9F级燃气_蒸汽联合循环机组总体性能优化

第27卷　第8期2006年8月电　力　建　设ElectricPowerConstructionVol.27　No.8Aug,2006

9F级燃气-蒸汽联合循环机组总体性能优化秦刚华1,李硕平2(1.浙江浙能宁波天然气发电有限责任公司,浙江省宁波市,315012;　2.浙江省电力设计院,杭州市,310014)[摘　要]　目前,燃用天然气的9F级燃气-蒸汽联合循环电厂发电成本较高,竞争力不强。可通过优化机组的总体性能,以获得更高的出力与效率,从而提高该类型电厂的竞争力。可对联合循环机组的进气系统优化、主机参数匹配优化、汽机冷端优化。主机参数匹配优化包括余热锅炉的热端温差、窄点温差、接近点温差、气侧阻力、排烟温度及余热锅炉的受热面、出口蒸汽压力、温度等参数进行优化。汽机冷端的优化如降低汽机排气背压,能有效提高汽机出力。[关键词]　9F级燃气轮机联合循环性能优化主机参数匹配冷端优化

中图分类号:TM611.31文献标识码:B文章编号:1000-7229(2006)08-0041-05

OptimizationofOverallPerformancefor9FClassGas-steamCombinedCirculatingUnitQinGanghua1,LiShuoping2(1.ZhejiangZhenengNingpoNaturalGasPowerGenerationLtd.Co.,NingboCityZhejiangProvince,315012;

2.ZhejiangProvincialElectricPowerDesignInstitute,HangzhouCity,310014)

[Keywords]　9Fclassgasturbine;combinedcirculation;optimizationofperformance;matchingofmainmachineparameters;optimizationofcold-end

目前,已有部分9F级燃气-蒸汽联合循环电厂陆续投入商业运行。但是,使用清洁能源成本较高。浙江沿海地区标煤价大约为520元/t,折合成低位发热量价为0.0177元/MJ。而西气及东海气在浙江的价格目前大约为1.5元/m3,折合成低位发热量价为0.0429元/MJ。9F级燃机电厂上网电价为0.5～0.6元/(kW・h),与1000MW超超临界机组电厂上网电价0.4元/(kW・h)左右相比,竞争力不容乐观。因此,如对主机参数进行优化匹配,对辅助系统进行优化,提高机组的出力和效率,从而最大限度降低发电成本,可有效提高9F级燃机电厂的竞争力。下面讨论可能的各种优化技术,包括针对特定气象条件的燃机进气部分、利用燃机排烟余热的余热锅炉系统、汽机冷端系统的优化。1燃机进气系统的优化1.1燃机出力与进气系统参数的关系燃气轮机从大气连续吸取空气做工质,经压缩、加热、膨胀做功后排回大气。膨胀过程做功扣除压缩过程耗功及其他损耗功后才是装置的输出功。所以,当地气象条件变化对燃机压气机的耗功有很大影响。某型9F级联合循环机组的出力与大气温度、压力、相对湿度间的关系见图1～3。从图1～3可知,燃机出力随气温增加而减少,

随气压增加而增加。当气温在25℃以下时,燃机出力随相对湿度增加而增加;在25℃以上时,燃机出力随相对湿度增加而减少。其中,通过减少进气滤网、进气道的压降,使燃机压气机进气压力增高。气温可调节的方法较多。当气候炎热时,可通过各种降温手段使压气机进气温度下降,从而使压气机功耗减少,以增加净输出功。燃机进气的相对湿度通常随进气冷却而增加。需注意,降低进气温度,会增加机组的出力,但对联合循环机组的效率来说未必如此。9F级燃机机组的最佳效率点随机型的不同而不同,一般为10～15℃。所以,进气的冷却效益需考虑联合循环机组的整体效率影响而引起的总燃料消耗量的变化。

收稿日期:2006-03-28

作者简介:秦刚华(1963-),男,浙江宁波人,高级工程师。

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图19F级燃气轮机出力与大气温度的关系图29F级燃气轮机出力与大气压力的关系

图39F级燃气轮机出力与大气湿度的关系

1.2进气冷却的类型及原理目前,主要的进气冷却技术有蒸发冷却和制冷冷却。制冷冷却根据采用的制冷型式又可分为压缩式制冷、吸收式制冷等几种型式。蒸发冷却的原理是利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。当未饱和的空气与水接触时,两者间便会发生传热、传质过程。结果是空气的闪热变为水蒸发吸收潜热,使温度降低。此类冷却技术的初始成本及运行维护费用较低,适合干燥炎热地区。其缺点是空气中的含水量对燃机压气机的寿命影响较大,燃机对喷水有严格的限制。采用制冷冷却方式,制冷系统通过安装在燃机进气道内的热交换器来降低燃机进气的温度。压缩制冷采用压缩机制冷循环,以消耗机械功获得冷源。优点是初投资较低及可获得较低的制冷温度。吸收式制冷利用电厂低位余热制冷,由于利用低品位的热能且不消耗电力制冷,有利于提高机组运行的经济性。当其在制冷负荷变化较大时(20%

～100%),效率较高。吸收制冷常采用溴化锂吸收制冷。溴化锂机组也可采用直燃式,但通常直燃机的价格高于蒸汽式溴化锂机组,而直燃机的配套燃气系统也相当复杂,而电厂中、低品位的蒸汽源很容易获得。所以,对于新建电厂,经过技术经济比较,

蒸汽式溴化锂机组优于直燃机。当然,老厂改造限制因素较多,也有采用直燃机进气冷却。1.3各种进气冷却方法的经济性分析表明,采用进气冷却在经济上是否合理或采用何种冷却方式合理,与当地的气象条件、进气冷却系统的年运行小时数、进气冷却系统的初投资、上网电价、燃料价格密切相关。通常,蒸发冷却的初投资最小,但我国大部分地区的气象条件不适合采用该方式。冷水机组的初投资次之,蒸汽型溴化锂机组的初投资最大。以某9F

燃机工程为例,适合进气冷却系统运行的平均温度是26℃,平均大气压为1008.3hPa,平均相对湿度为84.1%,平均水温27.7℃。系统年运行为2500

h,运行年限20年,含税上网电价为0.53元/(kW

・

h),天然气价按1.35元/m3,水价按2.5元/t。考虑年运行维护费率,各方案的经济效益如表1。

表1　各方案的经济效益比较方案名称机组出力增量/kW燃气耗气增量/(m3・h-1)耗水量/(t・h-1)工程投资/万元投资收益率/%含税上网电价

/[元・(kW・h)-1]蒸汽溴化锂制冷109081046603521.00.280.53

电制冷110411008402864.85.870.53

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从表1可知:该工程由于进气冷却系统的投资较高,年运行小时数较低,进气冷却系统的投资收益率低于行业平均值8%,经济性不是最好。所以,在我国南方地区,9F级燃气轮机电厂是否考虑采用进气冷却系统,建议做技术经济分析后再决定。2主机参数匹配的优化对于组成燃气-蒸汽联合循环的燃气轮机、余热锅炉和汽轮机3大部件来讲,分别存在各自独立的最佳设计,在最佳设计下其经济性最佳。而当它们联合在一起共同工作时,由于物质和能量传递的相互影响,它们组成整个热力系统的最佳运行状态已不再是各部件最佳状态的简单叠加,而发生了变化。因此,联合循环运行时的新最佳运行点需通过深入分析3大部件的特性,分析它们之间的相互影响,并通过合理的系统热平衡优化计算来寻找。由于目前9F级燃气轮机及配套的蒸汽轮机都是定型产品,在此,不再讨论如何进一步优化。但是对余热锅炉,仍有一些优化的余地。对于配套燃用天然气9F级机组的余热锅炉,目前普遍采用卧式、三压再热、自然循环形式。在某特定工况下,当燃机类型确定时,机组的效率将主要取决于余热锅炉和蒸汽轮机组成的蒸汽系统的流程设置和参数的优化匹配。因而影响机组性能的主要因素有:(1)余热锅炉的性能参数,主要包括热端温差、窄点温差、接近点温差、气侧阻力、排烟温度及余热锅炉的结构参数,主要为受热面参数等;(2)余热锅炉出口的蒸汽的压力、温度等。其中,热端温差是指过热器出口汽温与过热器入口烟温之间的温差。窄点温差是烟气与饱和水蒸汽温度差的最小点,通常在HRSG蒸发器出口位置。接近点温差是省煤器出口水压下饱和温度和出口水温度间的温差。针对某特定条件的9F联合循环电厂,可找出余热锅炉窄点温差、接近点温差与蒸汽量的关系及在汽机可承受范围内,找出合理的余热锅炉初参数,以达到在燃机不投入更多燃料的前提下,增加蒸汽轮机净出力的目的。对以上内容优化的同时,还应综合考虑余热锅炉的合理造价,优化余热锅炉受热面的具体形式(鳍片密度、管排间距等)及在增加受热面的同时,通过合理加大炉膛容积,保证烟气侧的阻力不变,从而不对燃机的出力造成影响。2.1高压主蒸汽出口压力对机组性能的影响在燃机和余热锅炉的其他参数及几何尺寸确定后,提高余热锅炉高压主蒸汽出口压力将导致高压汽包压力增加,从而提高高压蒸汽的饱和温度。如高压部分的窄点温度不变,导致经过高压汽包后的烟气温度升高,经过中压蒸发段及过热段的烟气温差增大。温差变化将导致高压主蒸汽流量降低,中压蒸汽流量增加,综合因素的影响导致低压蒸汽流量增加。如中、低压蒸汽流量增加部分大于高压蒸汽流量减少部分,汽机输出功率增加。图4为余热锅炉高压主蒸汽出口压力与汽机和机组输出功率的关系。

图4余热锅炉高压主蒸汽出口压力与汽机和机组输出功率的关系

2.2高压主蒸汽出口温度对机组性能的影响当压力和窄点温度一定时,汽包的饱和温度一定,则通过蒸发器出口的烟温一定;如果提高主蒸汽温度将引起热端温差减小,则高压段总吸热量增加。因而随着主蒸汽温度的增加,汽机功率增加。图5

表示余热锅炉高压主蒸汽出口温度与机组输出功率和总效率的关系。

图5　余热锅炉高压主蒸汽出口温度与机组输出功率和总效率的关系

2.3高压部分窄点温差对机组性能的影响当高压部分窄点温差在一定范围内变化时,由于汽侧各换热器前、后压力和温度不变,因此,随

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