燃气－蒸汽联合循环“二拖一”机组的负荷经济性分配

陈元锁，卢 骚，王建伟

（神华浙江国华余姚燃气发电有限责任公司， 浙江 宁波 315400）

燃气－蒸汽联合循环“二拖一”机组的负荷经济性分配

陈元锁，卢 骚，王建伟

（神华浙江国华余姚燃气发电有限责任公司， 浙江 宁波 315400）

通过对 9FA 燃气－蒸汽联合循环“二拖一”机组启停过程的经济性分析， 得出冷态和热态启动的运行成本和设备维护成本； 对“一拖一”启停和连续运行这两种模式进行经济性比较， 为机组合理安排运行方式提供经济性判据， 从而实现效益最大化； 对“二拖一”运行方式下机组负荷的合理分配进行分析，以使发电气耗降至最低。

燃气-蒸汽联合循环；经济性；负荷分配

9FA 燃气－蒸汽联合循环“二拖一”机组为多轴机组，燃气轮机和蒸汽轮机分轴布置，各自带动发电机发电，但燃气轮机和余热锅炉的配置形式则与大多数的 9FA 单轴机组（燃气轮机、 蒸汽轮机、发电机为同轴布置）完全一样。 由于天然气短缺以及电网调峰所需，大多数机组都作为调峰使用，启停频繁，因此有必要对其运行方式进行经济性分析。

1 S209FA 燃气－蒸汽联合循环机组概况

神华浙江国华余姚燃气发电有限责任公司采用美国 GE 公司生产的多轴 S209FA 燃气－蒸汽联合循环机组，为“二拖一”模式， 其中单台燃气轮机（简称燃机）额定出力 250 MW， 汽轮机（简称汽机）额定出力 280 MW，总出力 780 MW。

燃机和汽机为分轴布置，各自带动发电机发电，燃机做功后的高温烟气进入各自的余热锅炉，2台余热锅炉产生的蒸汽合并后送入汽机做功， 汽机为美国 GE 公司生产的 D11 型双缸、 一次中间再热、带中压补汽和低压补汽的凝汽式机组，采用中压缸启动模式。

余热锅炉为美国 DELTAK 公司生产的卧式三压再热自然循环锅炉，锅炉内布置有高压、中压、低压3个独立的汽水系统及1个再热器。 中压系统产生的蒸汽从再热器入口注入，低压系统产生的蒸汽从中压缸的排汽室注入，整个热力系统见图1。

2 “二拖一”模式的机组启停经济性分析

2.1 冷态启动经济性分析

某次“一拖一”冷态启动的各参数情况见表1。 按照购入气价 2.41 元/m3、 电价 1.0 元/kWh（考虑 电网 无 功 补 偿 ）和 上 网 电 价 0.744 元/kWh 计算， 则用气支出成本 10×2.41=24.1 万元， 用电支出 成 本 3.24 ×1.0=3.24 万 元 ， 发 电 收 入 17.77 × 0.744=13.22 万 元 ， 综 上 计 算 可 得 1 次 冷 态 启 动所需运行成本 14.12 万元。

表1 “一拖一”冷态启动的耗时、 耗气、 耗电及发电量

2.2 热态启动的经济性分析

某次“一拖一”热态启动的各参数情况见表2。由于启动炉、辅机等已预先投运，表中累计耗气量、耗电量在燃机启动时初始值不为零。

热 态 启 动 用 气 支 出 成 本 3.85×2.41=9.28 万元， 用电支出成本 1.20×1.0=1.20 万元， 发电收入6.93×0.744=5.16 万元， 综上计算可得 1 次热态启动所需运行成本 5.32 万元。

表2 “一拖一”热态启动的耗时、 耗气、 耗电及发电量

2.3 冷炉热机启动的经济性分析

对于“二拖一”机组而言， 冷态“一拖一”、 热态“一拖一”为基本启动模式，除此之外，还有“一拖一”模式的换机（指燃机， 下同）启动， 或者是“二拖一”模式的 1 台连续运行而另 1 台调峰启停；对于后两者，如果是每天启停，则等同于热态启动，如果是隔天甚至更长时间启停，则其属于冷炉（温炉）热机（指汽机，下同）启动，这种状态有别于其他燃机发电厂的单轴机组。正常情况下，冷炉（温炉）热机这种状态比热态启动要多出 30 min 时间， 主要消耗在对主、 再热蒸汽管道金属温度的提升。因为汽机处于热态，所以要求主、再热蒸汽温度必须足够高，否则汽机转子负应力超限，损耗汽机寿命。

图1 “二拖一”机组热力系统

无论是“一拖一”模式还是“二拖一”模式， 这种冷炉热机的启动状态基本相同：燃机从启动到燃机负荷升至 70 MW 过程相同， 随后的差别在于： “一拖一”启动需要冲转启动汽机， 从启动冲转到并网需要 13min， 而“二拖一”模式中的调峰机组则需进行并汽操作，其所需时间与“一拖一”汽机启动冲转时间基本相同；二者后续的升负荷操作过程相同， 升至满负荷所需时间约为 15min。

所以， “二拖一”多轴机组， 无论是“一拖一”模式， 还是“二拖一”模式， 其耗时、 耗气等基本一样。因此， 采用“一拖一”换机启动运行方式的相关数据作为分析依据，见表3。

表3 “一拖一”冷炉（温炉）热机启动时耗时、 耗气、耗电及发电量

“一拖一”冷炉（温炉）热机启动用气支出成本6.28×2.41=15.13 万元，用 电支 出 成 本 1.84×1.0= 1.84 万元 ， 发 电收 入 13.17×0.744=9.80 万 元 ， 综上计算可得冷炉（温炉）热机启动 1 次所需运行成本 7.17万元。

2.4 “二拖一”机组的启动成本

经综合计算，第 2台机组从启动到技术出力， 热态启动耗时 70min， 成本约为 4.13 万元；冷态启动耗时 120min， 成本约为 7.0 万元。

综合以上数据得出， “二拖一”机组整套冷态启动所需运行成本 21.12 万元， 整套热态启动所需运行成本 9.45 万元。

2.5 机组启动检修成本分析

根据 GE公司设备维护手册，燃机每启停450 次或点火运行时间达 8 000 h， 将进行 C 级检修， 每次 C 级检修成本约 2 500 万元，因此每启停 1 次的检修成本为 5.56 万元， 每运行 1 h 的检修成本为 3 125 元/h， 每天为 7.5 万。

如果机组“一拖一”模式连续高负荷运行， 按照 总 负 荷 360 MW、 天 然 气 流 量 7.0 万 m3/h、 厂用电 0.708 万 kWh 进行计算， 则每小时的发电收益为 36×0.744=26.78 万元， 天然气成本7.0×2.41= 16.87 万 元 ， 厂 用 电 成 本 0.708×1.0=0.708 万 元 ，每小时净利润=发电收益-天然气成本-厂用电成本-设 备 检 修 成 本=26.78-16.87-0.708-0.31=8.89万元， 每天净利润 213.36 万元。

2.6 “二拖一”模式机组停机成本分析

“二拖一”模式机组停机过程， 是先解炉停运1 台燃机， 保持另 1 台燃机和汽机“一拖一”运行，待第 1 台燃机停机完成后， 再执行“一拖一”停机；2台燃机的停运过程基本相同，此处采用第2台燃机的“一拖一”模式停机数据。

经分析， 第 2 台燃机“一拖一”停机耗气 1.7万 m3，厂 用 电 0.3 万 kWh，发 电 7.1 万 kWh，则停机过程有 0.88 万元盈余。 燃机在低负荷下运行时效率很低，但得益于余热锅炉的蓄热以及汽机的做功，整个停机过程仍能发出较多的电量，发电气耗在 0.239 4m3/kWh 左右。

3 “二拖一”模式的机组经济运行

3.1 机组的发电气耗经济性分析

“一拖一”模式下技术出力以上负荷发电气耗情况，见表4。

由表4 看出， 燃机负荷由 160 MW 升至 180 MW运行时，发电气耗有明显下降，燃机负荷在200 MW 运 行 时 ， 发 电 气 耗 0.200 0 m3/kWh， 即每 1m3天然气能发电 5 kWh。

以燃机负荷 200 MW 为例， 1m3天然气能发电 5 kWh， 则 2 000m3能发电 10 000 kWh， 如果发电气耗下降 0.000 1m3/kWh， 则每 1 万 kWh 可节省 1m3天然气， 即每使用 2 000m3可节省 1m3，以此计算， 按照每日天然气量 150 万 m3计算，正常可发电 750 万 kWh， 则可节省 750 m3天然气， 按照 2.41 元/m3， 则可节省 1 807.5 元人民币。

以上计算是在发电气耗下降 0.000 1m3情况下，而实际上由于运行方式的不同，发电气耗波动在小数点后第 3 位， 以变化 0.001 0 m3为例，则每 1 万 kWh 可节省天然气 10m3，如果日发电750 万 kWh， 可节约 7 500 m3天然气， 相当于18 075 元人民币。按照年耗气 2 亿 m3、发电10亿 kWh 计算， 即 100 000 万 kWh， 只要发电气耗能 下 降 0.000 1m3/kWh， 即 可节 省 天然气 100 000m3， 年节约资金 241 000 元。

3.2 “一拖一”运行方式的经济性比较

由于燃气机组普遍作为调峰使用，并且受天然气量制约， 机组通常有“一拖一”连续运行和每天热态启停这2种方式。

如果燃机在最低技术出力 160 MW 连续运行24 h， 需天然气 130 万 m3， 发电量 612 万 kWh，如果 130 万 m3天然气在额定出力 250 MW 运行，则能连续运行 18 h， 发电量 675 万 kWh， 两者相差 63 万 kWh； 如在额定出力 250 MW 连续运行24 h， 需天然气 175 万 m3， 发电量 912 万 kWh；在技术出力以上负荷连续运行，负荷高低对厂用电影响不大， 每天在 17 万 kWh 左右。

如上所述，机组热态启停 1次，运行成本5.32 万 元 ， 维 护 成 本 5.56 万 元 ， 总 计 10.88 万元； 以日供气量 130 万 m3为例，有 2 种运行模式： 一是燃机负荷在 160 MW 连续运行，其日维护成本 7.5 万元； 二是燃机负荷在 250 MW 运行18 h 后停机， 缩短运行时间 6 h，节省设备维护成 本 1.88 万 元 ， 厂 用 电 4.25 万 元 ， 但 另 外 需 增加热态启动一次成本 10.88 万元， 再考虑燃机负荷在 160 MW 和 250 MW 之间增发的 63 万 kWh的电量， 折合人民币 46.87 万元， 因此， 初步估算， 日供气 130 万 m3， 采用满负荷运行后停机这种模式， 比在 160 MW 技术出力下连续运行， 要增收 39.82 万元。 两种运行模式的经济性比较见表5。

随着日供天然气量的增加，燃机保持连续运行的负荷也跟随增加，启停和连续运行这两种运行模式的经济性差距逐渐缩小，当日供天然气量达到 165.6 万 m3时， 这两种运行模式的经济性差距缩小到了 1.5 万元，考虑到机组的启停操作风险以及对一些辅机、阀门、管道等的启停冲击和疲劳、磨损等，当经济性差距缩小到一定程度时，建议优先选择连续运行这种模式。

3.3 “二拖一”模式的机组负荷经济性分配

由于燃机技术出力设定在 160MW，因此“一拖一”模式的负荷在 250～380MW 之间调整。 这种模式下，机组的效率是负荷越高经济性越好；但当机组在“二拖一”模式运行时， 联合循环的负荷在 500～780MW 之间调整， 在这个负荷区间， 燃机负荷分配的不同， 会影响到整套 “二拖一”模式机组经济性（此处只对燃机进行讨论，汽机负荷处于对应跟随状态，不对汽机因主、再热蒸汽参数变化以及汽机本体通流热效率、凝汽器热负荷等影响展开分析）， 见表6。

表4 “一拖一”技术出力以上负荷发电气耗

表5 2种运行模式的经济性比较

表6 “二拖一”运行模式下燃机不同负荷分配所对应的发电气耗m3/kWh

从表6可以看出， 当 1，2号燃机各自从技术出力 160MW 向额定出力 250 MW 增加负荷过程中，发电气耗的下降趋势有一定的规律变化。当调度要求整套“二拖一”模式机组出力稳定在500～780 MW 区间的任一负荷点时， 可以通过不同的燃机负荷分配来选择最低的发电气耗。以160MW 为起点， 先将 1 台燃机升负荷至 180MW，后将另 1 台燃机跟随至 180 MW； 再将任 1 台燃机升负荷至 200 MW， 另 1 台燃机跟随升至 200 MW； 待 2 台燃机的负荷均在 200 MW 后， 任选 1台燃机将其负荷升至满负荷，再将另1台燃机升至满负荷，这样负荷分配，能使机组在“二拖一”模式运行时，在任何1个负荷点，都是以最低的发电气耗运行，从而实现机组的经济运行。

4 结语

国内天然气资源非常紧缺，当天然气从遥远的新疆和四川、或者东海气田以及海运送至燃气发电厂的天然气门站时，天然气资源更显宝贵，因此，用好每立方米的天然气，使其发挥最大的效能，产生最大的经济效益，是每一个燃气发电厂所努力追求的方向。

[1]陈元锁，王建 伟.S209FA 燃 气－蒸汽 联 合 循 环 “二 拖 一 ”机组的启动概述及优化[J].燃气轮机技术，2011，24（91）∶60－64.

（本文编辑：陆 莹）

Econom ical Load Distribution of"Two-on-one"Gas-Steam Combined Cycle Units

CHEN Yuan-suo， LU Sao， WANG Jian-wei
（Shenhua Zhejiang Guohua Yuyao Gas Turbine Co.， Ltd， Ningbo Zhejiang 315400， China）

By economical analysis of the startup/shutdown process of 9FA"two-on-one"gas-steam combined cycle unit， operating cost and equipmentmaintenance cost of warm startup and cold startup are concluded. Startup/shutdown is compared with continuous service in terms of economical efficiency， which provides economical criteria for reasonable arrangement of operating mode and enables benefitmaximization.The paper analyzes reasonable distribution of units load in"two-on-one"mode tominimize the gas consumption for electric power generation.

gas-steam combined cycle；economical efficiency；load distribution

TK477

： B

： 1007-1881（2012）11-0048-05

2012-03-10

陈元锁（1975－）， 男， 浙江三门人， 工程师， 从事燃气轮机发电厂运行管理工作。