9E级燃气电厂进气加热提效技术应用项目经济可行性研究

王文飞，朱鸿飞，严志远

(国电环境保护研究院有限公司，南京 210031)

目前，我国燃气轮机电厂主要承担电网调峰功能，电厂需根据电网调度的要求调整燃气轮机功率，故很难保证燃气轮机的满负荷运行[1-2]。常见的重型燃气轮机均设有进气导叶(IGV)，通过调节IGV以降低燃气轮机机组出力[3-4]。但当燃气轮机负荷低于额定负荷的85%时，IGV调节已不能满足燃气轮机负荷的调整，此时燃气轮机将通过降低透平前温来减小燃气轮机负荷[5]。而燃气轮机长期在部分负荷区间工作，将大大降低运行效率，热耗率上升，如图1所示。

图1 燃气轮机负荷率与热耗率关系曲线

此外，我国北部地区冬季寒冷，沙尘和雾霾等极端天气常有发生，造成燃气轮机进气系统袋式粗滤和除湿板表面结冰、结霜、堵塞，从而引起燃气轮机进气系统差压迅速上升，危及机组正常运行[6]。

2017年3月，天津华电福源热电厂为了解决燃气轮机联合循环低负荷运行时效率降低的问题，同时防止进气系统在恶劣天气条件下出现冰堵和湿堵[7]，委托国电环境保护研究院开展燃气轮机进气温度控制技术研究工作。

1 进气加热提效技术国内外研究概况

国内外关于燃气轮机进气加热技术的研究均集中在满负荷工况，并且技术的应用主要为防止进气系统冰堵和湿堵[8-9]，而对于部分负荷条件下通过进气加热提高机组效率的研究除国电环境保护研究院和三大主机厂商外，目前国内其他科研机构和高校还未开展。本研究的开展和技术应用将极大地提高国内外燃气轮机领域技术人员对于燃气轮机进气加热技术的认识和理解，推动燃气轮机厂家针对中国燃气轮机的应用现状优化机组设计。

燃气轮机进气加热技术根据热源的不同可以分为压气机抽气式加热、翅片管换热式加热、电加热等。目前，针对我国燃气轮机机组部分负荷运行的特点，国电环境保护研究院、西门子、GE等研究机构开展了翅片管换热式加热研究，利用燃气轮机电厂的余热对燃气轮机入口空气进行加热，降低燃气轮机机组发电热耗，提高联合循环机组的整体运行经济性[7]。

本技术路线的技术可行性在相关文献已有充分论述[1，7-9]，而经济性论证还未有开展。本文主要从经济性角度研究燃气轮机部分负荷进气加热提效技术的可行性，为燃气轮机发电行业部分负荷运行优化提供决策参考。

2 进气加热提效技术应用情况

2.1 燃气电厂概况

天津华电福源热电厂位于武清开发区，是天津重点惠民工程，也是国内首座“五联供”能源站。电厂概况见表1。

表1 华电福源热电厂情况表

2.2 进气加热方案选择

通过对压气机抽气式加热、翅片管换热式加热和电加热三种常见进气加热技术的对比研究发现：电加热技术存在运行费用高、改造收益差的问题；压气机抽气加热技术会导致机组效率下降[10-12]，不适合长期运行。故从长期运行、提升燃气轮机部分负荷运行的经济性方面考虑，采用翅片管换热式加热技术。在现有燃气轮机进气系统条件下布置翅片管换热器[7]，用余热锅炉热水加热方式对燃气轮机进气进行加热。系统流程如图2所示。

图2 燃气轮机部分负荷进气加热提效系统流程图

2.3 进气加热系统组成

燃气轮机进气加热系统由换热器组(1组换热器)、循环水泵(2台，1用1备)、管道和控制系统等部分组成。换热器组由多个换热器模块、支架及旁通挡板组成，并预留凝结水收集盘、挡水板等装置安装位置。换热器安装在燃气轮机进气室外、进口防雨罩前，最大设计运行负荷为将12.5 ℃进气温度加热到33 ℃。循环水泵的作用是向换热器组提供和输送足够扬程和流量用于加热进气的余热锅炉热水。进气加热系统设置一组共2台(100%总流量)循环水泵，按运行时1用1备考虑。

进气加热系统设置独立的控制系统，初期为了试验调试方便采用PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制器)控制方式，项目通过验证后将改造成DCS(distributed control system,分散控制系统)控制[7]。

3 项目经济可行性研究

3.1 项目投资

通过对主设备的采购和安装进行询价，并依据国家能源局发布的《火力发电工程建设预算编制与计算规定》、《电力建设工程概算定额》(2013年版)和《火力发电工程建设预算编制与计算规定》对投资进行估算[13-16]，改造总投资为653万元，费用估算见表2。

3.2 项目收益

本项目通过利用尾部烟气余热对部分负荷燃气轮机进气进行加热，提高机组部分负荷效率，获得经济和社会效益。

(1) 部分负荷机组效率提升收益

燃气轮机进气加热技术能够在机组部分负荷工况下提高燃气轮机机组的发电效率，从而降低机组热耗，节省燃料[17]。通过对进气加热前后相同工况条件下燃气轮机机组发电效率的比较，分析计算其发电热耗的降低值，再通过机组功率和运行时长计算得到其节省的天然气价格，最终获得进气加热技术节省燃料收益[18]，其中电价0.598元/(kW·h)(不含税)、天然气价格1.900元/m3(不含税)，计算结果如表3所示，共节约支出收入305.90万元。

从表3可知，福源热电厂单台机组采用进气加热技术年收益为305.90万元。

(2) 进气过滤器国产化替代收益

本项目采用燃气轮机进气加热技术后，提高了机组燃气轮机进气系统抵抗高湿、低温等复杂气候的能力，提升了燃气轮机进气系统的安全裕度[19-20]，可用价格更低的国产进气过滤器替代价格昂贵的进口过滤器，由此年节省过滤器采购费用80万元。

(3) 社会效益

通过本项目技术应用大大提升了燃气轮机机组部分负荷工况的发电效率，大大减少了温室气体排放量。根据测算，年减少CO2排放量约3 000 t[21-22]，取得了显著社会综合效益，为该厂建立环境友好型企业做出了突出贡献。同时，本项目技术应用大大增强了机组在冬季供热季节运行的安全性和稳定性，为电厂圆满完成保民生供热任务创造良好的条件[23]。

3.3 项目经济可行性分析

项目经济效益分析依据国家计委《建设项目经济评价方法与参数》(第三版)、国家能源局发布的《火力发电工程经济评价导则》及现行有关规定和财税制度，财务评价及经济效益分析原始数据见表4[24]。

项目主要经济可行性分析指标见表5。

经济性分析可见：本项目投资内部收益率为44.3%，大于电力行业一般规定的8%，也高于银行长期贷款利率；静态投资回收期为3.26 a。通过对项目投资内部收益率、投资回收期、财务净现值等财务数据分析，说明本项目具有较好的经济效益[25]。

3.4 经济敏感性分析

为了考察投资额、气价对项目经济效益的影响，在其他边界条件相同的情况下，作单因素敏感性分析[26]。

财务指标对投资的敏感性分析见表6。

表6 敏感性分析成果表

财务指标对气价的敏感性分析见表7。

表7 敏感性分析成果表

同时，由敏感性分析可见：当投资、气价在一定范围内波动时，财务内部收益率、投资回收期仍然能满足评价要求。可见，项目具有较强的抗风险能力，财务评价可行[27]。

3.5 项目经济性验证

2018年10月，业主委托第三方(华北电力科学研究院)开展性能考核试验，结果表明：本技术在燃气轮机部分负荷下能够提升该机组联合循环发电效率0.89个百分点以上，年节能经济收益大于400万元，项目投资回报期小于3 a。

可见，本技术的应用能明显提高燃气轮机机组部分负荷下的效率，创造良好的经济收益，同时，还有效解决了北方地区进气系统冰堵和湿堵问题，显著增强了燃气轮机机组复杂气候条件下的运行安全性。

4 结论

本文从经济性角度分析得出，进气加热技术在天津华电福源热电厂的应用中，项目改造投资总额约653万元，投资内部收益率达到44.30%，投资回收期为3.26 a，具有很好的投资回报。投运后经第三方单位性能考核试验结果表明，实际运行经济性超过项目设计情况，经济社会效益显著，获得了极大的同行关注度，有较强的行业示范效应。