王 曉

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：“加快建設(shè)天然氣分布式能源項目和天然氣調(diào)峰電站，2020 年氣電裝機規(guī)模達到1.1 億kW。”截至2018年底我國氣電總裝機容量8330萬kW，占電源總裝機容量的4.4%,年氣電發(fā)電量2 236億kW·h，占總發(fā)電量的3.2%[1]。

氣電承擔著電網(wǎng)調(diào)峰功能，但相應(yīng)的調(diào)峰和環(huán)保價值卻并未體現(xiàn)。我國氣電發(fā)展受氣源條件、天然氣價格、電價承受能力等因素制約，目前氣電相對集中在經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)。隨著清潔取暖政策的日趨完善和天然氣供應(yīng)能力的穩(wěn)步提升，起到保障氣電協(xié)調(diào)發(fā)展作用的氣源市場得到改善。預計未來3年中，廣東、江蘇、浙江3省新增氣電分別約500萬kW、500萬kW和250萬kW[1]。

現(xiàn)階段，大量工業(yè)園區(qū)的工業(yè)熱負荷由分散的工業(yè)燃煤和燃氣小鍋爐提供。小容量F級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有對氣源供應(yīng)要求較低、調(diào)峰能力強、清潔高效等優(yōu)勢。隨著企業(yè)對電價和汽價承受能力的日益提高，該型聯(lián)合循環(huán)機組有著廣闊的應(yīng)用空間。

目前主流燃氣輪機為F級和H級，各廠家的燃氣輪機型號和出力有所不同。50 MW級燃氣輪機中最有代表性的是GE公司的6F.01型燃氣輪機和SIEMENS公司的SGT-800型燃氣輪機。

在工程應(yīng)用中，F(xiàn)級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組由于容量小，朗肯循環(huán)效率較低，且不被重視，在性能提升上還有潛力可挖。本文結(jié)合某工業(yè)園區(qū)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)工程實踐，以6F.01聯(lián)合循環(huán)機組為例，將其與9F.05大型聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能相比較，對6F.01機組朗肯循環(huán)熱力性能進行簡要分析，并對循環(huán)效率提升進行相關(guān)分析，旨在為類似容量機組主蒸汽參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 6F.01機組熱力性能

1.1 6F.01機組聯(lián)合循環(huán)熱力性能

為探討6F.01聯(lián)合循環(huán)機組性能，以GE公司當前主流大型燃氣輪機9F.05機型為參考，對聯(lián)合循環(huán)熱力性能進行簡單比較。9F.05和6F.01一拖一聯(lián)合循環(huán)熱力性能比較見表1。

表1 兩種機型聯(lián)合循環(huán)熱力性能(ISO工況)

注： ISO工況指大氣溫度15 ℃，大氣相對濕度60%，大氣壓力101 325 Pa.a；以上數(shù)據(jù)分別取自兩個工程投標文件，其中天然氣熱值和汽輪機背壓略有不同

6F.01和9F.05機組熱力性能比較如下：

1)6F.01和9F.05兩種機型燃氣輪機布雷頓循環(huán)發(fā)電效率分別為38.41%和38.94%，9F.05性能略高，差值為0.53%；

2)6F.01機組朗肯循環(huán)出力占機組總熱能的17.82%，9F.05機組為20.88%，后者朗肯循環(huán)出力占比更高，差值為3.06個百分點；

3)6F.01機組聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率為56.23%，比9F.05機組的59.82%低3.59個百分點，差值主要來自朗肯循環(huán)。

1.2 6F.01機組朗肯循環(huán)熱力性能

6F.01和9F.05兩型機組朗肯循環(huán)熱力性能差異主要有以下三個方面：

1)主蒸汽壓力不同。6F.01機組主蒸汽壓力為8.24 MPa.a，配套汽輪機為高壓參數(shù)。9F.05機組主蒸汽壓力16.992 MPa.a，配套汽輪機為亞臨界參數(shù)。后者主蒸汽參數(shù)高，朗肯循環(huán)的平均溫差更大，循環(huán)熱效率更高[2]。

2)蒸汽側(cè)系統(tǒng)設(shè)置不同。6F.01機組蒸汽系統(tǒng)為雙壓無再熱，9F.05機組蒸汽系統(tǒng)為三壓一次中間再熱。后者通過再熱系統(tǒng)提高了朗肯循環(huán)平均吸熱溫度，效率更高。

9F.05和6F.01朗肯循環(huán)吸熱端參數(shù)見表2。

表2 兩種機型朗肯循環(huán)吸熱端主要參數(shù)(ISO工況)

注：以上數(shù)據(jù)由兩個工程投標文件計算而來

表2中，“主蒸汽過熱段和再熱蒸汽吸熱之和與總吸熱比例”一項，9F.05機組為27.98%，6F.01機組為21.46%，相差6.52%。9F.05機組通過提升主蒸汽壓力和設(shè)置一次再熱系統(tǒng)，大大提高了過熱蒸汽段吸熱在總吸熱中的占比，進而提高了朗肯循環(huán)平均吸熱溫度，有效提升了發(fā)電效率。9F.05機組朗肯循環(huán)發(fā)電效率(38.46%)比6F.01機組(32.358%)高6.102%。

3)汽輪機效率不同。9F.05機組配套汽輪機單機容量大,汽輪機效率高于6F.01機組配套的小容量汽輪機。9F.05機組朗肯循環(huán)做功端主要參數(shù)見表3。

表3 9F.05朗肯循環(huán)做功端參數(shù)(ISO工況)

(續(xù)表3)

注：汽輪機總效率為各缸效率的加權(quán)平均值

6F.01機組朗肯循環(huán)做功端主要參數(shù)見表4。

表4 6F.01朗肯循環(huán)做功端參數(shù)(ISO工況)

9F.05配套汽輪機效率為89.98%，6F.01配套汽輪機效率為87.5%，汽輪機效率差值為2.48個百分點。

若6F.01機組配套汽輪機效率提升至89.98%，機組出力增加約0.72 MW,朗肯循環(huán)效率為33.303%，提升0.944%。由汽輪機效率不同造成的朗肯循環(huán)效率差值約為0.944%。

2 6F.01機組朗肯循環(huán)性能提升

考慮到 6F級機組單機容量小，不宜設(shè)置再熱系統(tǒng)，提升朗肯循環(huán)效率主要考慮提升主蒸汽壓力和溫度。

2.1 計算邊界條件及相關(guān)假定

計算邊界條件及相關(guān)假定如下：

1)汽輪機效率87.5%不變；

2)低壓缸排汽溫度35.54 ℃；

3)計算工況的實際排汽焓由汽輪機效率和理想焓降反推；

4)主蒸汽質(zhì)量流量不變；

5)計算工況不考慮低壓蒸汽；

6)給水泵泵效率71%；

7)給水泵電動機效率90%。

2.2 主蒸汽壓力提升

保持6F.01機組朗肯循環(huán)其他參數(shù)不變，僅將汽輪機入口處主蒸汽壓力提升至超高壓參數(shù)13.2 MPa.a和亞臨界參數(shù)16.2 MPa.a。

2.2.1 幾種工況下的效率提升

幾種工況下的效率提升情況如下:

1)工況1(主蒸汽壓力13.2 MPa.a)。汽輪機出力增加0.622 MW，給水泵電動機功率增加0.21 MW，機組凈出力增加0.412 MW,朗肯循環(huán)效率為32.899%，提升0.541%。

2)工況2(主蒸汽壓力16.2 MPa.a)。汽輪機出力增加0.761 MW，給水泵電動機功率增加0.31 MW，機組凈出力增加0.451 MW，朗肯循環(huán)效率為32.95%，提升0.592%。

3)其他壓力工況點。主蒸汽壓力另取幾個工況點，計算數(shù)據(jù)匯總見表5。

表5 主蒸汽壓力與朗肯循環(huán)效率(主蒸汽565 ℃)

根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制主蒸汽壓力提升值與朗肯循環(huán)效率增加值關(guān)系圖，見圖1。

圖1 壓力提升與循環(huán)效率增加關(guān)系(主蒸汽565 ℃)

2.2.2 小結(jié)

對主蒸汽壓力提升與朗肯循環(huán)效率之間的關(guān)系總結(jié)如下：

1)主蒸汽溫度為565 ℃時，朗肯循環(huán)效率隨主蒸汽壓力提高而提高，從32.358%提高至亞臨界參數(shù)(16.2 MPa.a)的32.950%，提升0.592%。

2)主蒸汽壓力的提高對朗肯循環(huán)效率的提升隨壓力升高呈下降趨勢。

3)主蒸汽溫度為565 ℃時，主蒸汽壓力提升至11.5 MPa.a的過程中，朗肯循環(huán)效率隨壓力升高而有較為明顯的提升，從32.358%提高至32.861%，提升0.503%。

4)當主蒸汽溫度為565℃且主蒸汽壓力超過11.5 MPa.a時，朗肯循環(huán)效率隨壓力升高而提升的幅度非常有限，從11.5 MPa.a提升至16.2 MPa.a，朗肯循環(huán)效率僅提升0.089%，提升主蒸汽壓力對朗肯循環(huán)效率提升意義不大。

2.3 主蒸汽溫度提升

不補燃的聯(lián)合循環(huán)機組中，余熱鍋爐高壓蒸汽溫度受到燃氣輪機排煙溫度限制?？紤]到變工況下汽輪機運行的安全性，主蒸汽溫度與燃氣輪機排煙溫度的溫差一般不小于30 ℃，通過優(yōu)化進行主蒸汽溫度的選取[3]。

2.4 主蒸汽壓力和溫度都提升

2.4.1 幾種工況下的效率提升

幾種工況下的效率提升情況如下:

1)主蒸汽參數(shù)10.0 MPa.a、585 ℃。汽輪機出力增加0.868 MW，給水泵電動機功率增加0.1 MW，機組凈出力增加0.768 MW，朗肯循環(huán)效率33.366%，提升1.01%。

2)主蒸汽參數(shù)11.5 MPa.a、585 ℃。汽輪機出力增加1.05 MW，給水泵電動機功率增加0.15 MW，機組凈出力增加0.9 MW，朗肯循環(huán)效率33.539%，提升1.18%。

3)工況4(主蒸汽參數(shù)13.2 MPa.a、585 ℃)。汽輪機出力增加1.202 MW，給水泵電動機功率增加0.21 MW，機組凈出力增加0.992 MW。朗肯循環(huán)效率33.659%，提升1.30%。

4)工況5(主蒸汽參數(shù)16.2MPa.a、585 ℃)。汽輪機出力增加1.367 MW，給水泵電動機功率增加0.31 MW，機組凈出力增加1.057 MW。朗肯循環(huán)效率33.745%，提升1.39%。

主蒸汽585 ℃時，以上工況點數(shù)據(jù)見表6。

表6 主蒸汽壓力與朗肯循環(huán)效率(主蒸汽585 ℃)

根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制主蒸汽壓力提升值與朗肯循環(huán)效率增加值關(guān)系圖，見圖2。

圖2 壓力提升與循環(huán)效率增加關(guān)系(主蒸汽585 ℃)

2.4.2 小結(jié)

對主蒸汽壓力提升與朗肯循環(huán)效率之間的關(guān)系總結(jié)如下：

1)主蒸汽溫度585 ℃時，朗肯循環(huán)效率隨主蒸汽壓力提高而提高，從33.077%提升至亞臨界參數(shù)的33.745%，提高0.668個百分點，比主蒸汽565 ℃的0.592個百分點提升幅度更大。

2)主蒸汽溫度585 ℃時，主蒸汽壓力的提高對朗肯循環(huán)效率的提升隨壓力升高呈下降趨勢，但下降趨勢相比于主蒸汽溫度565 ℃時較為緩和。從11.5 MPa.a提升至16.2 MPa.a，朗肯循環(huán)效率提升0.206個百分點，比主蒸汽565 ℃的0.089個百分點提升幅度更大。

2.5 典型工況朗肯循環(huán)效率

主蒸汽參數(shù)提升典型工況6F.01機組朗肯循環(huán)效率見表7。

表7 幾個典型工況6F.01機組朗肯循環(huán)效率

由表7可見，對于6F.01機組而言，提高主蒸汽壓力和溫度都可以提升朗肯循環(huán)效率。當主蒸汽參數(shù)提升至16.2 MPa.a、585 ℃時，朗肯循環(huán)效率提升至33.745%，提升1.39個百分點。

2.6 主蒸汽參數(shù)提升對汽輪機和余熱鍋爐影響

2.6.1 主蒸汽參數(shù)提升對汽輪機影響

6F.01機組配套汽輪機容量小，主蒸汽質(zhì)量流量小(ISO 工況72.46 t/h左右), 提升主蒸汽壓力后，蒸汽質(zhì)量體積減小，容積流量減少，汽輪機宜設(shè)計為高轉(zhuǎn)速機。

主蒸汽溫度由565 ℃提升至585 ℃后，汽輪機葉片材質(zhì)需相應(yīng)提升等級，這提高了汽輪機本體造價。

2.6.2 主蒸汽參數(shù)提升對余熱鍋爐影響

主蒸汽壓力和溫度提升都會影響余熱鍋爐受熱面，尤其是高溫受熱面材質(zhì)和用量的要求，進而提高余熱鍋爐造價。

3 結(jié) 論

針對6F.01機組朗肯循環(huán)效率較低問題，本文將其與9F.05大型聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能相比較，對6F.01機組朗肯循環(huán)熱力性能進行簡要分析?，F(xiàn)階段提高6F.01機組主蒸汽壓力和溫度都是提升朗肯循環(huán)效率的有效手段，結(jié)論如下：

1)6F.01機型ISO純凝工況下一拖一聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電效率比9F.05機型低約3.59%，差值主要來源于朗肯循環(huán)。

2)9F.05機組通過提升主蒸汽壓力和設(shè)置一次再熱系統(tǒng)，大大提高了過熱蒸汽段吸熱在總吸熱中的占比。ISO純凝工況下,“主蒸汽過熱段和再熱蒸汽吸熱之和與總吸熱比例”一項，9F.05機組為27.98%，6F.01機組為21.46%，相差約6.52個百分點。

3) ISO純凝工況下, 6F.01朗肯循環(huán)發(fā)電效率為32.358%，比9F.05的38.46%低約6.1%。

4)ISO純凝工況下，6F.01機組配套汽輪機效率為87.5%，9F.05機組配套汽輪機效率為89.98%，差值約2.48個百分點，由汽輪機效率造成的朗肯循環(huán)效率差值約0.944個百分點。

5)主蒸汽溫度為565 ℃時，主蒸汽壓力提升至11.5 MPa.a階段，朗肯循環(huán)效率隨壓力升高而提升的幅度較為明顯；主蒸汽壓力超過11.5 MPa.a時，朗肯循環(huán)效率隨壓力升高而提升的幅度非常有限。

6)主蒸汽溫度為585 ℃時，主蒸汽壓力的提高對朗肯循環(huán)效率的提升隨壓力升高呈下降趨勢，下降趨勢比主蒸汽溫度565 ℃時緩和。

7)ISO純凝工況下，若將6F.01機組主蒸汽參數(shù)由8.086 MPa.a、565 ℃提高至16.2 MPa.a、585 ℃，朗肯循環(huán)效率可由32.358%提升至33.745%，提升約1.39個百分點。

在工程實踐中，需結(jié)合機組運行邊界條件(機組年利用小時數(shù)、天然氣價格和上網(wǎng)電價等)，對朗肯循環(huán)效率提升帶來的發(fā)電端正收益和設(shè)備系統(tǒng)造價提高帶來的投資端負收益進行綜合計算，尋求兼顧機組效率和經(jīng)濟性的最優(yōu)蒸汽參數(shù)設(shè)置。