燃气轮机联合循环热电联产供热供电量优化分配研究

宋晓玮，张国强，李永毅，杨勇平，王 俊



燃气轮机联合循环热电联产供热供电量优化分配研究

宋晓玮1，张国强1，李永毅1，杨勇平1，王 俊2

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206； 2.神华国华（北京）分布式能源科技有限责任公司，北京 102206）

为研究燃气-蒸汽联合循环机组额定热电任务下的经济运行模式问题，本文运用模块化建 模方法对机组各部件建模，基于以热定电的热电比关系，分析了4种供热负荷的5种运行模式的盈利能力。结果表明：纯发电情形下，不同运行模式之间的盈利差值最大值可达到6.04%；随着机组供热负荷的不断增大，与纯发电情况相比，好处归电法发电效率的变化趋势发生改变，不同运行模式间的盈利差值最大值1.52%出现在供热负荷1 388.89 GJ/h机组，几种模式盈利能力差别较小。建议在满足发电量、供热量的前提下，特别是在纯发电和高供热负荷情况下，机组尽可能以高电负荷与低电负荷组合的效率运行模式1运行。

燃气轮机联合循环；热电比；热电联产；变工况；盈利能力；运行模式；热电分配

燃气轮机发电是一种清洁能源、绿色电力，具有高效、节能、环保等特点[1]。与燃煤机组相比，燃气-蒸汽联合循环机组最大程度实现了能源的梯级利用，发电热效率高达55%[2]，且运行灵活，调峰能力强[3]。

燃气-蒸汽联合循环热电联产机组经济性的常规分析方法有热量法（好处归电法）、实际焓降法（好处归热法）、㶲方法、损失功率法[4-6]。何青等[7]建立燃气轮机联合循环热电联产的热量法正反平衡模型与㶲方法模型，对比了2种经济性评价方法的差异。武小兵[8]应用损失功率法，基于供热量增大以发电量减少为代价，分别针对固定电价与分时电价找出热电联产的经济平衡点，确定有利于热电联产的热价与电价。李丽萍等[9]通过比较燃气-蒸汽联合循环供热机组在不同的年发电利用小时数的情况下的运行模式、供热能力、热经济性指标与调峰能力来分析供热机组的经济性。针对热电厂，吴龙等[10]改进热电分离、以热定电的热电负荷方案，考虑了热化做功系数的变化，以总热耗最小作为电负荷分配指标，有效降低机组的总热耗。

供热机组的热电分配问题是近年来研究的热点问题之一。但目前研究多限于燃煤机组，燃气-蒸汽联合循环机组热电分配问题研究基本处于空白。虽然机组总发电量与供热量确定，但分配到每个基本运行时间单元的发电量、供热量可规划。分配不同，盈利能力不同。因此，在保证月发电量和供热量的前提下，如何优化分配每个小时的发电计划与供热计划，使机组消耗天然气量达到最低，对提高机组经济效益具有重要的意义。

1 方法与模型

1.1 机组概述

本文选用西门子公司生产的型号为V94.3A机组，燃气轮机由1台15级轴流式压比为17的压气机、1台4级透平和燃烧室及其燃气轮机辅助系统组成。燃气轮机采用运行策略为等燃气轮机排气温度（4）调节方式，即调节压气机可转导叶（IGV）维持4不变至IGV调至最大；底循环的运行策略为滑压调节，即汽轮机负荷在45%~100%时采用滑压运行方式。联合循环系统的压气机、透平、余热锅炉、蒸汽轮机热力参数取自北京京桥热电有限责任公司热平衡图。联合循环系统如图1所示，主要参数见表1[11-12]。

C—压气机；CC—燃烧室；GT—燃气透平；HP—高压缸；IP—中压缸；LP—低压缸；HPSH、IPSH、LPSH—高压、中压、低压过热器；RH—再热器；HPEV、IPEV、LPEV—高压、中压、低压蒸发器；HPEC、IPEC、LPEC—高压、中压、低压省煤器。

表1 联合循环机组主要参数

Tab.1 Main parameters of the combined cycle unit

1.2 经济性盈利模型

本文采用Java对燃气-蒸汽联合循环系统的各个主要设备进行建模和模拟分析。

针对压气机模块，首先基于V94.3A型机组的结构数据对压气机进行设计计算[13]，再在设计工况参数的前提下采用逐级叠加法[14]计算其变工况参数；对于燃烧室模块，仅考虑必要的燃烧效率和压力损失；对于透平模块，考虑冷却空气量的影响，采用简化的Flügel公式描述透平进口压力、温度与流量之间的关系；针对余热锅炉模块，首先根据余热锅炉与蒸汽轮机机组热力参数进行设计工况的模拟，从而获得所需的各个换热面的设计参数，然后根据能量守恒和换热平衡的原则进行编程，计算余热锅炉各个受热面以及汽轮机高、中、低压缸变工况热力参数。基于以上联合循环变工况的模型，在给定供热量、发电量、运行小时数及其环境参数的前提下，计算发电负荷与供热负荷。具体经济性盈利计算流程如图2所示。利润计算公式为

式中：n为利润，元；为供热量，GJ；r为热价，元/GJ；为发电量，kW·h；e为电价，元/(kW·h)；为总耗气量，m3；f为气价，元/m3。

图2 经济性盈利计算流程

Fig.2 Flow chart of the economic profit calculation

1.3 基于热电比的联合循环发电功率运行模式分类

图3为二拖一联合循环机组的热电比关系曲线。全厂机组由2台燃气轮机各配备1个余热锅炉拖动1台汽轮机运行。假设2台燃气轮机、2台余热锅炉在相同状态下运行。

图3 环境温度为‒4.2 ℃时联合循环机组热电比变化规律

由图3可见，在某一环境温度下，联合循环机组的某一供热负荷可对应的联合循环发电功率范围不同。因此，在保证供热量和发电量一定的前提下，供热负荷确定，运行小时数即可确定。联合循环发电功率的变化不同会影响机组总的盈利能力，因此本研究提出了几种联合循环发电功率的变化运行模式，在同一供热负荷的情况下，通过分析几种不同运行模式的盈利情况来分析燃气轮机联合循环供热机组的盈利能力。5种常见规律的联合循环发电功率变化规律的运行模式如下：

1）平均运行模式 即等联合循环发电功率运行模式。取该供热负荷所对应的联合循环发电功率范围的出功均值，计算获得该联合循环发电功率的机组运行560 h的盈利。

2）正弦函数运行模式 取该供热负荷所对应的联合循环发电功率范围的最大值与最小值作为机组运行的联合循环发电功率波峰与波谷，取80 h为1个周期，共7个周期。

3）梯形运行模式 取该供热负荷所对应的联合循环发电功率范围的最大值与最小值分别作为机组第1 h和第560 h的联合循环发电功率。以1 h为1个运行基本单元，随时间推移联合循环发电功率依次减小，计算机组各个小时的燃料消耗量从而得到总的燃料量，继而计算机组运行560 h的盈利。

4）效率运行模式1 即最大最小出功运行模式。取该供热负荷所对应的联合循环发电功率范围的最大值max与最小值min各自对应的参数作为机组运行的依据。在总运行小时数满足560 h的前提下，通过协调2种运行模式的运行小时数，保证机组的总发电量和供热量满足要求。

5）效率运行模式2 即中间效率运行模式。在该供热负荷所对应的联合循环发电功率的范围内，首先计算好处归电法发电效率的最大值max与最小值min的差max‒min，取max‒1/4(max‒min)与min+1/4(max‒min)各自对应的联合循环发电功率作为机组运行的依据，在总运行小时数满足560 h的前提下，通过协调2种运行模式的运行小时数，保证机组的总发电量和供热量满足要求。如果效率max±1/4(max‒min)所对应的联合循环发电功率组合无法满足发电量的要求，则取max±1/6(max‒min)所对应的出功作为机组运行参考依据。

为了分析方便，热电联产机组的盈利能力计算均以1 h为1个运行基本单元，运行小时数均为560 h，供热量由供热负荷与运行小时数计算得到，5种运行模式的发电量取该供热负荷对应的出功范围的均值与运行小时数的乘积。依据图3，以供热负荷递增的原则，选取0、555.56、1 094.65、1 388.89 GJ/h 4种供热负荷，依次代表不供热、较小供热负荷、一般供热负荷和较大供热负荷的供热情况，针对每个供热负荷分析5种运行模式的盈利情况。表1为各供热负荷运行560 h所对应的发电量与供热量。本研究5种运行模式计算的实际发电量与给定发电量之间的误差均在±0.01%以内，对盈利能力影响可忽略不计。

表2 各供热负荷所对应的供热量和发电量

Tab.2 The heat supply and power generation corresponding to each heating load

2 联合循环机组盈利能力分析

2.1 不同供热量和发电量下的效率特性

在给定的发电量、供热量的前提下，针对机组不同供热负荷各自对应的联合循环发电功率范围，分析不同供热负荷机组联合循环好处归电法发电效率的变化趋势，结果如图4所示。

图4 4种供热负荷对应的效率曲线

根据效率运行模式1的选取原则，选择联合循环发电功率最大值与最小值组合各运行280 h，选取参数为图4中所示的极值。按照效率运行模式2的选取原则，图4中前3个供热负荷均可满足效率max±1/4(max‒min)的组合运行；但供热负荷为 1 388.89 GJ/h，选取max±1/4(max‒min)效率所对应的联合循环发电功率均小于该负荷下的联合循环发电功率均值，无法满足发电量的要求，因此该负荷选取效率为max±1/6(max‒min)所对应的输出功率作为机组运行参考依据。

2.2 5种运行模式盈利能力分析与讨论

2.2.1 等联合循环发电功率运行模式

图5为4种供热负荷下机组联合循环发电功率范围内的输出功率均值运行560 h对应的等联合循环发电功率运行模式。

图5 4种供热负荷等联合循环发电功率运行模式

2.2.2 正弦函数运行模式

图6为4种供热负荷的正弦函数运行模式。以供热负荷为0的机组为例，取80 h为1个周期，由于选取的运行小时数为正弦函数整周期的7倍，因此积分面积为平均联合循环发电功率640.98 MW与运行小时数7×80=560 h的乘积，满足发电量、供热量的要求。

2.2.3 梯形运行模式

图7为4种供热负荷的梯形运行模式。以供热负荷为0的机组为例，发电负荷以887.34 MW为最高点，稳步下降到该供热量对应的负荷最低点即394.63 MW。

2.2.4 效率运行模式

不同供热负荷下高好处归电法发电效率与高联合循环发电功率并非一一对应关系，在供热负荷一定时，高电负荷也需要较高的天然气消耗量，不利于整体盈利能力的提升。由图4可知，不同供热负荷对应的好处归电法发电效率曲线变化趋势不同，因此需要分别讨论不同效率组合的盈利能力。

1）效率运行模式1 图8为4种供热负荷的 最大最小出功运行模式。以供热负荷0为例，联 合循环效率最高点对应的联合循环发电功率为887.34 MW，对应的发电效率为57.74%；联合 循环效率最低点对应的联合循环发电功率为394.60 MW，对应的发电效率为50.02%。

2）效率运行模式2 图9为4种供热负荷的中间效率运行模式。联合循环效率较高点对应的联合循环发电功率为763.60 MW，对应的发电效率为55.80%；联合循环效率较低点对应的联合循环发电功率为486.76 MW，对应的发电效率为51.95%。

图8 4种供热负荷的最大最小输出功率运行模式

2.3 不同供热负荷运行模式盈利能力的比较

在同一供热负荷的情况下，机组在不同运行模式下运行获得的盈利有所差异。表3为4种供热负荷运行模式的盈利结果汇总。

表3 4种供热负荷的机组4种运行模式盈利情况汇总

由表3可见：1）纯发电时，效率运行模式1盈利最高，正弦函数运行模式、梯形运行模式和效率运行模式2盈利相对较高，平均运行模式最低，此时几种运行模式盈利能力差异较大，机组盈利最大值与最小值相差6.04%；2）在中小供热的情况下，平均运行模式和效率运行模式1盈利能力较强，其他运行模式盈利能力相对较差，机组运行模式盈利最大值与最小值相差较小；3）联合循环发电功率越高的机组运行小时数越多，盈利能力越强，效率运行模式1的盈利能力最强，机组盈利最大值与最小值相差1.52%。

3 结 论

1）随着机组供热负荷的不断提高，好处归电法发电效率随着联合循环发电功率的降低，首先逐渐降低，之后中间负荷段效率变化比较缓和，最后开始逐渐增加，其效率范围和变化趋势都特别明显。

2）纯发电机组盈利最大值与最小值相差6.04%，机组运行模式盈利能力相差较大；供热机组盈利最大值与最小值相差1.52%，机组运行模式盈利能力相当。

3）中小供热负荷下，效率运行模式1与平均运行模式盈利相当，其他运行模式盈利较差；纯发电机组与大供热负荷机组时，效率运行模式1的盈利能力优势较为明显，平均运行模式最低。因此在供热量、发电量一定的前提下，以盈利能力作为评价标准时，建议机组以高电负荷与低电负荷组合的效率运行模式1运行。

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Research on optimal distribution of heating and power supply in gas turbine combined cycle cogeneration

SONG Xiaowei1, ZHANG Guoqiang1, LI Yongyi1, YANG Yongping1, WANG Jun2

(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Shenhua Guohua (Beijing) Distributed Energy Technology Co., Ltd., Beijing 102206, China)

In order to study the economic operation mode of gas-steam combined cycle units under the rated thermoelectric task, this paper uses the modular modeling method to build model for components of the unit. Moreover, based on the thermoelectric ratio of the heat-fixed electricity, the profitability of five operating modes at four heating loads was analyzed. The results show that, the maximum profit difference between different operating modes during pure power generation can reach 6.04%. With the continuous increase of the unit heating load, compared with the pure power generation situation, the benefits of normalization method of electrical power generation efficiency trends changes. The maximum profit difference between different operating modes is 1.52%, which appears when the heating load of the unit is 1 388.89 GJ/h, indicating there are few differences in profitability between each operating mode. On the premise of meeting the demands of power generation and heat supply, it is recommended that the unit be operated in an efficiency mode 1 combing high electricity load with low electricity load as much as possible, especially in the case of pure power generation and high heating load.

combined gas turbine cycle, thermoelectric ratio, cogeneration of heat and electricity, variable condition, profitability, operation mode, distribution of thermoelectric

National Natural Science Foundation of China (51436006, U1610254); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017MS15)

TK284.1

B

10.19666/j.rlfd.201807149

宋晓玮, 张国强, 李永毅, 等. 燃气轮机联合循环热电联产供热供电量优化分配研究[J]. 热力发电, 2019, 48(3): 47-54. SONG Xiaowei, ZHANG Guoqiang, LI Yongyi, et al. Research on optimal distribution of heating and power supply in gas turbine combined cycle cogeneration[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 47-54.

2018-07-26

国家自然科学基金项目(51436006，U1610254)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2017MS15)

宋晓玮(1993—)，女，硕士研究生，主要研究方向为能源动力集成及其优化，18810806192@163.com。

（责任编辑 刘永强）