H级燃机在燃气-蒸汽联合循环供热机组中的选型研究

高 嵩 任博涵

（1.中国能源建设集团有限公司工程研究院 2.中国华电科工集团有限公司）

0 引言

燃气-蒸汽联合循环利用燃气轮机作功后排出的高温烟气在余热锅炉中将给水加热成过热蒸汽送至蒸汽轮机继续做功，通过余热锅炉把燃气轮机和蒸汽轮机联合在一起构成相对独立的动力循环。燃气-蒸汽联合循环发电的主要优点如下：

1）联合循环机组充分回收燃机排烟热损失，联合循环效率高。燃气-蒸汽联合循环发电效率高达50%以上，H级联合循环能够达到60%以上。

2）环保性好污染物排放少。燃气-蒸汽联合循环发电形式的NOX排放量能够完全符合国家环保规定要求，无灰渣排放，是一种绿色环保型发电方式。

3）联合循环发电厂汽水系统设计较简单、布置紧凑；余热锅炉及旁路烟囱等设备采用模块化组装，现场安装施工量小于同等容量燃煤机组，安装周期短；无需煤场和灰场，占地面积小；可分期建设，分块投运，燃气轮机可单循环运行。

4）快速启停，调峰性能好，在天然气资源优势地区具备较好的热电联产优势。燃气轮机启动时间较短，从开始盘车到满负荷运行所需时间不到20min，联合循环发电机组热态、温态和冷态启动时间约为60min、90min和120min，均远低于火电机组相应的启动时间［1］。

1 燃气蒸汽联合循环燃机选型

本文依托某大型燃气蒸汽联合循环供热机组新建工程设想，基于热负荷稳定性要求高、电负荷较低的特点，通过E级、F级、H级三种不同型号的燃机技术经济方案比选［2-3］，论证并提出了H级燃机在联合循环供热机组应用的可行性。

2 影响燃机选型的要素

2.1 热负荷分析

燃机选型设计需满足工业园的近期热负荷，统筹兼顾中、远期热负荷［4］。近期热负荷情况：热用户端1.0MPa参数蒸汽需求量合计为120t／h，0.45MPa参数蒸汽需求量为240t／h，合计为360t／h。供热距离约4km，经过焓值折算后计算出本工程工业抽汽设计热负 荷 为117t／h（1.2MPa（g），290℃），234t／h（0.6MPa（g），240℃）。

2.2 电负荷分析

根据当地工业园近期电负荷的增量，兼顾中、远期电负荷的增长需求，投产后近5年内将不能实现机组满发，本工程发电利用小时按照4500h进行测算。在满足供热要求的前提下，以热负荷定电负荷［5］，开展主机方案比较研究。

3 技术经济方案比较

基于9H型，9F型，9E型燃机作为联合循环机组备选机型［6］，对其主要技术及经济指标进行计算比较，计算结果见下表。通过表中数据分析得出，在供电气耗、供热气耗方面，9H型机组优于9F型，9E型机组［7-8］。

表 联合循环装机方案对比表

4 供热可靠性分析

设计热负荷为工业热负荷，由于所需蒸汽的用户生产工艺过程为连续进行的，因此其热负荷的特点是要求连续、稳定的蒸汽供应，并能满足工艺开工、停机等特殊尖峰热负荷的要求。

4.1 两套9H燃机1+1联合循环机组供热可靠性分析

正常运行时，从单台汽轮机中压缸抽取1.2MPa（g）／290℃的工业蒸汽60t／h，中低压缸连通管抽取0.6MPa（g）／240℃的工业蒸汽120t／h，两台机组共对外供应1.2MPa（g）／290℃的工业蒸汽120t／h，0.6MPa（g）／240℃的工业蒸汽240t／h，全年在此模式运行648h。其余运行7752h，只运行一台机组，在中压缸抽取1.2MPa（g）／290℃的工业蒸汽120t／h，中低压缸连通管抽取0.6MPa（g）／240℃的工业蒸汽240t／h，另一台机组停机，满足全厂对外供应工业蒸汽热负荷需求。

当一台燃机、余热锅炉或汽轮机故障停运时，另一台机组供汽量360t／h，可满足本期工程热负荷需求。

为确保供热安全，两台余热锅炉过热器出口主蒸汽母管各设置了一台相应容量的减温减压装置。当上网负荷过低或者两台汽轮机均故障停运时，一台燃机和其对应的余热锅炉停运，另外一台燃机和余热锅炉部分负荷运行，余热锅炉出口蒸汽经减温减压后供至用汽单位，可满足本工程工业热负荷需求。

4.2 两套9FB燃机1+1联合循环机组供热可靠性分析

在正常运行时，从联合循环单台汽轮机中压缸抽取1.2MPa（g）／290℃的工业蒸汽60 t／h，中低压缸连通管抽取0.6MPa（g）／240℃的工业蒸汽120 t／h，两台机组共对外供应1.2MPa（g）／290℃的工业蒸汽120 t／h，0.6MPa（g）／240℃的工业蒸汽240 t／h，全年在此模式运行8400h，可满足本期工程热负荷需求。

当一台汽轮机检修或故障停运时，停运的汽轮机对应的燃机和余热锅炉可通过减温减压提供1.2MPa（g）／290℃的工业蒸汽120t／h，另一台机组可提供240t／h的0.6MPa（g）／240℃低压蒸汽，仍可满足本期工程热负荷需求。

当一台燃机、余热锅炉检修或故障停运时，另一台机组余热锅炉出口蒸汽通过减温减压，直接供给工业蒸汽，汽轮机停止运行，仍可满足本期工程热负荷需求。

为保证供热可靠性，当一台机组停机检修时，需要牺牲经济性，停运另外一台联合循环机组对应的汽轮机，采用余热锅炉出口蒸汽减温减压后供至热用户。

4.3 四套9E燃机1+1联合循环机组供热可靠性分析

该装机方案中，为提高热经济性，暂定其中一套联合循环机组配套汽轮机为背压机，其余三套联合循环机组配套汽轮机为抽凝机。对于四套9E燃机联合循环机组，由于机组容量较小，机组运行模式可根据电负荷和热负荷灵活调整，对热、电适应性方面具有优势，较适合热负荷波动频繁的工业热用户，而本工程热负荷持续稳定，优势不明显。

在正常运行时，从三台抽凝式汽轮机低压缸各抽取0.6MPa（g）／240℃的工业蒸汽60t／h，三台汽轮机共对外供应0.6MPa（g）／240℃的工业蒸汽180t／h。背压机排汽用于提供的1.2MPa（g）／290℃的工业蒸汽，流量为180t／h，其中有60t／h排汽通过支路经减温减压到0.6MPa（g）／240℃，与三台汽轮机的抽汽汇合至母管，共同提供240t／h的低压工业蒸汽，可满足本期工程热负荷需求。

当一台燃机、余热锅炉或抽凝式汽轮机检修或故障停运时，另两台抽凝式汽轮机增大抽汽量，和背压机对应联合循环机组共同满负荷运行，可满足本期工程热负荷需求。

当一台燃机、余热锅炉或背压式汽轮机检修或故障停运时，另三台抽凝式汽轮机增大抽汽量，可满足本期工程热负荷需求。当机组负荷波动时，三台余热锅炉出口部分蒸汽通过减温减压［9］，直接供给工业蒸汽，可满足本期工程热负荷需求。

5 结束语

综上所述，从技术经济指标比较结果得出，联合循环机组采用9H型机组无论是供电气耗还是供热气耗与其他两个装机方案相比均具有经济性优势，热电比、热效率两个技术指标也能够满足相关规定要求。由于受限于热用户近期热、电负荷的限制，全年大部分时间仅一台机组运行，另外一台机组呈备用状态，造成部分建设初投资浪费，但考虑到工业园的中、远期发展热、电负荷均有较大增长空间，该型号机组有能力成为承担该区域热、电负荷的主力机组，此方案具有可行性。