燃气发电机组能效指标修正及对标管理

朱亚迪，李琛，谢大幸，徐婷婷

（1.华电电力科学研究院有限公司，杭州310030；2.湖北华电武昌热电有限公司，武汉430061）

0 引言

随着国家能源结构的不断调整，燃气-蒸汽联合循环发电机组因高效、环保、灵活等优势在我国电力系统中的装机容量逐步增加，截至2017 年年底，国内燃气-蒸汽联合循环发电机组装机容量达75.70 GW［1］，根据国家有关规划，“十三五”期间，我国燃气-蒸汽联合循环发电机组的装机容量将增加50.00 GW［2］。近年来，国家对发电机组的节能减排要求越来越严格，燃气-蒸汽联合循环发电企业也越来越重视机组的节能管理工作。

能效指标对标作为一种实用、有效的节能管理方法，在我国高耗能企业节能管理工作中应用比较广泛［3］。相较于燃煤发电企业，燃气-蒸汽联合循环发电行业的能效指标对标工作仍存在一定的差距，相关的标准、方法和规范仍有所欠缺［4-6］，主要原因如下:（1）我国燃气-蒸汽联合循环发电技术大规模应用比较晚，对应的能效指标体系、边界因素的修正分析不够完善，无法有效指导能效指标对标工作的开展；（2）燃气发电机组技术门类比较多，国内主流的有GE、西门子和三菱公司的E 级、F 级燃气轮机，装机形式包括一拖一、二拖一等，运行方式包括连续运行、昼夜启停、供热和纯凝等，导致影响燃气-蒸汽联合循环发电机组能效指标的边界因素较多，需要深入分析和研究。

关于燃气发电机组运行特性的分析，国内研究人员在理论分析和仿真建模等方面做了大量的研究工作。祖航等［7］针对GE 公司6F 型机组，分析不同环境温度和燃气轮机负荷率对其运行特性的影响；李志鑫［8］针对9FA 单轴联合循环机组，根据运行数据分析环境因素、老化以及运行方式对机组运行特性的影响；吴强等［9］对9E 型燃气发电机组调峰运行的经济性和可靠性进行了分析；何青等［10］针对SGT-4000F 机型，从热力学第一、第二定律出发，对机组的供热经济性进行了深入分析；许可等［11］利用Ebsilon 仿真技术，对三菱M701F4 型燃气供热机组的供热特性进行了分析研究。在燃气发电机组对标管理研究方面，国内一些发电企业主要从生产管理制度、流程等角度进行了研究和分析［12-13］。

本文将建立燃气-蒸汽联合循环发电机组能效指标对标管理体系，采用仿真计算、大数据统计分析等技术手段，明确影响对标公平性、合理性的边界因素的修正方法，为燃气-蒸汽联合循环发电企业的能效指标对标工作奠定基础。

1 能效指标对标体系的建立

燃气发电机组能效指标较多，在对标时应选择反映机组能源利用状况和能耗水平、主机系统能耗水平以及主要系统和关键设备运行状况的指标，根据以上原则建立三级能效指标对标体系。

第1层级指标为供电标准气耗，反映燃气-蒸汽联合循环发电机组的整体能耗水平；第2 层级指标应包括发电厂用电率、燃气轮机效率、汽轮机热耗、余热锅炉效率等直接影响供电标准气耗的能耗指标；第3层级指标应包括辅机耗电率、燃气轮机运行指标、汽轮机运行指标、凝汽器真空度、余热锅炉运行指标等直接影响第2层级指标的能耗指标。燃气发电机组能效指标对标体系如图1所示。

图1 燃气发电机组能效指标对标体系Fig.1 Benchmarking system of energy efficiency indicators for gas turbine units

2 能效对标边界因素修正

燃气-蒸汽联合循环发电机组运行特性比较复杂，受环境温度的影响较大，运行方式包括调峰运行、连续运行，同时还有供热和纯凝之分，机组所面临的客观边界因素众多，对能效指标对标的公平性和合理性产生较大影响，因此，必须通过深入的技术分析消除这些边界因素的影响。本文将采用仿真计算、数据统计分析方法建立相关因素对供电气耗的修正计算模型。

2.1 环境温度修正

环境温度对燃气-蒸汽联合循环发电机组的影响可分为3 个方面:环境温度变化对燃气轮机的出力和效率产生影响；环境温度变化对燃气轮机排烟温度产生影响，进而影响余热锅炉蒸汽参数，最终对汽轮机出力和效率产生影响；环境温度变化对冷却水温度产生影响，导致凝汽器真空度变化，进而影响汽轮机出力和效率［14］。这3个方面的影响存在很强的耦合性，传统的热力计算方法难以确定环境温度对燃气-蒸汽联合循环发电机组发电气耗的综合影响，本文采用热力学仿真软件进行变工况计算分析。

利 用 Thermoflow 分 别 建 立 GE 公 司 的PG7171E、PG9351FA，西门子公司的SGT-2000E、SGT-4000F 以及三菱公司的M701F4 等国内主流机型的热力学仿真计算模型，以ISO 工况（大气温度为15 ℃、大气压力为101.3 kPa、相对湿度为60%）为基准进行不同环境温度下的变工况计算，得到的供电气耗修正系数见表1。

从表1 可以看出，当环境温度在-4～8 ℃，10～22 ℃，22～40 ℃范围内时修正系数相差较小，因此，环境温度对各容量等级燃气-蒸汽联合循环发电机组供电标准气耗的修正系数S1如下。

F级机组

E级机组

表1 不同环境温度下不同机型供电气耗修正系数Tab.1 Correction coefficients for power supply gas consumption of different models at different ambient temperatures

式中:K1为春秋季（10～22 ℃）发电量占年度总发电量的比重；K2为夏季（≥22 ℃）发电量占年度总发电量的比重；K3为冬季（≤10 ℃）发电量占年度总发电量的比重。

一般情况下，春秋季指3，4，5，10，11月；夏季指6，7，8，9月；冬季指1，2，12月。

2.2 燃料成分修正

燃料成分的变化将会影响燃气透平、压气机的运行性能，进而影响燃气轮机及其联合循环的运行性能［15］。我国天然气气源多样，包括川气、西气以及不同国家进口的管道气和液化天然气（LNG）等，由于其成分有很大不同，造成机组运行特性存在不可调控的差异，因此在能效指标对标过程中必须考虑燃料成分影响产生的差异。

统计不同设备厂家提供的燃气-蒸汽联合循环发电机组性能修正曲线，获得不同机型不同碳氢质量比（mC/mH）下，燃料低位热值QLHV（kJ/kg）与联合循环热耗修正系数的数据，并进行数据汇总、制图、图表分析、曲线拟合，得出E 级和F 级机组燃料成分的修正系数S2，见表2。

表2 天然气成分对供电气耗的影响系数Tab.2 Influence coefficient of power supply gas consumption affected by natural gas composition

2.3 负荷率修正

燃气轮机经常参与电网调峰，负荷率的变动会导致燃气轮机运行特性发生变化，燃气轮机排气参数发生波动，进而影响联合循环的经济性能，因此，负荷率是影响能效指标对标的关键因素之一。

采用对机组运行数据进行统计分析的方法获取负荷率修正系数S3的计算模型，所选取的数据包括16 台F 级发电机组和12 台E 级燃气发电机组，时间范围为2015—2017年，最终的近似拟合曲线如图2所示。

由统计结果可以看出:当负荷率≤0.75 时，F 级机组修正系数的函数为N-0.17（N为机组负荷率），E级机组修正系数的函数为N-0.18；当负荷率＞0.75时，F 级机组修正系数的函数为N-0.05，E 级机组修正系数的函数为N-0.07。

图2 负荷率对供电气耗的影响Fig.2 Power supply gas consumption affected by the load rate

2.4 机组启停机次数修正

为满足电网负荷需求，燃气-蒸汽联合循环发电机组启停比较频繁，尤其在长三角和珠三角等经济发达地区，电网昼夜负荷偏差较大，燃气-蒸汽联合循环发电机组经常会出现昼启夜停的情况。频繁的启停不仅影响机组的安全性和可靠性，对机组的经济性也会造成较大的影响［16］。

启动次数主要通过影响机组发电厂用电率来影响供电气耗，因此，首先应确定启动次数对厂用电率的影响，其修正系数同样是通过对收集到的数据进行统计分析来确定的。将启动次数与厂用电率数据拟合出图3 所示的曲线，可得到厂用电率修正关系。

（1）400 MW级机组

式中:y为发电厂用电率；x为1 000 h内的启动次数；ξ为基础发电厂用电率。

得出修正偏差为5.7×n÷t/100（n为统计期启动次数；t为统计期等效利用小时数）。

（2）200 MW级机组

可得出修正偏差为6.2×n÷t/100。

通过统计分析，厂用电率每增加1百分点，机组供电气耗增加1%，从而可以得出启动次数对供电气耗的修正系数S4。

图3 启动次数与厂用电率关系曲线Fig.3 Relationship between the number of startups and the power consumption rate

400 MW级机组

200 MW及以下机组

2.5 供热修正

供热修正系数S5的计算方法参照燃煤机组供热修正系数计算方法。

式中:Rpi为机组全年平时均热电数据比值；Cpi为不同抽汽压力供热的供电煤耗调整系数，用下列公式计算（pi为供热抽汽平均压力）

2.6 冷却方式修正

国内燃气发电机组冷端系统冷却方式包括直流冷却和循环冷却，其中循环冷却包括自然通风塔冷却和机械通风塔冷却2 种方式，冷却方式主要影响机组厂用电率，冷却方式影响系数S6见表3。

表3 冷却方式修正系数S6Tab.3 Correction coefficient of cooling methods

通过分析各边界因素对机组供电气耗的影响，可得出供电气耗的修正量

式中:gxz为供电气耗修正值，m3/（kW·h）；g为供电气耗完成值，m3/（kW·h）。

3 厂级能效指标对标管理系统开发

根据所建立的能效指标对标体系，在某E 级燃气发电企业数字一体化管控平台的基础上，开发了厂级能效指标对标管理系统，实现了以下功能:综合能效指标和关键运行小指标纵向对标及分析；综合能效指标和运行小指标的横向及纵向对标。

3.1 能效指标纵向对标及分析

能效指标纵向对标涉及的指标包括全厂及单元机组的发/供电量、厂用电率、发/供电煤耗、负荷率等综合性能指标和单元机组高压主蒸汽温度、真空度、凝汽器端差、6 kV辅机耗电率等运行小指标。

对于全厂指标，分析与计划值和同期值的偏差以及偏差产生的原因。如某月供电煤耗与前一年同期相比下降了18.09 g/（kW·h），通过计算分析可得出:第1 台套机组的运行导致供电煤耗降低了86.57 g/（kW·h），第2 台套机组的运行导致供电煤耗升高了68.80 g/（kW·h）。

对于单元机组运行小指标，分析每台套机组供电煤耗与计划值和同期值的偏差以及偏差产生的原因。如某台套机组与前一年同期相比，供电煤耗升高了28.00 g/（kW·h），其中燃气轮机热效率降低导致煤耗升高了13.57 g/（kW·h），汽轮机热效率对供电煤耗的影响为10.85 g/（kW·h）。

3.2 能效综合指标和运行小指标的横向及纵向对标

根据图1 所示的能效指标对标体系，以柱状图的形式进行综合指标和小指标的横向及纵向对标，如图4所示。

图4 综合指标和小指标横向及纵向对标Fig.4 Horizontal and vertical benchmarking of comprehensive indicators and small indicators

4 结束语

燃气发电机组能效指标对标管理是发电企业寻找差距、找出自身问题的关键技术手段。本文根据燃气发电机组的设备特征及热力学机理，建立了燃气发电机组能效对标指标体系，使得指标对标层次分明；通过对不同厂家、不同形式机组的大量数据进行统计分析和热力学仿真，研究了对供电气耗影响较大的边界因素，建立了各边界因素对供电气耗影响修正系数计算模型；在某E 级燃气发电企业数字一体化平台的基础上，建立了燃气发电企业能效指标对标管理系统，实现了对标管理工作的信息化，可为同类型机组的对标管理提供参考。