作者簡介：奚凌峰（1988-），男，工程師。研究方向?yàn)?FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組集控運(yùn)行。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.034

摘" 要：該文主要探究燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能狀態(tài)評(píng)估方法和優(yōu)化技術(shù)。以某燃?xì)怆姀S機(jī)組作為研究對(duì)象，分別選取燃?xì)馔钙絻?nèi)效率、蒸汽輪機(jī)內(nèi)效率與循環(huán)熱效率、余熱鍋爐余熱利用率等指標(biāo)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、余熱鍋爐的性能進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)性能穩(wěn)定，余熱鍋爐性能下降明顯。進(jìn)一步分析余熱鍋爐的煙氣數(shù)據(jù)和水汽數(shù)據(jù)，認(rèn)為蒸發(fā)器性能下降是導(dǎo)致余熱鍋爐性能下降的主要原因，在此基礎(chǔ)上提出加裝煙氣過濾裝置、優(yōu)化過渡煙道結(jié)構(gòu)等優(yōu)化策略，從而使該機(jī)組性能恢復(fù)良好。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；燃?xì)馔钙?；熱效率；余熱鍋爐；利用率

中圖分類號(hào)：TM611.31" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）21-0144-04

Abstract： This paper mainly discusses the performance state evaluation method and optimization technology of gas-steam combined cycle unit. Taking the unit of a gas power plant as the research object， the internal efficiency of gas turbine， the internal efficiency and cycle heat efficiency of steam turbine and the waste heat utilization ratio of waste heat boiler are selected to evaluate the performance of gas turbine， steam turbine and waste heat boiler. The results show that the performance of gas turbine and steam turbine is stable， and the performance of waste heat boiler decreases obviously. Based on the further analysis of the flue gas data and water vapor data of the waste heat boiler， it is considered that the decline of the performance of the evaporator is the main reason for the decline of the performance of the waste heat boiler， and on this basis， optimization strategies such as installing flue gas filter and optimizing the structure of transition flue are put forward. As a result， the performance of the unit can be restored well.

Keywords： gas-steam combined cycle unit; gas turbine; thermal efficiency; waste heat boiler; utilization rate

某燃?xì)怆姀S使用的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組于2004年正式投入運(yùn)行，機(jī)組設(shè)備包括燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、余熱鍋爐等。由于機(jī)組投入使用年限長，構(gòu)件磨損、材料老化等問題較為嚴(yán)重，機(jī)組整體性能有所下降。為準(zhǔn)確、直觀地了解燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組當(dāng)前的工況，選取該機(jī)組中的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)與余熱鍋爐三部分展開了性能評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果確定問題所在，并提出相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)，以期提高燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的綜合性能。

1" 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能狀態(tài)評(píng)估

1.1" 燃?xì)廨啓C(jī)性能計(jì)算及狀態(tài)評(píng)估

該機(jī)組使用開放循環(huán)單軸重型燃?xì)廨啓C(jī)，從結(jié)構(gòu)組成上看主要由壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙?部分組成。為了獲取燃?xì)廨啓C(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，在主要構(gòu)件上布置了測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1中，t8和t9分別表示壓氣機(jī)入口和出口的溫度，t6和t7分別表示燃?xì)馔钙綑C(jī)的入口和出口的溫度。正常情況下，外界空氣首先進(jìn)入到壓氣機(jī)中。經(jīng)過壓縮處理使空氣達(dá)到一定壓力后，高壓空氣與經(jīng)過調(diào)壓過濾后的一定壓力天然氣同時(shí)通入燃燒室。在高溫條件下，混合氣體燃燒并產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)?。這部分燃?xì)庋刂艿肋M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)后將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3 000 r/min。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)同軸相連，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電[1]。

燃?xì)馔钙絻?nèi)效率是反映燃?xì)廨啓C(jī)性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，可通過下式求得

式中：Wgt和Wgta分別表示燃?xì)馔钙降膶?shí)際輸出功率和理想輸出功率；t6和t7分別表示燃?xì)馔钙竭M(jìn)口與出口的溫度；φgt和mgt分別表示燃?xì)馔钙降膲嚎s比和空氣流量。根據(jù)公式（1），計(jì)算該機(jī)組額定負(fù)荷為300 MW時(shí)，從2004—2020年的燃?xì)馔钙絻?nèi)效率，并繪制“內(nèi)效率-時(shí)間”變化曲線，如圖2所示。

由圖2可知，在2004—2020年，該機(jī)組的燃?xì)馔钙絻?nèi)效率整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從最開始的82.5%下降到79.3%，累計(jì)下降3.2%。前幾年下降比較明顯，從2008年以后區(qū)域平穩(wěn)。僅從燃?xì)馔钙絻?nèi)效率這項(xiàng)指標(biāo)來看，該機(jī)組中燃?xì)廨啓C(jī)的性能除剛投入運(yùn)行的幾年有下降外，在運(yùn)行幾年后工況較為穩(wěn)定。

1.2" 蒸汽輪機(jī)性能計(jì)算及狀態(tài)評(píng)估

該機(jī)組的蒸汽輪機(jī)按照蒸汽壓力的不同，可以分為高壓、中壓和低壓3部分。鍋爐輸送的高壓蒸汽首先進(jìn)入高壓汽缸，做完功的高壓排汽，蒸汽壓力降低，與中壓來汽并汽后進(jìn)入中壓汽缸；經(jīng)過中壓缸做功后蒸汽壓力進(jìn)一步降低，進(jìn)入低壓汽缸。蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

由圖3可知，pH、pI、pL分別表示高壓、中壓和低壓蒸汽壓力；tH、tI、tL分別表示高壓、中壓和低壓蒸汽溫度；FH、FI、FL分別表示高壓、中壓和低壓蒸汽流量；pC表示汽輪機(jī)的排汽壓力；tCOND表示凝汽器出口溫度；tCW1和tCW2分別表示循環(huán)水進(jìn)口與出口的溫度；FCW1和FCW2分別表示循環(huán)水進(jìn)口與出口的流量。

可以用來反映蒸汽輪機(jī)性能的指標(biāo)有輸出功率、內(nèi)效率、蒸汽焓值與循環(huán)熱效率等。本文選取內(nèi)效率和循環(huán)熱效率2項(xiàng)指標(biāo)，具體計(jì)算公式如下

η1=3 600×Pst/[FH（HH-HHS）+FI（HI-HIS）+FL（HL-HLS）]，（2）

式中：η1表示蒸汽輪機(jī)的內(nèi)效率；HHS、HIS、HLS分別表示高壓、中壓、低壓蒸汽等熵膨脹至地排汽壓力時(shí)的焓值；Pst表示蒸汽輪機(jī)的輸出功率；HH、HI、HL分別表示蒸汽輪機(jī)高壓、中壓、低壓汽缸入口蒸汽焓值。

η2=Pst/Q，（3）

式中：η2表示蒸汽輪機(jī)的循環(huán)熱效率；Pst表示蒸汽輪機(jī)的輸出功率；Q表示外部熱源向蒸汽輪機(jī)輸送的熱量，可通過下式求得

Q=[FH（HH-HCOND）+FI（HI-HCOND）+FL（HL-HCOND）]，（4）

式中：HCOND表示凝結(jié)水的焓值，其他字符的含義同上。根據(jù)上述公式，計(jì)算該機(jī)組額定負(fù)荷為300 MW時(shí)，從2004—2020年的蒸汽輪機(jī)的內(nèi)效率和循環(huán)熱效率，并繪制“內(nèi)效率-時(shí)間”和“循環(huán)熱效率-時(shí)間”變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，在2004—2020年，該機(jī)組蒸汽輪機(jī)的內(nèi)效率波動(dòng)變化較為明顯，波動(dòng)區(qū)間為28%～46%；蒸汽輪機(jī)的循環(huán)熱效率相對(duì)穩(wěn)定，基本上維持在31.1%～31.5%。其中，2020年循環(huán)熱效率為31.2%，相比于最佳循環(huán)熱效率僅下降了0.3%。從內(nèi)效率這項(xiàng)指標(biāo)來看，該機(jī)組中蒸汽輪機(jī)的性能變化較為明顯，總體上呈現(xiàn)出前幾年波動(dòng)較大，后幾年波動(dòng)減小的變化趨勢(shì)；從循環(huán)熱效率這項(xiàng)指標(biāo)來看，該機(jī)組中蒸汽輪機(jī)的性能略有下降，變化不明顯。

1.3" 余熱鍋爐性能計(jì)算及狀態(tài)評(píng)估

余熱鍋爐也是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的重要組成，它能將燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔馐占饋聿⒗闷錈崃?，因此余熱鍋爐本質(zhì)上可以看作是一種熱交換裝置[2]。根據(jù)循環(huán)介質(zhì)的不同，余熱鍋爐內(nèi)存在2種循環(huán)，分別是水循環(huán)、煙氣循環(huán)。煙氣透平的出口排出高溫?zé)煔夂?，?jīng)管道輸送到余熱鍋爐中。高溫?zé)煔馐紫扰c水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換。由于水的比熱容較大，凝結(jié)水吸收熱量后產(chǎn)生大量的水蒸氣，經(jīng)管道輸送至蒸汽輪機(jī)中。從調(diào)查情況來看，該機(jī)組中使用的余熱鍋爐屬于“三壓再熱臥式無補(bǔ)燃自然循環(huán)”鍋爐，為減小對(duì)空間的占用，鍋爐內(nèi)部的省煤器、過熱器等均采用模塊化結(jié)構(gòu)[3]。除了上述模塊外，余熱鍋爐還設(shè)有汽包（包括高壓、中壓和低壓3類）等，系統(tǒng)組成如圖5所示。

由圖5可知，汽輪機(jī)出口排出的高溫蒸汽進(jìn)入凝汽器后，遇冷產(chǎn)生凝結(jié)水，通過水泵將凝結(jié)水泵送至低壓汽包。然后由低壓汽包分3路將無氧凝結(jié)水輸送出去。

第1路進(jìn)入低壓蒸發(fā)器，相應(yīng)地形成低壓蒸汽。通過管道將低壓蒸汽再次送回低壓汽包。將飽和蒸汽與飽和水分離后，氣體部分輸送給汽輪機(jī)的低壓模塊，水部分則留下來繼續(xù)參與循環(huán)。

第2路進(jìn)入中壓給水泵，然后通過管道輸送至中壓省煤器。在該設(shè)備內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，得到汽水混合物。然后進(jìn)入中壓汽包，利用蒸發(fā)器的汽水分離裝置將混合物中的蒸汽與水分開，讓水回到汽包內(nèi)重新參與循環(huán)，讓蒸汽通過管道輸送給中壓過熱器，最終進(jìn)入到汽輪器中壓氣缸做功。

第3路進(jìn)入高壓給水泵，首先進(jìn)行升壓然后按照壓力從低到高的順序，依次將凝結(jié)水輸送至I級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)高壓省煤器，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱，得到汽水混合物。然后進(jìn)入高壓汽包，利用蒸發(fā)器的汽水分離裝置將混合物中的蒸汽與水分開，水通過下降管進(jìn)入到高壓汽包內(nèi)重新參與循環(huán)，蒸汽則通過導(dǎo)汽管進(jìn)入高壓過熱器，經(jīng)過熱交換后以高壓過熱蒸汽的形式參與汽輪機(jī)做功[4]。

可以用來反映余熱鍋爐性能的指標(biāo)有余熱利用率、有效輸出熱量等。本文選取“余熱利用率”作為評(píng)價(jià)余熱鍋爐性能的指標(biāo)。計(jì)算該機(jī)組額定負(fù)荷為300 MW時(shí)，從2004—2020年的余熱鍋爐的余熱利用率，并繪制“余熱利用率-時(shí)間”變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，從2004—2020年，該機(jī)組余熱鍋爐的余熱利用率呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢(shì)。鍋爐剛投入運(yùn)行時(shí)，余熱利用率最高，為78.5%；截止到2020年，余熱利用率降低至71.0%，累積下降了7.5%。從余熱利用率這項(xiàng)指標(biāo)來看，該機(jī)組余熱鍋爐的性能退化較為嚴(yán)重。

2" 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組狀態(tài)診斷與優(yōu)化技術(shù)

2.1" 余熱鍋爐狀態(tài)診斷

通過上文的性能計(jì)算與狀態(tài)評(píng)估，可以發(fā)現(xiàn)該機(jī)組在投入運(yùn)行近20年后，蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的性能雖然有所下降，但是目前來看基本穩(wěn)定；相比之下，余熱鍋爐的性能退化較為明顯。為此，將余熱鍋爐作為重點(diǎn)研究對(duì)象，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)做進(jìn)一步的診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果采取相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)。分別采集2004—2020年、機(jī)組負(fù)荷為300 MW時(shí)，余熱鍋爐的煙氣側(cè)數(shù)據(jù)和水汽側(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，對(duì)余熱鍋爐性能下降問題作出了初步診斷，即高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器的換熱效果下降，是導(dǎo)致余熱鍋爐性能下降的主要原因。在高壓、低壓蒸發(fā)器內(nèi)主要進(jìn)行“煙-水”換熱，在這一過程中煙氣中的灰塵附著在蒸發(fā)器內(nèi)壁上，隨著設(shè)備使用時(shí)間的增加，結(jié)成一層具有一定厚度并且導(dǎo)熱較差的灰垢[5]。由于熱阻增加，導(dǎo)致余熱鍋爐的余熱利用率降低，進(jìn)而表現(xiàn)為性能下降。

2.2" 余熱鍋爐性能優(yōu)化

根據(jù)上述診斷結(jié)果，對(duì)該機(jī)組的余熱鍋爐制定以下優(yōu)化方案：第一，在余熱鍋爐的進(jìn)氣口加裝氣體凈化裝置，盡可能地過濾掉煙氣中的灰塵顆粒物等雜質(zhì)，從源頭上減少余熱鍋爐蒸發(fā)器內(nèi)壁上黏附的灰塵，延緩灰垢的形成時(shí)間；第二，優(yōu)化過渡煙道的結(jié)構(gòu)，改善煙氣在管道內(nèi)的流動(dòng)狀況，盡量讓煙氣的流速更加均勻，也能避免因?yàn)闊煔馔牧鞫鴮?dǎo)致的排氣阻力增加、換熱性能下降等問題，達(dá)到提高余熱鍋爐余熱利用率的優(yōu)化效果。

3" 結(jié)束語

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的回收利用，從而讓機(jī)組的循環(huán)熱效率得到提升，兼顧了實(shí)用性和環(huán)保性。在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，由于高爐煙氣中含有大量粉塵顆粒物，隨著時(shí)間的推移在機(jī)組設(shè)備的內(nèi)壁上結(jié)垢，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降、換熱能力降低。對(duì)于這些問題，一方面可以采取外加過濾裝置的方式，延緩結(jié)垢的形成；另一方面則可以優(yōu)化現(xiàn)有的裝置結(jié)構(gòu)，保證煙氣流速穩(wěn)定，提高換熱效率，從而保證機(jī)組性能穩(wěn)定可靠。

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