劉 熒 ， 張思愚

（1.中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100073；2.中國電建集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100036）

相對于常規(guī)煤電蒸汽輪機(jī)機(jī)組，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以其高效、快速負(fù)荷響應(yīng)性、清潔燃燒、低污染物排放等優(yōu)勢，逐步成為新建火力發(fā)電站的主流機(jī)組。隨著目前電力市場風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、分布式電源和其他新能源電廠的大力發(fā)展，新能源發(fā)電在電網(wǎng)發(fā)電中的占比不斷提高?；谛履茉窗l(fā)電本身“靠天吃飯”的特性，比如風(fēng)的強(qiáng)度在不斷地變化，太陽照射受到多種環(huán)境因素的影響不斷變化等，其電能輸出不穩(wěn)定，且目前儲能技術(shù)受制于電池的研發(fā)，價格相對高昂，對于電網(wǎng)來說增大了對調(diào)峰和調(diào)頻能力的需求。而燃?xì)廨啓C(jī)基于其本身的性能特性，在電網(wǎng)中多為調(diào)峰模式運(yùn)行，即燃?xì)廨啓C(jī)會長時間處于部分負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行。如果調(diào)整其運(yùn)行方式，提高燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷工況下的熱效率，將在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)方面起到促進(jìn)作用。例如，海外獨(dú)立發(fā)電廠（IPP）項目的策劃過程中，通過對燃?xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷的熱效率提高了0.5%～1%，并且隨著負(fù)荷的降低其效率改善愈發(fā)明顯。

1 燃?xì)廨啓C(jī)自身特性及外部邊界條件的影響

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理

燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理主要是基于布雷頓循環(huán)（Brayton cycle）。最初的布雷頓發(fā)動機(jī)使用活塞式壓縮機(jī)和活塞膨脹機(jī)，但更現(xiàn)代的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和吹氣式噴氣發(fā)動機(jī)也遵循布雷頓循環(huán)。盡管循環(huán)通常是作為開放系統(tǒng)運(yùn)行的（并且實(shí)際上如果使用內(nèi)部燃燒必須如此運(yùn)行），但為了熱力學(xué)分析的目的，通常假定廢氣在進(jìn)氣中被重新使用，因此，分析成為封閉系統(tǒng)的布雷頓循環(huán)包括4個過程：1）壓氣機(jī)中等熵壓縮（或絕熱壓縮）過程。2）燃燒室中定壓加熱過程。3）透平中等熵膨脹（或絕熱膨脹）過程。4）大氣中定壓放熱過程。

燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程：壓氣機(jī)（即壓縮機(jī)）連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)?；隨即流入燃?xì)馔钙街信蛎涀龉?，推動透平葉輪帶著壓氣機(jī)葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后高溫燃?xì)獾淖龉δ芰︼@著提高，因而燃?xì)馔钙皆趲訅簹鈾C(jī)的同時，尚有余功作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出機(jī)械功[1-2]。

常規(guī)煤電蒸汽輪機(jī)的工作原理主要基于朗肯循環(huán)，是以水蒸氣作為工質(zhì)的一種理想循環(huán)過程，主要包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹以及一個等壓冷凝過程，用于蒸汽裝置動力循環(huán)。蒸汽輪機(jī)的工作過程是，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流入蒸汽透平，在蒸汽透平中膨脹做功，推動透平旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)械功[3]。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)的出力特性

燃?xì)廨啓C(jī)集燃燒和做功于一體，其最大出力取決于機(jī)組系統(tǒng)本身的設(shè)計（定型產(chǎn)品和常規(guī)配置）和運(yùn)行時機(jī)組外部的邊界條件（主要影響因素有環(huán)境大氣壓、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度和燃料特性）[4-6]。不同于常規(guī)煤電汽輪機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)出力受制于燃?xì)廨啓C(jī)本身的最大出力，當(dāng)機(jī)組老化后，燃?xì)廨啓C(jī)的可提供電力也將逐漸下降（其供電能力隨著環(huán)境溫度的變化和燃料的波動也是變化的）。常規(guī)煤電機(jī)組由于電站主機(jī)選型階段鍋爐按BMCR（鍋爐最大連續(xù)運(yùn)行）工況選型，其對應(yīng)汽輪機(jī)VWO（閥門全開）工況。汽輪機(jī)VWO工況基于汽輪機(jī)的TMCR（汽輪機(jī)最大連續(xù)運(yùn)行）工況應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ㄖ饕菣C(jī)組的老化）。常規(guī)煤電機(jī)組在其整個設(shè)計壽命期內(nèi)可以保證其最大出力及供電能力穩(wěn)定（其供電能力在環(huán)境氣溫和燃料波動時也是有保障的）。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率受負(fù)荷變化的影響大

燃?xì)廨啓C(jī)集燃燒和做功于一體，其流體工質(zhì)為煙氣（由于總質(zhì)量受到燃燒等邊界條件限制，煙氣的比容相對大），部分負(fù)荷對其效率的影響就大于流體工質(zhì)為水蒸氣的常規(guī)汽輪機(jī)（由于總質(zhì)量不受燃燒及相關(guān)邊界條件限制，水蒸氣的比容相對?。7-8]。

基于參考項目的性能數(shù)據(jù)分析，F(xiàn)級燃?xì)廨啓C(jī)的一拖一聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，在其50%負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時，其機(jī)組熱效率相比于其100%負(fù)荷時的熱效率，下降了約17%。常規(guī)600 MW的超臨界燃煤機(jī)組，在其50%負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時，其機(jī)組熱效率相比于其100%負(fù)荷時的熱效率，下降了約7.5%，說明燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率受負(fù)荷變化的影響更大。

1.4 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度升高對燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率的影響

燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)為煙氣，煙氣的質(zhì)量流量即煙氣密度（最大體積流量受流體邊界條件的限制不能隨意增大）決定了其工質(zhì)的總量，而工質(zhì)的總量基本決定了燃?xì)廨啓C(jī)的做功能力（在其他邊界條件限定的情況下，工質(zhì)的總量決定了工質(zhì)攜帶能量的能力）。工質(zhì)（煙氣）的總量主要決定于壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的總質(zhì)量，在流體進(jìn)氣總?cè)莘e受限和大氣壓穩(wěn)定的情況下，進(jìn)氣的溫度決定了進(jìn)氣的總質(zhì)量即工質(zhì)的總量，因此也決定了燃?xì)廨啓C(jī)的出力。燃?xì)廨啓C(jī)的出力隨著進(jìn)氣溫度的升高而降低。從燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的熱力學(xué)原理上來講，在其他邊界條件不變的情況下，進(jìn)氣溫度越高，燃機(jī)輪機(jī)的熱效率越低。從性能計算數(shù)據(jù)上看，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度升高對燃?xì)廨啓C(jī)出力的影響遠(yuǎn)大于對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響。

溫度對燃?xì)廨啓C(jī)出力的影響遠(yuǎn)大于溫度對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響。當(dāng)進(jìn)氣溫度由-5 ℃變到55 ℃時，燃?xì)廨啓C(jī)出力修正由1.055變?yōu)?.77，差值為0.285，而燃?xì)廨啓C(jī)的效率修正從1.005變?yōu)?.93，差值為0.075。若用簡單算數(shù)比值的方法比較可以看出壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度對燃?xì)廨啓C(jī)出力的影響是其對效率的影響的3倍以上[9-11]。

2 工程實(shí)踐中利用燃?xì)廨啓C(jī)特性優(yōu)化其部分負(fù)荷效率

根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)預(yù)測分析，相關(guān)的負(fù)荷情況如表1所示。

表1 電站的年負(fù)荷測算

從表1可以看出，由于受到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)本身的系統(tǒng)容量和負(fù)荷需求的限制，機(jī)組在近期內(nèi)（運(yùn)行最初幾年）都不是在滿負(fù)荷的條件下運(yùn)行。70%的運(yùn)行時間都在300 MW～350 MW負(fù)荷之間。該機(jī)組性能保證工況滿負(fù)荷運(yùn)行時的出力是458.9 MW，此時的機(jī)組效率是60.49%。

部分負(fù)荷情況下，機(jī)組效率及效率下降情況如表2所示。

表2 部分負(fù)荷下機(jī)組效率及效率下降情況

為了提升項目經(jīng)濟(jì)性，基于燃?xì)廨啓C(jī)本身負(fù)荷和效率特性及外部邊界條件的影響，筆者與燃?xì)廨啓C(jī)制造廠家一起研究探討可行的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組部分負(fù)荷性能優(yōu)化方案。因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度對燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷影響遠(yuǎn)大于對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響，所以燃?xì)廨啓C(jī)制造廠家建議在壓氣機(jī)進(jìn)氣口設(shè)置一個進(jìn)氣預(yù)熱器（一個系統(tǒng)配置類似燃?xì)廨啓C(jī)的性能加熱器），利用余熱鍋爐產(chǎn)生的熱水通過預(yù)熱器加熱空氣提升壓氣機(jī)進(jìn)口的空氣溫度。

機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化后，部分負(fù)荷情況下機(jī)組效率及效率下降情況如表3所示，部分負(fù)荷下的運(yùn)行小時數(shù)發(fā)電量和效率優(yōu)化情況如表4所示。

表4 部分負(fù)荷下的運(yùn)行小時數(shù)發(fā)電量和效率優(yōu)化情況

優(yōu)化前年發(fā)電效率：(200 000*59.47%+840 000*58.37%+840 000*56.86%+520 000*51.83%)/(200 000+840 000+840 000+520 000)=56.52%

優(yōu)化后年發(fā)電效率：(200 000*60.03%+840 000*59.12%+840 000*57.66%+520 000*52.86%)/(200 000+840 000+840 000+520 000)=57.33%

參考年發(fā)電量加權(quán)平均折算并采用部分負(fù)荷運(yùn)行優(yōu)化后，年發(fā)電效率由56.52%提高到了57.33%，提高了0.81%。而且表3也體現(xiàn)出，機(jī)組越是處于低負(fù)荷狀態(tài)，其效率提高越明顯。

表3 機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化后部分負(fù)荷下效率及效率下降情況

依據(jù)上述數(shù)據(jù)對項目電站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析：

1）項目預(yù)估當(dāng)年天然氣價格為10.62 USD/MMBtu，1 kW·h=3 412 MBtu。

2）年發(fā)電量為2 400 000 MW·h=8 188 800 MMBtu。

3）機(jī)組優(yōu)化前的年燃料成本：8 1 8 8 8 0 0/56.52%*10.62 USD=153 865 987.3 USD。

4）機(jī)組優(yōu)化前的年燃料成本：8 1 8 8 8 0 0/57.33%*10.62 USD=151 692 056.5 USD。

5）優(yōu)化后節(jié)省的年燃料費(fèi)用：153 865 987.3-151 692 056.5=2 173 930.8 USD。

按照海外項目情況預(yù)估設(shè)備添置成本為1 MUSD，設(shè)備運(yùn)維成本按每年0.1 MUSD考慮。從上述數(shù)據(jù)看，系統(tǒng)針對部分負(fù)荷工況的優(yōu)化，帶來的經(jīng)濟(jì)效益明顯?？紤]到優(yōu)化后還可以提高機(jī)組平均熱效率，減少燃料的消耗，減少碳排放，其帶來的綜合收益更是巨大。

3 結(jié)論

針對海外獨(dú)立發(fā)電廠（IPP）項目調(diào)峰負(fù)荷特性的需求，基于燃?xì)廨啓C(jī)本身做功的特性和燃?xì)廨啓C(jī)廠家的產(chǎn)品特點(diǎn)，筆者認(rèn)為在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)置空氣預(yù)熱器，可以有效提高燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷熱效率，從而達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境和降低發(fā)電的目的。燃機(jī)部分負(fù)荷時采用加熱入口空氣溫度運(yùn)行方式時，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷的熱效率提高了0.5%～1%，且隨著負(fù)荷的降低其效率改善越明顯。