燃气电厂性能加热器配置方案研究

郑 昀，余建中，郑 敏

(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350003)

燃气电厂性能加热器配置方案研究

郑 昀，余建中，郑 敏

(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350003)

介绍了燃气电厂天然气性能加热器配置方案，通过GT-PRO软件模拟，分析性能加热器对机组热耗、效率及出力的影响，并对是否设置性能加热器的经济性进行简单的比较。

燃气电厂；性能加热器；配置方案。

燃气—蒸汽联合循环电站是以天然气等为主要燃料，其燃料价格对机组的运营成本有重要的影响。由于燃料价格较高，且呈上涨趋势，所以合理利用天然气性能加热器，正确选择性能加热器的热源，提高燃气轮机入口天然气温度，减少天然气消耗量，从而达到整体提高燃气—蒸汽联合循环机组的效率显得尤为重要。

1 燃气轮机入口对天然气温度的要求

目前国内燃气－蒸汽联合循环电站以F级的重型燃机为主，分别是上海电气(西门子)的SGT5-4000F；东方电气(三菱)的M701F3、M701F4；哈尔滨电气(GE)的PG9351FA、PG9371FB。不同型号的燃机对入口天然气温度的要求也各不相同，详见表1。

表1 燃机入口天然气温度要求

2 性能加热器的型式

根据加热热源不同，天然气性能加热器型式主要有热水加热器、空/烟气加热器和电加热器等。热水加热器的优点是加热稳定，可调性好。热水加热器的形式有多种，主要采用管壳式，热水的水源取自余热锅炉的中压给水。空/烟气加热器的加热介质来自于燃机压气机的冷却空气或余热锅炉的尾部烟气。电加热器较少在实际工程中运用，主要是其运行安全性相对较低，且增大了电厂的厂用电率，节能效果不明显。

3 性能加热器及其加热热源的选择

不同厂家不同型号燃机对入口天然气温度的要求不尽相同，在实际工程中是否在天然气系统中设置性能加热器及如何选择性能加热器的热源也不尽相同。下面通过厂家提供的资料利用GT-PRO软件进行模拟，简要介绍分析国内几个燃气电厂的性能加热器设置的情况，并以燃气联合循环机组年运行2000 h、燃料(天然气)价格取4200元/t、保证机组的年发电量相同等为主要条件，对天然气系统性能加热器的配置进行经济性分析。

3.1 上海电气(西门子)燃机

根据上海电气(西门子)燃机入口天然气的温度要求，在实际的工程中，其天然气系统既有设置性能加热器，也有未设置性能加热器的情况。

以萧山电厂5号机为例，选取ISO工况下的边界条件，通过GT-PRO软件分别模拟机组设置性能加热器(方案一)和未设置性能加热器(方案二)，并根据热平衡，分析性能加热器对机组热耗、效率及出力的影响。

燃机天然气前置模块由上海电气电站集团供货。天然气低位发热量：47468 kJ/kg(环境温度15℃、大气压力0.10135 MPa、大气相对湿度60%)。

3.1.1 方案一 设置天然气性能加热器

天然气系统中设置有性能加热器，其加热热源采用余热锅炉中压给水。

根据机组ISO条件下100%负荷工况热平衡，可得：

(1)性能加热器气侧入口天然气温度为15℃、流量为54.34 t/h，经过性能加热器后，天然气温度上升至127.7℃进入燃机。

(2)性能加热器水侧入口给水为144.4℃、流量为81 t/h，经过性能加热器后，其水侧出口的温度为104.4℃。

(3)联合循环机组出力为420762 kW，热耗为6133 kJ/kWh，效率为58.7%。

3.1.2 方案二 未设置天然气性能加热器

天然气系统中未设置有性能加热器，根据机组ISO条件下100%负荷工况热平衡，可得：

(1)燃机入口处天然气温度为15℃、流量为54.64 t/h。

(2)联合循环机组出力为421118 kW，热耗为6162 kJ/kWh，效率为58.42%。

3.1.3 方案比较

根据GT-PRO软件模拟的热平衡，方案一与方案二的对比见表2。

表2 (西门子)燃机性能加热器设置方案性能参数对比

从表2中可以看出，上海电气(西门子) SCC5-4000F联合循环机组，在机组100%的负荷条件下，天然气系统设置性能加热器较未设置性能加热器，其机组出力减少了356 kW，热耗减小29 kJ/kWh，效率提高0.28%。

3.1.4 经济性比较

根据上述热平衡数据，对上海电气(西门子)SCC5-4000F联合循环机组天然气系统性能加热器的配置进行经济性分析。

表3 (西门子)燃机性能加热器设置方案经济性对比

由表3可见，上汽SCC5-4000F型联合循环机组，天然气系统设置性能加热器的方案虽然初投资增加了510万元，但是由于机组效率提高，每年可节省燃料费用213.2万元，3年内就可以收回初投资。

3.2 东方电气(三菱)燃机

根据东方电气(三菱)燃机入口天然气的温度要求，在实际的工程中，其天然气系统一般都设置有性能加热器，但其加热热源有两种，分别是压气机引出的转子冷却空气、余热锅炉的中压给水。

以大唐绍兴电厂为例，选其ISO工况下的边界条件，通过GT-PRO软件分别模拟机组未设置性能加热器(方案一)、设置空气性能加热器(方案二)和设置热水性能加热器(方案三)，并根据热平衡，分析性能加热器对机组热耗、效率及出力的影响。

天然气TCA和FGH模块由东方电气股份有限公司配供。天然气低位发热量：47971 kJ/kg (环境温度15℃、大气压力0.10135 MPa、大气相对湿度60%)。

3.2.1 方案一 未设置天然气性能加热器

天然气系统中未设置有性能加热器，根据机组ISO条件下100%负荷工况热平衡，可得：

(1)未设置性能加热器，燃机入口处天然气温度为15℃、流量为60.1 t/h。

(2)燃气—蒸汽联合循环机组热耗为6192 kJ/kWh，效率为58.14%，出力为465843 kW。

3.2.2 方案二 设置空气性能加热器

天然气系统中设置有性能加热器，其加热热源采用压气机引出的转子冷却空气。

根据机组ISO条件下100%负荷工况热平衡，可得：

(1)性能加热器气侧入口天然气温度为15℃、流量为59.52 t/h，经过性能加热器后，天然气温度上升至200℃进入燃机。

(2)联合循环机组出力为465594 kW，热耗为6135 kJ/kWh，效率为58.68%。

3.2.3 方案三 设置热水性能加热器

天然气系统中设置有性能加热器，其加热热源采用余热锅炉中压给水。

根据机组ISO条件下100%负荷工况热平衡，可得：

(1)性能加热器气侧入口天然气温度为15℃、流量为59.52 t/h，经过性能加热器后，天然气温度上升至200℃进入燃机。

(2)性能加热器水侧入口给水为247.6℃、流量为32.21 t/h，经过性能加热器后，其水侧出口的温度为60℃。

(3)联合循环机组出力为472457 kW，热耗为6046 kJ/kWh，效率为59.54%。

表6 (三菱)燃机性能加热器设置方案经济性对比

3.2.4 方案比较

根据GT-PRO软件模拟的热平衡，方案一、方案二和方案三的对比见表4。

表4 (三菱)燃机性能加热器设置方案性能参数对比

由表4可知，东方电气(三菱)M701F4燃机组成的联合循环机组，在机组100%的负荷条件下，天然气系统设置以中压给水为加热热源的性能加热器比未设置性能加热器，其机组出力增加6614 kW，热耗减小146 kJ/kWh，效率提高1.4%；比以压缩空气为加热热源，其机组出力增加6863 kW，热耗减小89 kJ/kWh，效率提高0.86%。

3.2.5 经济性比较

根据上述热平衡数据，对东方电气(三菱) M701F4联合循环机组天然气系统性能加热器的配置进行经济性分析，见表5、表6。

表5 (三菱)燃机性能加热器设置方案经济性对比

由表5可知，东方M701F4型联合循环机组，天然气系统设置性能加热器，加热热源为中压给水的方案与压缩空气的方案相比较，虽然初投资增加了650万元，但是由于机组效率提高，每年可节省燃料费用737万元，1年内就可以收回初投资。

由表6可知，东方M701F4型联合循环机组，天然气系统设置以中压给水为加热热源的性能加热器方案与未设置性能加热器的方案，虽然初投资增加了1150万元，但是由于机组效率提高，每年可节省燃料费用1204万元，1年内就可以收回初投资。

3.3 哈尔滨电气(GE)燃机

根据哈尔滨电气(GE)入口天然气的温度要求，在实际的工程中，其天然气系统一般都设置有性能加热器。

以晋江燃气电厂为例，选其ISO工况下的边界条件，通过GT-PRO软件分别模拟机组设置性能加热器(方案一)和未设置性能加热器(方案二)，并根据热平衡，分析性能加热器对机组热耗、效率及出力的影响。

燃机天然气前置模块由哈尔滨动力设备股份有限公司供货。天然气低位发热量：49509 kJ/kg(环境温度15℃、大气压力0.10135 MPa、大气相对湿度60%)。

3.3.1 方案一 设置天然气性能加热器

天然气系统中设置有性能加热器，其加热热源选择余热锅炉中压给水。

根据机组ISO条件下100%负荷工况热平衡，可得：

(1)性能加热器气侧入口天然气温度为15℃、流量为49.73 t/h，经过性能加热器后，天然气温度上升至185℃进入燃机；

(2)性能加热器水侧入口给水为220℃、流量为24.54 t/h，经过性能加热器后，其水侧出口的温度为54.8℃；

(3)联合循环机组出力为395288 kW，热耗为6232 kJ/kWh，效率为57.77%。

3.3.2 方案二 未设置天然气性能加热器

天然气系统中未设置有性能加热器，根据机组ISO条件下100%负荷工况热平衡，可得：

(1)未设置性能加热器，燃机入口处天然气温度为15℃、流量为50.17 t/h。

(2)联合循环机组出力为396816 kW，热耗为6262 kJ/kWh，效率为57.49%。

3.3.3 方案比较

根据GT-PRO软件模拟的热平衡，方案一和方案二的对比见表7。

表7 (GE)燃机性能加热器设置方案性能参数对比

由表7由可知，哈尔滨电气(GE) STAG109FASS联合循环机组，在机组100%的负荷条件下，天然气系统设置性能加热器较未设置性能加热器，其机组出力减少了1528 kW，热耗减小30 kJ/kWh，效率提高0.28%。

3.3.4 经济性比较

根据上述热平衡数据，对哈尔滨电气(GE) STAG109FASS联合循环机组天然气系统性能加热器的配置进行经济性分析，见表8。

表8 (GE)燃机性能加热器设置方案经济性对比

由表8可知，哈汽STAG109FASS型联合循环机组，天然气系统设置性能加热器的方案虽然初投资增加了450万元，但是由于机组效率提高，每年可节省燃料费用207.3万元，3年内就可以收回初投资。

4 结语

通过以上分析比较可知，燃气—蒸汽联合循环机组的天然气系统设置性能加热器时，虽然增加了设备的初投资，但可有效的减少机组热耗，提高机组的运行效率。面对日益增长的天然气价格，性能加热器对燃气—蒸汽联合循环机组的作用就显得更为突出。

在燃气—蒸汽联合循环发电厂中，天然气系统是最重要的系统之一，它关系到机组的安全稳定运行。在保证机组安全、稳定运行的前提下，合理选择天然气性能加热器，优化加热系统的配置，提高机组运行的经济性，达到最大程度的节能降耗。

[1] 华浩磊．燃气轮机天然气系统配置方案的探讨[J]．发电设备，2010，(4)．

The Configuration Scheme of the Performance Heater in the Gas Power Plant

ZHENG Yun, YU Jian Zhong, ZHENG Min
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fujian 350003, China)

The configuration scheme of the performance heater in the gas power plant was introduced. And the influences of the performance heater on the unit heat consumption, efficiency and output were analysed by the simulation of the GT-PRO software. Also the economical performance to set up the performance heater was compared simply.

gas power plant; performance heater; configuration scheme.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0038-04

2015-04-29

郑昀(1983- )，男，福建仙游人，工程师，主要从事发电厂热机专业设计工作。