关于9E级燃气轮机联合循环系统冷热电三联产经济性分析

张宗毅

摘 要：基于当前工业领域的快速发展，燃气轮机联合循环系统应用逐渐引起了人们关注，尤其是采用冷热电三联产方式的联合循环机组经济效益显著。因此，通过对三联产机组的经济性分析，来不断完善运行方式，达到高效运行的目的。本文从冷热电三联产经济性计算入手，阐述了9E燃气轮机联合循环系统运行时的具体优化策略。

关键词：9E级燃气轮机；联合循环系统；经济性

在国家产业政策调整的推动下，越来越多的9E燃气轮机联合循环得到应用。通过研究其运行经济性，可不断改善联合循环机组的设计和运行方案。以下是对冷热电三联产方式的9E燃气轮机联合循环系统的经济性分析。

一、冷热电三联产热经济性分析计算

（一）主要设备技术参数

某厂在设计、筹建期间，为了顺应国家产业调整趋势，于2014年引进了2套9E燃气轮机联合循环机组，总装机容量为370MW，对外供热能力为320t/h。每套联合循环由1台燃气轮机、1台蒸汽轮机、1台余热锅炉组成。其中，燃气轮机在ISO工况下满负荷运行出力为125MW，选用燃料为天然气。正常运行时，一级燃气透平入口烟温高达1124℃，排气温度为538℃，燃气轮机气耗率控制在0.2538Nm3/kWh，即单循环热效率约为33%。所配套的汽轮机满负荷运行时主蒸汽压力5.55MPa，主蒸汽温度为513℃，进气流量约为194t/h。余热锅炉采用三压无补燃方式，高、低压系统运行中的过热蒸汽压力分别为5.73MPa、0.853MPa，高、低压过热蒸汽温度分别为515℃、253℃，蒸汽流量分别为195t/h、39t/h。

（二）能源利用情况

9E级燃气轮机联合循环系统工作原理，即压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的天然气混合燃烧生成高温高压的燃气；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和发电机转子一起高速旋转，实现了气体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电能。通常燃气透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。另外从燃气透平中排出的废气送到余热锅炉换热，将水加热成高温高压过热蒸汽输送到汽轮机膨胀做功，最终达到再次发电的目的。

此外，在燃气轮机联合循环系统运行时，可以很好的采用能源梯级利用，从汽轮机中抽取品质较低的蒸汽，用于供热或者制冷，达到能源高效利用，联合循环机组发电的热效率与单循环发电热效率相比，将呈现出明显的增长趋势。据相关调查数据显示，燃气轮机单循环发电，其发电热效率为33%-40%，而联合循环机组发电热效率为52%-60%，相比之下，其发电热效率提高约19%-20%[ 2 ]。

除此之外，若采取以燃气轮机为核心的联合循环冷热电三联产运行方式，将使总热效率提升至70%-80%，甚至达到90%。因此，为了满足当前发电、综合供热、制冷的需求，需针对9E级燃气轮机联合循环系统运行的经济性进行全面分析。

（三）热经济性计算

对于冷热电三联产运行方式的9E燃机联合循环机组，其热经济性分析，应从以下几个方面入手：

首先，为了更好的评估冷热电三联产经济性，需计算纯发电的联合循环机组热效率，即其发电效率表达式如下：

ηOC=ηGT+（1-ηGT）ηHRST°ηST（%）

其中，ηGT為燃气轮机发电效率，是33.8%，而ηHRST为余热锅炉效率，是82%，ηST为汽轮机发电组发电效率，为33%，从中可知ηOC联合循环机组发电效率为51.8%，即发电效率明显高于燃煤机组[ 3 ]。

其次，对于采用冷热电三联产运行方式的9E燃气轮机联合循环机组，由于一部分能量用于发电的同时，又抽取低品质的蒸汽用于供热或者制冷，因此，将不会产生冷源损失，那么在蒸汽轮机的发电功率Nn，可用如下公式表示：

Nn=（kW）

将蒸汽轮机有关数据，即i0：3462kJ/kg，in：2910kJ/kg等带入到公式中，同时，代入系统实际机械效率im和汽轮发电机效率ie，可得出汽机在不同供热量情况下的发电效率。即当供热量Dn分别为20×103kg·h-1、40×103kg·h-1、60×103kg·h-1、80×103kg·h-1时，汽轮机发电机组热效率对应值为34.1%、35.23%、36.5%、37.81%。

再次，若在运行方式中采取冷热电三联产，那么联合循环总效率可用如下公式对其进行修正，即：

ηOC′=ηGT +（1-η）ηHRST°ηcn（%）

从中可知不同供热量状态下三联产热效率。即当供热量Dn分别为20×103kg·h-1、40×103kg·h-1、60×103kg·h-1、80×103kg·h-1时，其所对应的热效率分别为52.31%、52.92%、53.6%、54.71%，与燃气轮机单循环相比，冷热电三联产运行方式经济性更为明显。因此，在实际运用中，应优先采用冷热电三联产的运行方式，由此达到最佳的经济效果。

二、计算结果分析

从冷热电三联产分析结果可知，当9E级燃气轮机联合循环系统处在稳定运行状态时，采取三联供方式，其节能效果非常明显，尤其在冬季供热时，联合循环三联供系统运行将优于分产系统，即由于分产系统需消耗一次能源，而联合循环三联供系统则消耗低品质的蒸汽，从而达到较为节能的供热效果，因此，在注重经济效益的今天，合理运用三联供方式是大势所趋。

此外，当前采用三联供方式也涉及到供热设备效率、制冷机效率、投资等多种因素，因而，在系统规划期间，应从环保、经济、节能角度出发，科学设定系统运行方案。

三、结论

综上可知，基于当前社会可持续发展背景下，经济、节能、环保等问题逐渐引起了人们关注。9E级燃气轮机联合循环系统的引进，尤其是采用三联供方式，在满足供电需求的同时，发展供热、供冷，明显改善了以往耗能高的问题，符合当前社会可持续发展需求，因地制宜，科学发电。

参考文献：

[1] 宋泓明，王明友，杨智勇，等.燃气冷热电三联供系统发电装置的选择[J].建筑电气，2011，14（07）：29-32.

[2] 刘小军，李进，曲勇，等.冷热电三联供（CCHP）分布式能源系统建模综述[J].电网与清洁能源，2012，13（07）：63-68.