国际小型联合循环电站项目系统设计和性能优化研究

张如意，蔡喜冬，李汉臣，李平波，蒋志武

国际小型联合循环电站项目系统设计和性能优化研究

张如意1，蔡喜冬2，李汉臣1，李平波1，蒋志武1

（1.中国能源建设集团东北电力第一工程有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

在日益复杂的工艺流程与严峻的经济形势下，不同小型自备电站既要满足各自不同耦合程度的热负荷与电负荷，又要都实现清洁高效，因此合理选择装机方案，以满足个性化的负荷需求是一项重要的工作。基于以往项目经验，从热力系统设计和系统性能优化两个角度，深入探讨某自备联合循环电站的装机方案，最终确定采用补燃式余热锅炉联合机组，对于个性化特点明显的电站如何确定装机方案具有较强的技术借鉴意义。

自备电站；补燃；联合循环；性能优化

2002年中国加入世贸组织（WTO），接下来的十几年里，中国境外非金融类直接投资和对外承包工程业务开始飞速发展，2019-01—2019-11，中国企业在“一带一路”沿线的61个国家新签对外承包工程项目合同6 055份，新签合同额1 276.7亿美元，占同期中国对外承包工程新签合同额的61.2%，同比增长41.2%；完成营业额746.1亿美元，占同期总额的55.3%，同比增长1.3%。从2010年至今的10年里，国内电力工程市场持续萎缩，电力工程企业迅速开拓海外市场，并取得了诸多成绩。

国际电力EPC工程业主来自各行业，对电负荷与热负荷的的需求各不相同，因此较少采用国内火力发电厂的典型设计理念，而是量体裁衣，既不过分追求机组出力余量又要保证指标一流造价便宜。在招标过程中，业主往往对核心主机设备的选型、系统配置没有明确的要求，而是提出机组净出力、供热量、发电热耗、机组可利用率等性能指标的最低要求。为了在竞争对手中脱颖而出，EPC承包商技术标核心的内容就是，在规定时间内完成机组的选型与系统的设计，并提出更好的性能指标。本文以某国际电力EPC工程开发为背景，阐述国际小型联合循环电站项目的热力系统设计和性能优化。

1 项目背景和技术要求

项目位于温带某国海滨城市，为热法海水淡化工厂的自备电厂，需同时考虑工艺流程的蒸汽需求和用电需求。本项目拟建设燃气-蒸汽联合循环机组，以LNG为燃料。

业主对主机类型与数量无具体要求，仅以寿命周期内机组的性能指标和项目的总体造价为评价指标择优选择承包商。业主对标书的要求为，在温度31 ℃、大气压1.01×105Pa、相对湿度63%的环境条件下，电站能提供71 t/h、0.55 MPa.a、156 ℃的蒸汽时，净出力不低于64 MW，发电热耗不高于 8 800 kJ/kWh。本项目当地环境参数和LNG特性参数分别如表1和表2所示。

表1 项目厂址环境参数

序号项目数据 1平均气压/hPa1 016.8 2平均气温/℃12.3 3极端最高气温/℃41.1 4极端最低气温/℃﹣20.7 5平均相对湿度/（%）62 6海水冷却温度/℃20

表2 燃料热值

序号项目数据 1LHV 25 ℃/低位热值/（kJ·kg﹣1）49 958 2HHV 25 ℃/高位热值/（kJ·kg﹣1）55 432

注：1.013 bar、25 ℃，低位发热量32 820 kJ/m3。

2 项目热力系统设计和优化

2.1 热力系统设计

根据项目的热负荷需求与电负荷需求，拟在ISO出力范围为30～60 MW的小型工业燃机进行选择对比。目前该出力范围内可供选择的燃机品牌有西门子、通用、普惠等，它们都大量应用于单循环发电与联合循环发电项目中。余热锅炉拟采用双压、卧式、自然循环余热锅炉。国内多家知名余热锅炉厂家均有与此等级燃机配套的产品，如杭州锅炉厂、无锡锅炉厂、东方菱日锅炉有限公司等。同时，考虑到蒸汽负荷波动幅度较大，汽轮机拟采用抽凝式机组，方便安全灵活运行。

基于项目周边环境的现实条件，企业能便利地从网上购电来满足生产需求，但无法从附近购买汽源，因此本工程还是应以供热为主、发电为辅，还是优先按照“以热定电”原则规划机组容量。综合考虑蒸汽量和用电量的需求，基于经验初步估算，如选择二拖一联合循环模式，燃机ISO功率应在30 MW左右，如选择一拖一联合循环模式，燃机ISO功率应在50 MW左右。基于以上分析，采用以下两种装机方案进行初步热力计算。

方案一：两台西门子燃气轮机SGT700，配两台国产余热锅炉和一台抽凝式国产汽轮机，即2×2×1（二拖一）方案。

方案二：一台通用燃气轮机6F.01，配一台国产余热锅炉和一台抽凝式国产汽轮机，即1×1×1（一拖一）方案。

经设计院与燃机厂和汽机厂以及余热锅炉厂配合，两种装机方案的技术性能指标如表3所示。

表3 装机方案参数对比分析

序号项目方案一方案二 1工业供热负荷/（t·h﹣1）7157.2 2额定供热工况全厂机组功率/MW70.83359.404 3燃机功率/MW2×27.96847.064 4汽机功率/MW14.89712.340 5额定供热工况全厂热效率/（%）72.0279.91 6燃机效率/（%）34.7436.87 7热电比/（%）63.7771.72

通过上面计算结果可知，采用方案一即可以满足用户的热负荷需求又可以满足电负荷需求，而方案二的功率与目标值64 MW差约4.6 MW，供汽量与目标值71 t/h差约13.8 t/h。但是根据业主的热负荷曲线与电负荷曲线，只是在极少的时间段需要同时满足71 t/h与64 MW。由于二拖一方案成本远高于一拖一方案成本，如果仅仅为了满足极少数时段的尖峰热电负荷而采用二拖一方案，将不可避免地浪费投资。同时，30 MW等级燃机的效率明显比50 MW等级的要低，不绿色节能。因此，基于工程总投资与综合效率两方面，本工程优选一拖一方案。

2.2 主机选型

对于一拖一方案50 MW等级燃机，除了通用6F.01可供选择外，还有西门子SGT800。由于燃机的结构特点，无论是6F.01还是SGT800，无法同时满足业主要求的供汽量和净出力。但如果选择容量高一档的燃机，又过于浪费。为了解决该矛盾，本工程拟采用补燃式余热锅炉，以最小的成本投入来满足业主的考核要求，且能保持良好的综合效率。本文分别对6F.01和SGT800两款燃机进行初步的联合循环带补燃性能计算，计算结果如表4所示。根据表4的初步计算可以看出：在同等外部条件下，一拖一方案燃机采用SGT800的全厂热耗比6F.01低91 kJ/kWh，且净出力高 0.824 MW，主要原因是SGT800的单机效率较高，原有联合循环效率就比6F.01要好，且其单机功率较大，补燃量小，对系统的性能削弱较小。因此，本项目从满足业主特定要求的角度来看，SGT800更加适合。

2.3 系统优化

从理论上分析，联合循环的发电效率远远高于燃气锅炉的发电效率，因为联合循环通过布雷顿循环与朗肯循环的共同作用实现了能源的梯级利用。单纯补燃在热力系统的模型可等价于燃气锅炉，仅实现在朗肯循环层级上的能量利用，所以补燃将削弱全厂总效率。在热力系统中，应尽量提升联合循环的占比且降低补燃占比，才能优化系统效率，因此补燃量的确定是研究的重点。

表4 联合循环性能指标计算对比分析

序号项目6F.01SGT800备注 1燃机功率/kW47 06448 561 2汽机功率/kW21 70021 027 3毛功率/kW68 76469 588 4净出力/kW66 70167 500厂用电率3% 5燃机效率/（%）36.8737.91 6全厂供电效率/（%）42.58443.573 7全厂供电热耗/（kJ·kWh﹣1）8 4548 262 8可供蒸汽量/（t·h﹣1）7171 9全厂总热耗/（kJ·kWh﹣1）5 0614 970

由于在表4的相关计算中，没有对联合循环的净出力进行精确校准，因此在选定SGT800作为本项目的燃机主设备后需要联合电力设计院、燃机厂、余热锅炉厂与汽机厂进行全厂综合性能优化与计算，寻找在业主指定热电负荷需求下的最少补燃量。

为了能够提高全厂效率，本文在工程投标过程中做出以下几方面工作：①合理选择全厂的辅助设备，减小不必要的裕量系数，避免选型过大造成厂用电浪费，将厂用电率由原来的3%优化为2%；②不响应业主标书中分体式除氧器的要求，建议其修改为一体式除氧器，进一步提高系统效率； ③经过多方多次计算的配合，将联合循环机组在性能保证工况下的毛出力设定为65.45 MW，此时净出力为64.141 MW，使补燃量降低最低，确保全厂性能达到最优。经优化后，全厂的性能参数指标如表5所示。

表5 联合循环性能保证

序号项目数值 1联合循环功率/MW65.45 燃机功率/MW48.957 汽机功率/MW16.493 2综合厂用电率/（%）2 3联合循环净出力/MW64.141 4供热出力/MW45.125 5供热蒸汽量/（t·h﹣1）71 6全厂天然气耗量/（kg·s﹣1）2.93 燃机天然气耗量/（kg·s﹣1）2.59 补燃天然气耗量/（kg·s﹣1）0.34 7全厂热效率（供热+供电）/（%）75.67 8全厂供电热耗率/（kJ·kWh﹣1）8 038

3 总结

基于本文的技术思路，总承包商、电力设计院、设备厂商通力配合，完成主机选型和系统优化，提供了最佳的性能保证值，在投标竞争中脱颖而出，成为本项目的最优解决方案，并赢得业主的青睐。

回顾项目的历程，可以总结三条经验：①对于国际电力工程，特别是业主要求不明确的EPC工程，可凭借创新性的理念来兼顾项目造价与性能指标；②EPC承包商要与电力设计院、设备供货商紧密配合，利用各家所长把技术理念变为可实现的技术方案；③EPC承包商要与业主做好技术解释，一方面要做好技术方案的保密工作，建立短期技术优势，另一方面要让业主了解技术特点，增强业主对承包商能力的认可度。

［1］施延洲，王智微，杨东.电网火电机组在线节能发电调度方法和策略探讨［J］.热力发电，2010（10）：7-11.

［2］李俊朋，王停戈，崔春晖.影响火电机组冷端性能的因素分析及对策［J］.设备管理与维修，2019（5）：70-71.

2095－6835（2020）10－0052－02

TM62

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.021

张如意（1983—），男，吉林榆树人，硕士研究生，工程师，研究方向为电力工程技术和企业风险管理。

〔编辑：王霞〕