大型燃气-蒸汽联合循环供热电站选型分析

曾荣鹏，郑淑芳，谢李兵

(1.北京龙威发电技术有限公司，北京 100044;2.联邦控股(香港)有限公司，北京 100029;3.广西桂能科技发展有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

我国能源以煤炭为主，天然气资源所占比重较小且分布很不均匀。大型燃气-蒸汽联合循环电站主要集中在中心城市、沿海地区以及天然气产地。例如，北京郑常庄、太阳宫，深圳美视，杭州半山，内蒙古苏里格等E级、F级燃气-蒸汽联合循环电站。

与传统煤电相比，天然气发电在燃料成本上缺乏竞争力，除去政策补贴以及减排收益等有利因素外，联合循环电站的容量在很大程度上决定了项目的可行性。考虑到地区特点，基于F级燃气轮机的联合循环发电技术是我国华北、东北、东南沿海等大部分地区的首选;如果上述地区有供热需求，可结合地区特点，选择E级及其他等级的燃气轮机(以下简称燃机)［1］。

本文以广东某燃气热力公司的燃气-蒸汽联合循环发电供热项目为例，分析比较了E，F级联合循环供热电站的特点，为同类项目提供参考。

1 项目概况

该项目燃料为液化天然气LNG(Liquefied Natural Gas)，低位热值为36.57 MJ/m3，采用“以热定电”的运行模式。热负荷全部为工业热负荷，压力为1.1 MPa，温度为290℃，供汽量为170～270 t/h，特点如下:

(1)供汽可靠性高，要求有充足的备用容量;

(2)日热负荷与年热负荷波动大，供热调峰能力要求高;

(3)年最大热负荷持续时间为8 540 h。

2 系统与方案

根据热负荷连续性强、波动性大和供热时间长等特点，方案优先考虑机组的可用率及运行方式的灵活性。

2.1 联合循环整体布局与供热能力的选择

可供选择的燃气轮机有GE、三菱、西门子、阿尔斯通4家公司的9E和9F型号，整体布局考虑单轴配置方案与典型的多轴配置方案“2拖1”型。

多轴配置方案较前者供热能力有所提高，整体布局结构紧凑，适合带基本热负荷;在热负荷调峰方面不如单轴配置方案灵活性强。考虑到该工程热负荷的特点，选择单轴配置方案。

2.2 单轴配置方案的选择

根据热负荷容量、热负荷调峰和机组检修的需要，有2种单轴配置方案可供选择。

方案1∶2套S109FB(1台F级燃机+1台余热锅炉+1台抽汽凝汽式汽轮机)燃气-蒸汽联合循环供热机组，采用“1用1备”的运行方式，年运行小时数为5 000 h，利用汽轮机抽汽供热。

方案2∶3套S109E型(1台E级燃机+1台余热锅炉+1台汽轮机组)燃气-蒸汽联合循环供热机组，1套S109E配备背压式汽轮机，汽轮机排汽可满足最小供热负荷(170 t/h)需求;另外2套配备抽汽凝汽式汽轮机，利用汽轮机的抽汽对热负荷调峰。年运行小时数:1套S109E(背压机组)为7 020 h，2套S109E(抽凝机组)分别为5 000 h和2 200 h。

通常的运行模式:1套S109E(背压机组)+1套S109E(抽凝机组);当S109E(背压机组)检修时，2套S109E(抽凝机组)通过抽汽供热。

3 联合循环供热机组性能

现将GE、三菱、西门子、阿尔斯通4家公司9E，9F联合循环供热机组的简单循环与联合循环参数汇总于表1、表2。

3.1 燃气轮机结构的分析与对比

(1)压气机通流部分采用“可控扩压”设计，使压气机获得大流量、高压比。对于压气机来说，1个级的增压比只有1.15～1.35，整台燃机的压比和压气机的级数有关，以GT26燃机为例，级数为22级，压比高达30。

表1 E，F级燃机参数汇总(简单循环)

表2 E，F级燃机参数汇总(联合循环)

采取中间级放气的防喘振措施且机组负荷在70%～100%额定负荷间波动时，通过调整可调导叶(静叶)的进气角保持燃机的排气温度不变，可获得良好的喘振裕度和较高的等熵压缩效率。

(2)GE公司透平的级数为3级，三菱、西门子公司透平的级数为4级，阿尔斯通公司透平的级数为5级。透平级数选得小，则级焓降偏大、等熵膨胀效率较低，使得机组效率有所降低。以GE公司E级燃机为例，其效率较其他3家公司燃机效率略偏低0.8% ～3.6%，但级数少有利于整个机组结构的简化。

3.2 汽轮机组与供热方式的选择

联合循环机组中的汽轮机组带部分负荷时，通常采用滑参数运行方式，因此，在汽轮机组设备选型阶段，应对抽汽量与效率之间的关系以及汽轮机滑参数运行的可行性进行充分论证。

考虑到汽轮机的供热抽汽量很大，必须认真校核汽轮机抽汽处部件的结构强度，包括汽缸结构、缸体上的开口位置、抽汽管的管径和位于抽汽口前一级的压力级的强度等;同时考虑抽汽口后各级汽轮机压力级冷却蒸汽流量的需求。

3.3 E，F级燃机联合循环方案比较

分析表1、表2中E，F级燃机循环方案，发现有以下特点:

(1)就燃机自身的特点而言，E级容量为126.1～182.2MW，效率为33.8% ～37.4%;F级容量为284～312MW，效率为37.9% ～39.8%。与F级相比，E级属于低一个档次的产品。

(2)F级透平进、排气温度均高于E级，使得其简单循环效率相对于E级提高1.1% ～5.1%，联合循环效率提高5.8% ～7.5%。进口温度提高，相关部件材质与冷却技术也要做相应的调整，这在一定程度上增加了制造成本与维护费用。

(3)排气温度提高有利于提高余热锅炉的参数。E级一般采用双压锅炉，F级可采用三压锅炉甚至再热锅炉。采用三压蒸汽系统，可使排烟温度进一步降到80～90℃，联合循环的效率比双压锅炉提高0.6 个百分点［2］。

(4)热电比与热效率的比较分析。与E级相比，F级的热电比小而热效率大。所有方案均符合《关于发展热电联产的规定》第7条:燃气-蒸汽联合循环热电联产系统总热效率年平均大于55%，各容量等级燃气-蒸汽联合循环热电联产系统的热电比年平均应大于30%的规定。

4 经济性分析

如前所述，E级与F级机组就性能而言，不具有可比性。在综合考虑燃料成本、机组滑参数运行的特点、维护费用、机组可用率、投资等因素后，E，F级燃机却各有优势，应根据具体情况合理选择。

4.1 经济性计算

结合表1、表2的技术方案，对其经济性进行对比分析，具体内容见表3。

对表3补充说明如下:运行小时数，额定负荷下5000 h;大修费率，E型取3.5%，F型取4.0%;人工费用，定员90人，人均工资10万元/(人·年);电价，0.698 2元/(kW·h);天然气价格，3元/m3;热价，101.68元/GJ。

4.2 联合循环机组经济性分析

在联合循环机组中，发电功率及发电效率主要取决于燃机，即使在汽轮机负荷下降较多时，只要维持燃机在最佳负荷范围(80% ～100%)内运行，整个联合循环系统的发电效率就变化不大［3］。但是，当负荷降低到50%以下时，无论是燃机还是联合循环机组，效率都将大幅度下降。

根据表3相关数据对比可知:带基本负荷时，F级机组经济性优于E级机组;当热负荷调峰时，E级可以通过调整机组的运行台数来保持机组的高效运行，F级只能降低运行负荷来满足调峰需求。因此，当1台F级机组在低负荷下运行时，联合循环机组的效率低于2台E级联合循环机组的综合效率。

另外，就单机抽汽量的大小与变化量而言，E级机组的抽汽量为0～90 t/h，F级机组的抽汽量为170～270 t/h，前者抽汽量波动比后者小很多，E级在设计制造与运行调节上更具优势。

再者，从初温与负荷频繁变动的幅度来看，F级机组维护与部件更换的成本将高于E级机组。

综上所述，设备选型既要考虑机组性能参数的提高可部分抵消燃料价格偏高的影响，又要兼顾机组维护费用的增加，尤其是燃机核心部件的更换成本。一般情况下，采用高性能燃机的联合循环电站的经济性更好，但这不是必然的，当燃机的成本和维护费用都因初温的提高而增长较大时，经济性反而会变差［4］。

考虑到该工程工业热负荷的特点以及“以热定电”的运行方式，采用2台E级机组并列运行，更有利于机组的热负荷调峰。

表3 E，F级燃气－蒸汽联合循环发电供热经济性比较

4.3 影响因素分析

前面所有论述都是围绕联合循环机组的效率展开的，效率高则供热电站经济性就好。燃料价格、售电价格与运行小时数是独立于机组性能之外，直接影响供热电站经济性的外部因素，对投资回收期敏感性的分析如下。

4.3.1 天然气价格影响

由表4可以看出，燃料成本与回收期的变化趋势是一致的，E级联合循环的投资回收期受燃料成本波动的影响很大，而F级的变化比较平稳。说明在额定容量下F级机组对燃料价格风险具有一定的抵抗能力，与参考文献［1］中高燃料价格下F级燃机联合循环是首选的论断是一致的。

4.3.2 售电价格影响

由表5可知，随着电价升高，投资回收期相应缩短。E级联合循环机组的回收期随电价上浮比率小于下浮比率，而且变化较大，说明其对电价波动比较敏感;F级的回收期随电价浮动变化比较平缓，说明F级回收期受电价的波动影响较小，抗风险能力较强。

4.3.3 运行小时数影响

分析表6可以发现，年运行小时数越大投资回收期越短，其波动幅度与年运行小时数的变化量成正比。

表4 天然气价格与投资回收期

表5 售电价格与投资回收期

表6 年运行小时数与投资回收期

5 结论

(1)多轴配置方案较单轴配置方案在整体布局方面结构紧凑，供热能力有所提高，适合带基本热负荷;在热负荷调峰方面的灵活性不如单轴配置方案。

(2)汽轮机选型时，应对汽轮机滑压运行工况下抽汽量与效率之间的关系、抽汽口后各级汽轮机压力级的冷却蒸汽量以及汽轮机抽汽处结构强度等进行认真校核。

(3)对于F级联合循环发电供热机组，在燃机带基本负荷时，F级的性能优于E级，而多台E级机组具有负荷调峰的优势，应根据具体情况合理选择机组。

(4)与E级联合循环发电供热燃机相比，F级机组在高负荷下对气价与电价的波动风险具有一定的抵抗能力;E，F级机组的投资回收期与年运行小时数都成反比例关系。

(5)在联合供热电站设备选型时，不但要考虑机组性能的优劣，而且要兼顾机组的负荷特性、运行方式以及维护、检修成本。

［1］刘宇，倪维斗，椙下秀昭，等.从地域角度看燃气轮机发电在我国的发展及选型［J］.燃气轮机技术，2005，18(3):1-7.

［2］何语平.大型天然气联合循环电厂对汽轮机的选择［J］.中国电力，2004，37(4):5-8.

［3］焦树建.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［4］冯静，倪维斗，椙下秀昭，等.燃气轮机性能对联合循环电站经济性的影响［J］.动力工程，2006，26(2):215-220.