖1多軸主機(jī)配置型式優(yōu)缺點(diǎn)

1拖1多軸主機(jī)配置型式無補(bǔ)燃功能，屬于單元機(jī)組，1臺(tái)汽輪機(jī)匹配1臺(tái)燃機(jī)和1臺(tái)余熱鍋爐。優(yōu)點(diǎn)：啟停快，既可單獨(dú)啟動(dòng)也可以其他燃機(jī)和汽機(jī)動(dòng)力單元同時(shí)啟動(dòng)，冷態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷時(shí)間約190分鐘運(yùn)行；與3拖2和2拖1配置型式相比相對簡單，控制較為容易，維護(hù)也方便；聯(lián)合循環(huán)熱效率較高，比2拖1配置模式熱效率低～0.6%；1拖1聯(lián)合循環(huán)可較其他動(dòng)力單元提前運(yùn)行，有利于提高資金周轉(zhuǎn)率和效益。

缺點(diǎn)：單位功率造價(jià)較高；聯(lián)合循環(huán)熱效率受負(fù)荷下降影響相對較大，故機(jī)組時(shí)間加權(quán)熱效率較低。

3.3 2拖1多軸主機(jī)配置型式優(yōu)缺點(diǎn)

2拖1多軸主機(jī)配置型式無補(bǔ)燃功能，1臺(tái)汽機(jī)匹配2臺(tái)燃機(jī)和2臺(tái)余熱鍋爐。優(yōu)點(diǎn)：啟停較快，冷態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷時(shí)間約215分鐘運(yùn)行；聯(lián)合循環(huán)熱效率最高；單位功率造價(jià)較高。缺點(diǎn)：聯(lián)合循環(huán)熱效率受機(jī)組負(fù)荷下降的影響也較大，如果將其隔離成1拖1運(yùn)行時(shí)，汽機(jī)負(fù)荷約50%，效率下降較明顯，機(jī)組時(shí)間加權(quán)熱效率不優(yōu)；2拖1主機(jī)配置型式在系統(tǒng)復(fù)雜性、控制靈活性、維護(hù)方便性上處于3拖2與1拖1之間，總體上與3拖2較為類似。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，國外燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中已使用了多拖多、多拖1的主機(jī)配置型式，比如5拖3、3拖2、3拖1等，并且已在H級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中使用3拖2、3拖1等配置型式。國內(nèi)H級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的建設(shè)和應(yīng)用都較少，且燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠基本上不使用多拖多主機(jī)配置模式，H級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的主機(jī)配置型式仍舊參考F級，因此國外燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的多種主機(jī)配置經(jīng)驗(yàn)可為國內(nèi)H級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠建設(shè)提供借鑒。