燃气-蒸汽联合循环机组停机间隔时间分析

2018-04-02芦利生

科技视界 2018年3期

芦利生

（中海海南发电有限公司，海南洋浦 578201）

0　前言

某厂装设有两套燃气-蒸汽联合循环机组，单套容量220MW，其中燃气轮机容量140MW，蒸汽轮机容量80MW。燃气-蒸汽联合循环机组和常规燃煤电厂机组相比，具有启停快、调峰能力强等特点。然而目前该区域电网机组装机容量出现过饱和状态，电网负荷低谷时，只能保证燃气电厂一套组用于调峰运行，即每天一套机组早上开机、晚上停机，而另一套机组当天一直处于备用状态，这样就产生了一个问题，每天应该选择哪一套机组运行，备用机组停机间隔时间多久才算合适。

1　情况介绍

某厂两套燃气-蒸汽联合循环机组：一套机组是GT11+ST13机组，这套机组之前一直带基本负荷，运行时间多，运行当量小时已达98000小时；另一套机组是GT12+ST14机组，这套机组一直调峰运行，运行时间少，但启机次数多，启机次数已达2900次。西门子规定：该型号机组的寿命周期是运行当量小时达100000小时或启机次数达3000次，也是说如果机组达到这两个条件任何一条，必须进行延寿大修处理。

由于冷态启机影响机组的经济效率，电网会对电厂进行一定的经济补偿费用，具体规定是：停机冷备用机组额定容量与冷备用时间的乘积，按照2.5（元/兆瓦时）的标准补偿。冷备用时间为火力发电机组解列至再次并网的时间减去72小时。也就是如果机组备用时间超出3天后中调会给一定的补偿费用，时间越长补偿费用越多。

2　提出问题

公司决定两个月后准备对GT11+ST13机组进行延寿大修，因而目前考虑主要的问题是GT12+ST14机组启机次数差100次就达到3000次的寿命周期了，所以应该减少GT12+ST14机组的启机次数。那么如果单从经济方面考虑，GT12+ST14机组间隔多久启一次才算合适？

图1　中调补偿费用和启机经济性示意图

中调的冷备用补偿费用是停机备用时间越长补偿费用越多。但备用时间不能超过7天，因为如果超过7天，机组停机前必须进行锅炉保养。此外，停机备用时间长短对下次机组启动时有影响的。机组启机过程是经济性最差的时候，因为启机时需要消耗一定量的天然气燃料，然而此时机组带的负荷是很低的。停机备用时间短，中调的冷备用补偿费用少，但机组启动快，启机过程经济性好；停机备用时间长，中调的冷备用补偿费用多，可是启机过程经济性差了。在中调的冷备用补偿费用和机组启机过程经济性这两者之间必定存在一个临界值（如图1）。如果通过各项数据能计算出这个临界值，就能确定GT12+ST14机组的停机间隔时间。这也就解决了“单从经济方面考虑，GT12+ST14机组间隔多久启一次才算合适？”这一问题。

3　分析问题

中调的冷备用时间是按机组解列和机组下次并网的时间差值来计算，而冷备用补偿费用是冷备用时间乘以机组容量再乘以2.5，这样就可以得出具体的冷备用补偿费用，非常明确。

3.1　启机过程节点的选择

启机开始节点的选择：燃气轮机组启机开始节点的选择争议不大，以燃气轮机并网发电这一时间点作为启机开始节点。

启机结束节点的选择：启机过程的结束节点的选择存在争议，因为蒸汽轮机要达到正常加载负荷要求参数比较多，对胀差值、左右缸胀值、轴向位移都有要求，只有这些条件达到允许值时，燃气轮机才能继续加负荷，才算启机过程结束。正常情况下燃气轮机负荷达到60MW后，蒸汽轮机的各项参数已经在正常范围内了。最后经过综合对比分析，决定将燃气轮机负荷到60MW这一时间点作为启机结束节点。

3.2　启机经济性的影响因素

燃气轮机启机经济性的影响因素：由于燃气轮机的自动化程度比较高，一般情况下燃气轮机由程序自动控制依次完成停盘车、升速、定速、并网、切换厂用电、带初始负荷的启机全过程，每次启机在这一环节差别不大，可以忽略不计。此外还有压气机、燃烧室、透平的装置效率，环境温度对燃气轮机效率的影响，这些影响因素短时间内相对较小，为了使问题简单化和具有可计算性，以上影响因素均可忽略不计。我们只考虑燃气轮机在启机开始节点到结束节点所产生的发电量和消耗的天然气，再将发电量、天然气折算成费用，在加上中调冷备用补偿费用进行比较。

蒸汽轮机启机经济性的影响因素：蒸汽轮机自动化程度低，启机过程的操作都是手动操作，由于人员操作存在差异，在汽机步骤的时间也略有不同，当然也有一些人为不可控因素，如蒸汽管道疏水时间的长短要根据具体情况决定，但相对蒸汽轮机的冷态、热态而言，这种差异较小，可以忽略不计。我们只考虑蒸汽轮机并网至启机结束节点这段时间内的发电量，当然这段时间燃气轮机加负荷要根据蒸汽轮机的胀差值、左右缸胀值来决定加负荷的快慢，最终将燃气轮机负荷加到60MW，即完成燃气-蒸汽联合循环机组的整个启机过程。

图2　停机间隔时间与蒸汽轮机高压内缸金属温度关系

3.3　停机间隔时间对机组启机的影响

虽然停机间隔时间对燃气轮机启机基本没有影响，但燃气轮机加负荷是受蒸汽轮机启机影响的，蒸汽轮机胀差值、左右缸胀值不允许时，燃气轮机不能随意加负荷，也就是说蒸汽轮机的启机时间越长，燃气轮机负荷加到60MW所需的时间就越长。查询历史参数得出GT12+ST14机组停机间隔时间与蒸汽轮机高压内缸金属温度的关系（如图2）。

所以停机间隔时间对蒸汽轮机的影响较大，主要是因为停机间隔时间的长短对蒸汽轮机高压内缸金属温度的影响，而高压内缸金属温度又是决定蒸汽轮机冷态、温态和热态的参数，也就是说决定蒸汽轮机启机过程的长短（如表 1）。

表1　内缸温度、启机状态、启机时间三者关系

4　解决问题

根据停机间隔时间分别对燃气轮机在启机开始节点到结束节点所消耗的天然气量、发电量以及蒸汽轮机的发电量、还有在此期间从中调所获得的冷备用补偿费用，目前用的天然气是 LNG，单价是 2.2元/m3，电价按0.6元/kW·h计算，最后得出了合计费用，然后根据各个数据绘制出了图3，清楚的得到了停机间隔时间与下次启机过程中合计亏损费用的走势，便于合理安排GT12+ST14机组的停机间隔时间。