曹煉博 王文飛 李玉剛 張 濤

（國電環(huán)境保護研究院有限公司，江蘇 南京 210033）

0 引言

進入21世紀以來，我國氣電行業(yè)逐步發(fā)展壯大，2021年初我國氣電裝機容量已突破1億千瓦，氣電占火電的裝機比重也由2010年的4.1%提升至2020年初的8.7%，氣電作為低碳清潔能源在我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

自2004年6月南汽（集團）公司與GE簽訂了9E燃氣輪機技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議以來，9E級燃氣輪機作為氣電行業(yè)的一款主力機型在我國得到了廣泛應(yīng)用。由于“老版本”9E機組至今已投運16年，其性能與近年新投產(chǎn)的9E機組相比在效率、經(jīng)濟性和環(huán)保排放等方面處于劣勢，采用“老版本”9E燃氣機組的電廠也因此面臨諸多壓力，迫切需要找到行之有效的升級改造方案解決“老版本”9E機組的各項問題。

1 電廠9E機組運行狀態(tài)評估

1.1 機組性能綜合評估

某燃機電廠建設(shè)有2套9E級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，投入至今已16年，設(shè)備總運行時間達90000h，機組出現(xiàn)了較為明顯的老化情況。首先，燃機壓氣機的性能衰減現(xiàn)象十分明顯。在燃氣輪機離線水洗后的Baseload工況下，#1和#2燃機輪機實際壓比僅為11.0和11.2，遠低于最初設(shè)計值12.5。由于燃機壓氣機在壓縮的過程中需要消耗軸功，其消耗的功率約為燃機透平總輸出功的2/3，因此壓氣機的性能衰減對燃機出力和熱耗率的影響極大。同時，將實際運行參數(shù)折算為標況與設(shè)計值進行比較，#1燃機和#2燃機性能考核試驗下的功率和效率與最初設(shè)計值對比情況如圖1所示。從圖中可見，#1燃機功率下降10.41%，效率下降9.80%；#2燃機功率下降10.93%，效率下降6.61%。因此，燃機真實性能衰減情況已遠超預(yù)期，燃機整體出力和熱效率大幅下降。

1.2 機組存在的主要問題

通過對2套聯(lián)合循環(huán)機組的運行情況進行全面了解，對運行數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)了機組現(xiàn)存的4個問題：1）燃氣輪機各項性能指標明顯下降，表現(xiàn)在壓氣機壓比降低、燃氣輪機功率下降和熱耗率增加等方面。2）蒸汽輪機總體運行指標不佳，存在汽輪機背壓過高、汽輪機熱效率衰減等問題。3）燃機30%～80%Baseload階段，機組氮氧化物排放濃度變化幅度大，低負荷排放超標，即難以保證氮氧化物排放不超過國家標準所要求的50mg/m3。4）燃氣輪機Mark VI控制系統(tǒng)，至今已使用15年，電子元器件嚴重老化，故障頻發(fā)。另外，GE公司已于2019年正式停止生產(chǎn)Mark VI產(chǎn)品備件，GE后期升級的控制系統(tǒng)Mark VIe也不能與Mark VI兼容，燃機控制系統(tǒng)在已無法繼續(xù)采購備品備件的情況下運行，存在安全隱患。

2 機組升級改造方案

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)包括燃氣輪機頂循環(huán)和汽輪機與余熱鍋爐組成的底循環(huán)。研究燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能最優(yōu)化問題通常以其發(fā)電效率為目標函數(shù)，為提高聯(lián)合循環(huán)的效率，首先要考慮機組頂循環(huán)和底循環(huán)及相應(yīng)的配置方式。根據(jù)聯(lián)合循環(huán)機組實際情況，以及目前主流改造方案的技術(shù)特點，擬定了4個以燃氣輪機性能提升為主、余熱鍋爐和汽輪機配套優(yōu)化為輔的改造方案，并逐一對這些方案進行研究。

2.1 方案一：9E Max改造方案

9E Max 燃機升級改造改造的主要變更范圍有壓氣機、四級透平、排煙道、燃氣模塊、輔機系統(tǒng)、燃機DLN1.0+和控制系統(tǒng)等[2]，具體內(nèi)容見表1。

表1 9E Max改造主要變更范圍

用9E Max四級燃機透平代替現(xiàn)有9E三級燃機組件，ISO工況下聯(lián)合循環(huán)輸出功率能由183 MW增加到203 MW，熱效率提高了2.3%，達到53.7%。改造后燃機排氣溫度、排氣量以及排氣能量的變化見表2。GE公司相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在南方地區(qū)常年溫度15 ℃～30 ℃條件下，9E Max改造后排氣能量有所升高，但變化微?。ň∮?%），該變化不影響原有底循環(huán)設(shè)計，即改造后9E Max能兼容現(xiàn)有9E機組其他設(shè)備，對余熱鍋爐和汽輪機影響很小[3]。

表2 9E Max改造后數(shù)據(jù)變化情況

2.2 方案二：AGP改造方案

9E 先進熱通道（AGP）改造的主要原理是采用先進的冷卻，密封，材料及氣動技術(shù)，全面升級燃機熱通道，增加出力、降低熱耗、降低燃料成本，提高經(jīng)濟效益[4]。

AGP改造的主要對象是燃機透平，改造范圍主要是三級透平的動葉、噴嘴、護環(huán)，以及相關(guān)密封結(jié)構(gòu)[5]，如圖2所示。

圖2 AGP改造范圍示意圖

與之前的9E系列相比，AGP改造提高了單循環(huán)/聯(lián)合循環(huán)出力及效率，為熱電聯(lián)供/聯(lián)合循環(huán)提供更高的余熱能量。AGP對燃機性能的提升將降低燃料費用，為9E用戶帶來更高的經(jīng)濟收益。根據(jù)AGP新結(jié)構(gòu)在設(shè)計溫度點計算出的燃機性能收益數(shù)據(jù)可知，燃機單循環(huán)出力能提高2.2%，熱耗降低1.3%；聯(lián)合循環(huán)出力提高1.8%，熱耗降低0.5% 。AGP改造后主要參數(shù)變化情況見表3。

表3 AGP改造后主要參數(shù)變化情況

2.3 方案三：9F.05升級方案

將9E機組整體升級為9F.05包含了以下項目：燃氣輪機、汽輪機、余熱鍋爐、發(fā)電機、制水系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、主變及升壓站系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電纜、配套天然氣供氣管道及天然氣調(diào)壓站升級?？傮w而言，由于9F機組與9E機組差別較大，升級改造設(shè)計了全廠整套系統(tǒng)，工程量相當于重建一個9F等級燃氣電廠。

通過進行9F.05機組升級改造，電廠的聯(lián)合循環(huán)功率、熱效率和供熱能力等都能在原9E機組上得到大幅提升。升級改造效果可參考表4中9F.05機組技術(shù)指標。

表4 9F.05機組技術(shù)指標

2.4 方案四：6F.03升級方案

6F.03機組與9E機組差別巨大，如選用6F.03燃氣輪機進行機組升級改造，除余熱鍋爐和汽輪機須按照燃氣輪機排氣的溫度、壓力和流量條件重新進行參數(shù)匹配和型號選擇外，輔助設(shè)備、廠址條件以及政策措施等也需要進一步考察和研究。

6F.03的燃機功率約82 MW，搭配1臺功率約38 MW的抽凝式汽機后，單套聯(lián)合循環(huán)總功率約為120 MW，按照原9E電廠的發(fā)電量指標，需要新建3套“一拖一”布置形式的聯(lián)合循環(huán)機組。

6F.03機組升級改造方案使電廠的聯(lián)合循環(huán)功率、熱效率和供熱能力等都能在原9E機組上得到大幅提升。相比9F.05升級改造方案，6F.03方案的機組聯(lián)合循環(huán)功率和效率稍低，但是具有更好的啟動性能和調(diào)峰能力。

3 各方案的研究與比選

3.1 投資和工期比較

對4種升級改造方案的投資和工期進行對比，見表5。9F.05和6F.03升級改造方案在投資總額、改造范圍以及改造工期方面遠高于其余2個方案。9E Max升級改造方案改造總額為2.04億，約為AGP改造的2.3倍，改造工期為75 d，約為AGP工期的2倍。

表5 各方案機組的投資和工期（單套）

3.2 成本收回分析

各方案改造方式的具體費用對比，見表6。從表中可以看出，采用9E Max改造方案的收回成本時間最短，為2.4年，AGP改造方案和9F.05方案次之，為5.1年、5.5年，6F.03改造方案的成本回收周期最長。

表6 各方案改造方式的具體費用對比

3.3 升級改造性能提升效果對比

對各方案的聯(lián)合循環(huán)功率、熱效率、機組啟機時間、廠用電率和供熱能力等性能指標進行對比分析，對比數(shù)據(jù)見表7。

表7 各方案的預(yù)期效果

從表中數(shù)據(jù)可分析得出以下結(jié)論：1）9F.05和6F.03升級改造都可以大幅度提升聯(lián)合循環(huán)機組的出力和效率，主要原因在于這2種改造方案將原來老舊的9E機組升級至新型的F級機組，性能方面的提升十分顯著。2）相比9E Max改造方案，AGP改造對于機組的功率和效率提升比較有限（AGP改造對聯(lián)合循環(huán)出力基本沒有提升作用，主要只能在原9E機組基礎(chǔ)上提升2.7%的聯(lián)合循環(huán)效率）。9E Max改造方案對聯(lián)合循環(huán)出力和效率均有較大提升，聯(lián)合循環(huán)出力提升了約30 MW，聯(lián)合循環(huán)效率提升了5.5%，提升效果已接近F級機組數(shù)據(jù)。3）在供熱能力方面，由于9E Max和AGP改造方案對于汽機型號沒有進行變更，因此2種方案中機組的供熱能力與原機組相比，均沒有明顯改變。采用9F.05和6F.03升級改造方案后，由于余熱鍋爐和汽機配套方案的更新，機組整體性能的改善，電廠全廠供熱能力能得到很大提升。4）在啟機時間方面，聯(lián)合循環(huán)機組啟動時間主要取決于汽機啟動和帶負荷速率，6F.03改造方案由于單套機組額定負荷低，汽機啟動和帶滿負荷所需時間短，所以其啟動靈活性最優(yōu)，調(diào)峰能力最強。

4 結(jié)論

從電廠的盈利能力和抗風險性能力等方面綜合考慮，推薦9E Max改造方案為機組升級改造的首選方案，其相比其他方案的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下4個方面：1）技術(shù)指標具有先進性。在外部尺寸不變的情況下，燃機壓氣機進行總體更換能全面提高壓氣機壓比和壓氣機效率，燃機透平也從三級變成四級，機組總體性能取得明顯突破。2）解決方案具有針對性。針對電廠機組老化、運行小時數(shù)降低的情況，9E Max改造對機組延壽和部件維護提供了支持。3）改造方案具有兼容性強。9E Max實現(xiàn)了良好的互換性，盡可能地減少了技術(shù)改造對電廠系統(tǒng)里其他設(shè)備的變化和影響，能在改造成本最合適的情況下取得顯著成效。4）技術(shù)的傳承和延續(xù)性。目前已經(jīng)成熟運用在9F和9H機型上的一些成熟材料和成熟設(shè)計在9E Max上都有體現(xiàn)。