燃气轮机发电厂的运行优化及天然气调峰
2014-11-27王家东
王家东
摘 要：以某燃气电厂为例，分析了机组类型与天然气燃量之间的平衡关系，并论述了不同运行方式与电厂整体经济性之间的关联性。在此基础上，得出了燃气轮机发电厂运行优化的具体方案和天然气调峰的有效措施，以此优化燃气电厂的运行管理。
关键词：燃气轮机发电厂；运行优化；天然气；调峰运行
中图分类号：TM621.27 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）21-0005-02
随着民用天然气使用量的增长和投入运行的燃气电厂越来越多，天然气供应不足已经成为了燃气电厂迫切需要解决的问题。为了有效地缓解天然气的供需矛盾，提高燃气电厂运行的稳定性和经济效益，本文深入研究并分析了该燃气电厂的优化运行和天然气调峰情况。
1 某电厂机组的基本情况
某电厂使用的2台机组装机容量为125 MW，原设计的燃料为重油。2013年，该电厂分别对这2台机组的燃料系统进行了油气双燃料的技术改造。为了进一步满足电力负荷的增长需要，电厂计划2015年加设2台350 MW燃气—蒸汽联合循环机组，该机组使用的天然气由距其较近的2处油气田供应。
由于受上游资源的限制，管道的供气规模只能逐渐递增，预计到2015年，管道的供气规模为8×108 m3/a。但是，该供气规模无法满足电厂的实际用气需求。与此同时，由于天然气管道的长度只有67 km，所以，储气调峰能力受到了限制，给该电厂的发电运行增加了一定的难度。
2 电厂气源和输气管道工程
为该电厂提供天然气的甲油气田距离电厂大约230 km，其可采储量为4.2×109 m3。而乙油气田位于甲油气田东南方向130 km处，可采储量为1.80×1010 m3。天然气管道工程由1条干线、5条支线、6座站场和7个座阀室组成，干、支线总长12 518 km，输气规模为1.6×109 m3/a。根据气田的配产方案和自用气数据可知，终端站为天然气管道提供的天然气产量如表1所示。由此可见，该电厂的实际需气量与终端站的产量有较大的差距。
表1 终端站逐年外输天然气的能力
年份 产量/（108m3/a） 年份 产量/（108m3/a）
2008 10.00 2017 15.00
2009 15.00 2018 15.00
2010 15.00 2019 13.06
2011 15.00 2020 10.00
2012 15.00 2021 7.03
2013 15.00 2022 6.11
2014 15.00 2023 4.77
2015 15.00 2024 2.71
2016 15.00
3 电厂的用气量
该电厂现有2台125 MW机组，并将于2015年投入运行的2台9F级350 MW机组，它们的燃用天然气气量平衡情况如表2所示。
4 电厂运行优化与技术经济比较
由表2可知，9F级机组和125 MW机组在具体的运行过程中，2种燃机可以相互调配和优化。9F级机组的发电效率为56%，而125 MW燃机的发电率为37.8%，9F级机组的发电率明显优于另一种。同时，因为燃气轮机发电机组的启动性能比较好，所以，可以将其定位成电网调峰机组。目前，9F级燃气轮机联合循环机组的设计运行时间为3 500 h。就整体情况而言，电厂运行还存在一定的优化空间。
表2 某电厂125 MW机组和9F机组的天然气气量平衡
机组连续运行时间/h 2×125 M W机组 2×350 M W机组（9F级）
发电量/GWh 用气量/（108m3/a） 发电量/G·Wh 用气量/（108m3/a）
2 500 625 1.56 1 890 3.54
3 000 750 1.87 2 270 4.25
3 500 875 2.18 2 650 4.96
4 000 1 000 2.49 3 030 5.67
4 500 1 125 2.8 3 400 6.38
5 000 1 250 3.11 3 780 7.09
5 500 1 375 3.42 4 160 7.80
6 000 1 500 3.74 4 540 8.5
在使用过程中，如果是短程运行系统，可以选用9F级机组。此外，从表2的数据中可知，9F级机组的运行会受时间的影响。在长时间的运行过程中，机组需要消耗大量的燃料。此时，可以选用125 MW燃机，这样能有效地节约燃料。由表3可知，在9F级燃气轮机发电机组持续运行时间不断延长的情况下，全厂的发电量也在逐渐增加。
表3 某电厂燃气轮机发电机组在不同连续运行时间下的整体经济性
9F级机组 125MW机组
连续运行时间/h 用气量/（108m3/a） 发电量/TW·h 连续运行时间/h 用气量/（108m3/a） 发电量/TW·h 全厂发电量/TW·h 电厂发电量比较/%
2 500 3.52 2.26 7 164 4.46 1.78 4.05 95.3
3 000 4.21 2.64 6 024 3.75 1.50 4.17 97.8
3 500 4.95 3.02 4 880 3.04 1.21 4.23 100
4 000 5.66 3.40 3 743 2.33 0.92 4.34 102.3
4 500 6.37 3.78 2 603 1.62 0.64 4.45 104.2
5 000 7.08 4.15 1 461 0.91 0.36 4.53 106.7
5 天然气调峰与气量平衡的关系分析
该电厂125 MW机组经过技术改造后，可以实现油气双燃料运行且可在线切换，从而达到了调峰的目的。本文只研究了天然气供应不足并用重油补峰情况下的天然气流量特性，并假设125 MW机组一年持续运行时间为5 000 h，9F级燃气轮机机组一年持续运行时间为3 500 h。在最大负荷月中的最大负荷日，将会出现天然气供气量峰谷差的最大值。通过研究电厂典型年、月的负荷特性曲线，能够得出年最大负荷日的用气量峰值，如图1所示。当天然气用气峰值较大时，电厂可以将125 MW机组切换为重油补充发电，天然气流量会相对减少，以此来减轻天然气的需求压力，降低供气管道的调峰压力。总的来说，在电厂运行的过程中，要密切关注峰值变化情况，再结合实际情况调整机组的运行方式，以达到运行调峰的目的。
由图1可知，在采取重油补峰时，负荷的峰值不会发生波动，而天然气流量会相对减少，天然气缺口与最大负荷日重油发电量之间成正比关系。表4是在天然气出现缺口的情况下，电厂天然气流量峰值的变化情况。
图1 电厂典型年、月负荷特性曲线
通常情况下，天然气流量相对峰值是以发电量为4.0 TW·h的天然气流量为基准的。从表4中可以看出，在此基础上，随着发电量的逐渐升高，补充重油量也在逐渐增加，进而增加了最大负荷日的重油发电量，这样，重油削峰效果也就越来越显著。
表4 某电厂补峰发电量与天然气流量相对峰值的关系
发电量/TW·h 补充重油量/kt 最大负荷日重油发电量/MW·h 天然气流量的相对峰值/%
4.0 0 0 100
4.1 23 312 96.7
4.2 46 624 95.9
4.3 68 936 91.8
6 结束语
综上所述，采用管道天然气的燃气轮机发电厂与其他发电厂相比有一定的特殊性，优化发电厂的发电机组并调整其运行方式，有利于实现电厂整体经济效益的最大化。例如，可以将不同类型的机组组成一个系列，由它们共同参与电网调峰，而增加机组的连续运行时间等都有利于提高电厂的整体经济效益。
参考文献
[1]王娟娟，吕泉，李卫东，等.电力市场环境下燃气轮机调峰交易模式研究[J].电力自动化设备，2014（1）：73-74.
[2]管为民，杨天海，张文辉.燃气轮机运行优化系统开发研究[J].华东电力，2002（6）：24-26.
〔编辑：白洁〕
Optimal Operation of Gas Turbine Power Plants and Natural Gas Peaking
Wang Jiadong
Abstract： In a gas-fired plant， for example， analyzed the balance between the amount of natural gas-fired unit types and between， and discusses the relevance of different operation modes and the overall economy between plants. On this basis， draw up effective measures to optimize gas turbine power plant to run specific programs and natural gas peaking， in order to optimize the operation and management of gas power plants.
Key words： gas turbine power plant； run optimization； natural gas； peaking run
5 000 7.08 4.15 1 461 0.91 0.36 4.53 106.7
5 天然气调峰与气量平衡的关系分析
该电厂125 MW机组经过技术改造后，可以实现油气双燃料运行且可在线切换，从而达到了调峰的目的。本文只研究了天然气供应不足并用重油补峰情况下的天然气流量特性，并假设125 MW机组一年持续运行时间为5 000 h，9F级燃气轮机机组一年持续运行时间为3 500 h。在最大负荷月中的最大负荷日，将会出现天然气供气量峰谷差的最大值。通过研究电厂典型年、月的负荷特性曲线，能够得出年最大负荷日的用气量峰值，如图1所示。当天然气用气峰值较大时，电厂可以将125 MW机组切换为重油补充发电，天然气流量会相对减少，以此来减轻天然气的需求压力，降低供气管道的调峰压力。总的来说，在电厂运行的过程中，要密切关注峰值变化情况，再结合实际情况调整机组的运行方式，以达到运行调峰的目的。
由图1可知，在采取重油补峰时，负荷的峰值不会发生波动，而天然气流量会相对减少，天然气缺口与最大负荷日重油发电量之间成正比关系。表4是在天然气出现缺口的情况下，电厂天然气流量峰值的变化情况。
图1 电厂典型年、月负荷特性曲线
通常情况下，天然气流量相对峰值是以发电量为4.0 TW·h的天然气流量为基准的。从表4中可以看出，在此基础上，随着发电量的逐渐升高，补充重油量也在逐渐增加，进而增加了最大负荷日的重油发电量，这样，重油削峰效果也就越来越显著。
表4 某电厂补峰发电量与天然气流量相对峰值的关系
发电量/TW·h 补充重油量/kt 最大负荷日重油发电量/MW·h 天然气流量的相对峰值/%
4.0 0 0 100
4.1 23 312 96.7
4.2 46 624 95.9
4.3 68 936 91.8
6 结束语
综上所述，采用管道天然气的燃气轮机发电厂与其他发电厂相比有一定的特殊性，优化发电厂的发电机组并调整其运行方式，有利于实现电厂整体经济效益的最大化。例如，可以将不同类型的机组组成一个系列，由它们共同参与电网调峰，而增加机组的连续运行时间等都有利于提高电厂的整体经济效益。
参考文献
[1]王娟娟，吕泉，李卫东，等.电力市场环境下燃气轮机调峰交易模式研究[J].电力自动化设备，2014（1）：73-74.
[2]管为民，杨天海，张文辉.燃气轮机运行优化系统开发研究[J].华东电力，2002（6）：24-26.
〔编辑：白洁〕
Optimal Operation of Gas Turbine Power Plants and Natural Gas Peaking
Wang Jiadong
Abstract： In a gas-fired plant， for example， analyzed the balance between the amount of natural gas-fired unit types and between， and discusses the relevance of different operation modes and the overall economy between plants. On this basis， draw up effective measures to optimize gas turbine power plant to run specific programs and natural gas peaking， in order to optimize the operation and management of gas power plants.
Key words： gas turbine power plant； run optimization； natural gas； peaking run
5 000 7.08 4.15 1 461 0.91 0.36 4.53 106.7
5 天然气调峰与气量平衡的关系分析
该电厂125 MW机组经过技术改造后，可以实现油气双燃料运行且可在线切换，从而达到了调峰的目的。本文只研究了天然气供应不足并用重油补峰情况下的天然气流量特性，并假设125 MW机组一年持续运行时间为5 000 h，9F级燃气轮机机组一年持续运行时间为3 500 h。在最大负荷月中的最大负荷日，将会出现天然气供气量峰谷差的最大值。通过研究电厂典型年、月的负荷特性曲线，能够得出年最大负荷日的用气量峰值，如图1所示。当天然气用气峰值较大时，电厂可以将125 MW机组切换为重油补充发电，天然气流量会相对减少，以此来减轻天然气的需求压力，降低供气管道的调峰压力。总的来说，在电厂运行的过程中，要密切关注峰值变化情况，再结合实际情况调整机组的运行方式，以达到运行调峰的目的。
由图1可知，在采取重油补峰时，负荷的峰值不会发生波动，而天然气流量会相对减少，天然气缺口与最大负荷日重油发电量之间成正比关系。表4是在天然气出现缺口的情况下，电厂天然气流量峰值的变化情况。
图1 电厂典型年、月负荷特性曲线
通常情况下，天然气流量相对峰值是以发电量为4.0 TW·h的天然气流量为基准的。从表4中可以看出，在此基础上，随着发电量的逐渐升高，补充重油量也在逐渐增加，进而增加了最大负荷日的重油发电量，这样，重油削峰效果也就越来越显著。
表4 某电厂补峰发电量与天然气流量相对峰值的关系
发电量/TW·h 补充重油量/kt 最大负荷日重油发电量/MW·h 天然气流量的相对峰值/%
4.0 0 0 100
4.1 23 312 96.7
4.2 46 624 95.9
4.3 68 936 91.8
6 结束语
综上所述，采用管道天然气的燃气轮机发电厂与其他发电厂相比有一定的特殊性，优化发电厂的发电机组并调整其运行方式，有利于实现电厂整体经济效益的最大化。例如，可以将不同类型的机组组成一个系列，由它们共同参与电网调峰，而增加机组的连续运行时间等都有利于提高电厂的整体经济效益。
参考文献
[1]王娟娟，吕泉，李卫东，等.电力市场环境下燃气轮机调峰交易模式研究[J].电力自动化设备，2014（1）：73-74.
[2]管为民，杨天海，张文辉.燃气轮机运行优化系统开发研究[J].华东电力，2002（6）：24-26.
〔编辑：白洁〕
Optimal Operation of Gas Turbine Power Plants and Natural Gas Peaking
Wang Jiadong
Abstract： In a gas-fired plant， for example， analyzed the balance between the amount of natural gas-fired unit types and between， and discusses the relevance of different operation modes and the overall economy between plants. On this basis， draw up effective measures to optimize gas turbine power plant to run specific programs and natural gas peaking， in order to optimize the operation and management of gas power plants.
Key words： gas turbine power plant； run optimization； natural gas； peaking run
