燃气轮机联合循环机组调峰方式优化及经济性分析

2015-04-24徐明

综合智慧能源 2015年10期

徐明

（湖北华电武昌热电有限公司，武汉 430062）

0 引言

某燃气电厂装有2套S109E型联合循环机组，总容量为370MW，对外供热能力为320 t／h（930GJ／h），从而实现了热电冷三联产和能源深度梯级利用。由于燃气轮机具有启动时间短、升负荷速度快、能灵活跟踪以及响应负荷变化迅速等优势，因此，燃气轮机联合循环机组已成为电网调峰的首选机组［1-3］。本文结合该厂的运行实践，着重就此类机组的调峰方式及其对经济性的影响进行分析探讨。

1 燃气轮机联合循环机组调峰方式优化［4-6］

众所周知，燃气轮机的一个显著特点是运行经济性会随负荷的变化而变化，负荷降低时，热效率亦随之下降，因此机组在设计工况下运行的经济性最好。

1.1 2套机组并列运行的调峰方式

在2套机组平均负荷大于80%额定负荷时，可采取一套机组在额定负荷下运行，另一套机组带剩余负荷参与电网调峰的运行措施，此时的热经济性较好。当机组平均负荷小于80%额定负荷时，2套机组综合运行比单套机组低于70%额定负荷运行的经济性好。例如，9E燃气轮机联合循环机组平均带70%额定负荷，其整体热效率约下降6%；而采用一套机组带额定负荷，另一套带40%额定负荷的运行措施，则整体热效率下降8%左右，只多下降了2百分点，很不划算。当机组所带负荷更低时，则应采取一套机组带大负荷运行，而另一套机组停机备用的运行措施。

1.2 供热工况下的机组调峰方式

对于热电冷三联产的燃气电厂，当机组承担对外供热任务时，则应“以热定电”，此时机组参与调峰的情况大致有3种：一是只有单套机组对外供热，另一套机组凝汽工况运行时，为保证供热量和供热参数，供热机组宜维持在额定负荷附近运行，不宜参与电网调峰，而凝汽工况运行的机组则可调峰运行；二是对外供热量大，需要2套机组同时在供热工况下运行时，则均不适合调峰；三是夏季供热（制冷）时段，在确保机组供热量的前提下，根据电网的要求，机组可在80%～100%额定负荷范围内作变负荷调峰。

1.3 两班制启停调峰方式

对于凝汽工况下运行的机组，为保证其热经济性，应使机组在80%以上额定负荷运行；若要求全厂有更低的调峰负荷，则采用两班制调峰方式较合理，原因如下。

（1）燃气轮机启动快捷、耗时短。如9E燃气轮机联合循环机组中的燃气轮机从点火到满速3000 r／min约需10min，整个启动过程所消耗的燃料仅相当于机组在50%额定负荷下低负荷调峰2 h的损失；同时，电网一般要求机组调峰时间不少于8 h（22：00—次日 06：00），此时，以两班制启停调峰替代低负荷调峰，所减少的燃料损失更为可观。

（2）选择两班制调峰，机组启动时汽轮机大多为热态，调峰的损失更小。这里需要指出的是，两班制调峰应采取有效的技术措施，使机组在停机过夜后保持热态，以克服热惯性的影响，确保联合循环机组能快速启动和快速带负荷。

（3）国内峰谷电价比一般为3∶1，低负荷调峰经济损失很大，选择两班制调峰优势更突出。

2 低负荷与两班制调峰的经济技术性分析［7］

2.1 两种调峰方式的经济性比较

对9E燃气轮机联合循环机组而言，采用两班制调峰，机组启、停1次消耗的天然气（实测天然气低位热值为33287 kJ／m3）量 qV0约为 11 300m3。如果以低负荷运行方式替代两班制调峰，则消耗的天然气量

式中：qV为50%额定负荷下低负荷调峰运行所损失的天然气量，m3；Q为机组在电网低谷时段低负荷（P=92 500 kW）运行8 h的发电量，Q=740 000 kW·h；ef为50%额定负荷运行时的气耗率，ef=0.285m3／（kW·h）；e0为凝汽工况下额定负荷运行时的气耗率，e0=0.214m3／（kW·h）。

将已知数据代入式（1）可得qV=52 540m3。计算结果表明，低负荷调峰的燃料损失是两班制启停调峰的4倍多。

需要指出的是，对比2种调峰方式的经济性时，首先需提供低谷持续时间，然后再根据试验数据计算求得一个“临界时间”，当电网低谷时间超过此时间时，采用两班制较经济。“临界时间”可由下式求得。

将已知数据代入上式可得te=1.72 h。因此，只要夜间低谷时间超过1.72 h，两班制启停调峰方式就比低谷运行方式经济。

2.2 两种调峰方式对机组寿命的影响

就机组寿命损耗而言，低负荷运行比两班制运行小。采用晚停早启的调峰运行方式时，设备启、停频繁：一方面燃气轮机透平热通道部件经常在很短的时间内受热负荷冲击，加快了这些部件的损坏；另一方面，这种运行方式对汽轮机的寿命也会造成很大的影响，其重点是控制好转子的热应力，即可控制好转子的寿命。

燃气轮机联合循环机组实际运行过程中，通常使用如下公式来计算燃气轮机或汽轮机的寿命损耗。

式中：tc为寿命损耗，h；ta为实际运行时间，h；n为启动次数；t为每次启动折算时间，对汽轮机而言，t的取值范围为20～30 h。

正确的操作方法、合理的运行方式、精准的维修水平是提高设备可靠性、减少寿命损耗的重要手段。燃气轮机及其部件的检修间隔对机组的利用率有重要影响，制造厂提出3个检修间隔：运行8000 h后，检查燃烧室；运行24 000 h后，对热通道进行检查（即中修）；运行48000 h后，机组揭盖大修。对于所配套的汽轮机，则按燃气轮机的检修间隔及检修时间适时安排检查、检修，保证设备安全、可靠运行以及使用寿命不少于预计的30年。