燃氣－蒸汽聯合循環“二拖一”機組的負荷經濟性分配

陳元鎖，盧 騷，王建偉

（神華浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司， 浙江 寧波 315400）

燃氣－蒸汽聯合循環“二拖一”機組的負荷經濟性分配

陳元鎖，盧 騷，王建偉

（神華浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司， 浙江 寧波 315400）

通過對 9FA 燃氣－蒸汽聯合循環“二拖一”機組啟停過程的經濟性分析， 得出冷態和熱態啟動的運行成本和設備維護成本； 對“一拖一”啟停和連續運行這兩種模式進行經濟性比較， 為機組合理安排運行方式提供經濟性判據， 從而實現效益最大化； 對“二拖一”運行方式下機組負荷的合理分配進行分析，以使發電氣耗降至最低。

燃氣-蒸汽聯合循環；經濟性；負荷分配

9FA 燃氣－蒸汽聯合循環“二拖一”機組為多軸機組，燃氣輪機和蒸汽輪機分軸布置，各自帶動發電機發電，但燃氣輪機和余熱鍋爐的配置形式則與大多數的 9FA 單軸機組（燃氣輪機、 蒸汽輪機、發電機為同軸布置）完全一樣。 由于天然氣短缺以及電網調峰所需，大多數機組都作為調峰使用，啟停頻繁，因此有必要對其運行方式進行經濟性分析。

1 S209FA 燃氣－蒸汽聯合循環機組概況

神華浙江國華余姚燃氣發電有限責任公司采用美國 GE 公司生產的多軸 S209FA 燃氣－蒸汽聯合循環機組，為“二拖一”模式， 其中單臺燃氣輪機（簡稱燃機）額定出力 250 MW， 汽輪機（簡稱汽機）額定出力 280 MW，總出力 780 MW。

燃機和汽機為分軸布置，各自帶動發電機發電，燃機做功后的高溫煙氣進入各自的余熱鍋爐，2臺余熱鍋爐產生的蒸汽合并后送入汽機做功， 汽機為美國 GE 公司生產的 D11 型雙缸、 一次中間再熱、帶中壓補汽和低壓補汽的凝汽式機組，采用中壓缸啟動模式。

余熱鍋爐為美國 DELTAK 公司生產的臥式三壓再熱自然循環鍋爐，鍋爐內布置有高壓、中壓、低壓3個獨立的汽水系統及1個再熱器。 中壓系統產生的蒸汽從再熱器入口注入，低壓系統產生的蒸汽從中壓缸的排汽室注入，整個熱力系統見圖1。

2 “二拖一”模式的機組啟停經濟性分析

2.1 冷態啟動經濟性分析

某次“一拖一”冷態啟動的各參數情況見表1。 按照購入氣價 2.41 元/m3、 電價 1.0 元/kWh（考慮 電網 無 功 補 償 ）和 上 網 電 價 0.744 元/kWh 計算， 則用氣支出成本 10×2.41=24.1 萬元， 用電支出 成 本 3.24 ×1.0=3.24 萬 元 ， 發 電 收 入 17.77 × 0.744=13.22 萬 元 ， 綜 上 計 算 可 得 1 次 冷 態 啟 動所需運行成本 14.12 萬元。

表1 “一拖一”冷態啟動的耗時、 耗氣、 耗電及發電量

2.2 熱態啟動的經濟性分析

某次“一拖一”熱態啟動的各參數情況見表2。由于啟動爐、輔機等已預先投運，表中累計耗氣量、耗電量在燃機啟動時初始值不為零。

熱 態 啟 動 用 氣 支 出 成 本 3.85×2.41=9.28 萬元， 用電支出成本 1.20×1.0=1.20 萬元， 發電收入6.93×0.744=5.16 萬元， 綜上計算可得 1 次熱態啟動所需運行成本 5.32 萬元。

表2 “一拖一”熱態啟動的耗時、 耗氣、 耗電及發電量

2.3 冷爐熱機啟動的經濟性分析

對于“二拖一”機組而言， 冷態“一拖一”、 熱態“一拖一”為基本啟動模式，除此之外，還有“一拖一”模式的換機（指燃機， 下同）啟動， 或者是“二拖一”模式的 1 臺連續運行而另 1 臺調峰啟停；對于后兩者，如果是每天啟停，則等同于熱態啟動，如果是隔天甚至更長時間啟停，則其屬于冷爐（溫爐）熱機（指汽機，下同）啟動，這種狀態有別于其他燃機發電廠的單軸機組。正常情況下，冷爐（溫爐）熱機這種狀態比熱態啟動要多出 30 min 時間， 主要消耗在對主、 再熱蒸汽管道金屬溫度的提升。因為汽機處于熱態，所以要求主、再熱蒸汽溫度必須足夠高，否則汽機轉子負應力超限，損耗汽機壽命。

圖1 “二拖一”機組熱力系統

無論是“一拖一”模式還是“二拖一”模式， 這種冷爐熱機的啟動狀態基本相同：燃機從啟動到燃機負荷升至 70 MW 過程相同， 隨后的差別在于： “一拖一”啟動需要沖轉啟動汽機， 從啟動沖轉到并網需要 13min， 而“二拖一”模式中的調峰機組則需進行并汽操作，其所需時間與“一拖一”汽機啟動沖轉時間基本相同；二者后續的升負荷操作過程相同， 升至滿負荷所需時間約為 15min。

所以， “二拖一”多軸機組， 無論是“一拖一”模式， 還是“二拖一”模式， 其耗時、 耗氣等基本一樣。因此， 采用“一拖一”換機啟動運行方式的相關數據作為分析依據，見表3。

表3 “一拖一”冷爐（溫爐）熱機啟動時耗時、 耗氣、耗電及發電量

“一拖一”冷爐（溫爐）熱機啟動用氣支出成本6.28×2.41=15.13 萬元，用 電支 出 成 本 1.84×1.0= 1.84 萬元 ， 發 電收 入 13.17×0.744=9.80 萬 元 ， 綜上計算可得冷爐（溫爐）熱機啟動 1 次所需運行成本 7.17萬元。

2.4 “二拖一”機組的啟動成本

經綜合計算，第 2臺機組從啟動到技術出力， 熱態啟動耗時 70min， 成本約為 4.13 萬元；冷態啟動耗時 120min， 成本約為 7.0 萬元。

綜合以上數據得出， “二拖一”機組整套冷態啟動所需運行成本 21.12 萬元， 整套熱態啟動所需運行成本 9.45 萬元。

2.5 機組啟動檢修成本分析

根據 GE公司設備維護手冊，燃機每啟停450 次或點火運行時間達 8 000 h， 將進行 C 級檢修， 每次 C 級檢修成本約 2 500 萬元，因此每啟停 1 次的檢修成本為 5.56 萬元， 每運行 1 h 的檢修成本為 3 125 元/h， 每天為 7.5 萬。

如果機組“一拖一”模式連續高負荷運行， 按照 總 負 荷 360 MW、 天 然 氣 流 量 7.0 萬 m3/h、 廠用電 0.708 萬 kWh 進行計算， 則每小時的發電收益為 36×0.744=26.78 萬元， 天然氣成本7.0×2.41= 16.87 萬 元 ， 廠 用 電 成 本 0.708×1.0=0.708 萬 元 ，每小時凈利潤=發電收益-天然氣成本-廠用電成本-設 備 檢 修 成 本=26.78-16.87-0.708-0.31=8.89萬元， 每天凈利潤 213.36 萬元。

2.6 “二拖一”模式機組停機成本分析

“二拖一”模式機組停機過程， 是先解爐停運1 臺燃機， 保持另 1 臺燃機和汽機“一拖一”運行，待第 1 臺燃機停機完成后， 再執行“一拖一”停機；2臺燃機的停運過程基本相同，此處采用第2臺燃機的“一拖一”模式停機數據。

經分析， 第 2 臺燃機“一拖一”停機耗氣 1.7萬 m3，廠 用 電 0.3 萬 kWh，發 電 7.1 萬 kWh，則停機過程有 0.88 萬元盈余。 燃機在低負荷下運行時效率很低，但得益于余熱鍋爐的蓄熱以及汽機的做功，整個停機過程仍能發出較多的電量，發電氣耗在 0.239 4m3/kWh 左右。

3 “二拖一”模式的機組經濟運行

3.1 機組的發電氣耗經濟性分析

“一拖一”模式下技術出力以上負荷發電氣耗情況，見表4。

由表4 看出， 燃機負荷由 160 MW 升至 180 MW運行時，發電氣耗有明顯下降，燃機負荷在200 MW 運 行 時 ， 發 電 氣 耗 0.200 0 m3/kWh， 即每 1m3天然氣能發電 5 kWh。

以燃機負荷 200 MW 為例， 1m3天然氣能發電 5 kWh， 則 2 000m3能發電 10 000 kWh， 如果發電氣耗下降 0.000 1m3/kWh， 則每 1 萬 kWh 可節省 1m3天然氣， 即每使用 2 000m3可節省 1m3，以此計算， 按照每日天然氣量 150 萬 m3計算，正常可發電 750 萬 kWh， 則可節省 750 m3天然氣， 按照 2.41 元/m3， 則可節省 1 807.5 元人民幣。

以上計算是在發電氣耗下降 0.000 1m3情況下，而實際上由于運行方式的不同，發電氣耗波動在小數點后第 3 位， 以變化 0.001 0 m3為例，則每 1 萬 kWh 可節省天然氣 10m3，如果日發電750 萬 kWh， 可節約 7 500 m3天然氣， 相當于18 075 元人民幣。按照年耗氣 2 億 m3、發電10億 kWh 計算， 即 100 000 萬 kWh， 只要發電氣耗能 下 降 0.000 1m3/kWh， 即 可節 省 天然氣 100 000m3， 年節約資金 241 000 元。

3.2 “一拖一”運行方式的經濟性比較

由于燃氣機組普遍作為調峰使用，并且受天然氣量制約， 機組通常有“一拖一”連續運行和每天熱態啟停這2種方式。

如果燃機在最低技術出力 160 MW 連續運行24 h， 需天然氣 130 萬 m3， 發電量 612 萬 kWh，如果 130 萬 m3天然氣在額定出力 250 MW 運行，則能連續運行 18 h， 發電量 675 萬 kWh， 兩者相差 63 萬 kWh； 如在額定出力 250 MW 連續運行24 h， 需天然氣 175 萬 m3， 發電量 912 萬 kWh；在技術出力以上負荷連續運行，負荷高低對廠用電影響不大， 每天在 17 萬 kWh 左右。

如上所述，機組熱態啟停 1次，運行成本5.32 萬 元 ， 維 護 成 本 5.56 萬 元 ， 總 計 10.88 萬元； 以日供氣量 130 萬 m3為例，有 2 種運行模式： 一是燃機負荷在 160 MW 連續運行，其日維護成本 7.5 萬元； 二是燃機負荷在 250 MW 運行18 h 后停機， 縮短運行時間 6 h，節省設備維護成 本 1.88 萬 元 ， 廠 用 電 4.25 萬 元 ， 但 另 外 需 增加熱態啟動一次成本 10.88 萬元， 再考慮燃機負荷在 160 MW 和 250 MW 之間增發的 63 萬 kWh的電量， 折合人民幣 46.87 萬元， 因此， 初步估算， 日供氣 130 萬 m3， 采用滿負荷運行后停機這種模式， 比在 160 MW 技術出力下連續運行， 要增收 39.82 萬元。 兩種運行模式的經濟性比較見表5。

隨著日供天然氣量的增加，燃機保持連續運行的負荷也跟隨增加，啟停和連續運行這兩種運行模式的經濟性差距逐漸縮小，當日供天然氣量達到 165.6 萬 m3時， 這兩種運行模式的經濟性差距縮小到了 1.5 萬元，考慮到機組的啟停操作風險以及對一些輔機、閥門、管道等的啟停沖擊和疲勞、磨損等，當經濟性差距縮小到一定程度時，建議優先選擇連續運行這種模式。

3.3 “二拖一”模式的機組負荷經濟性分配

由于燃機技術出力設定在 160MW，因此“一拖一”模式的負荷在 250～380MW 之間調整。 這種模式下，機組的效率是負荷越高經濟性越好；但當機組在“二拖一”模式運行時， 聯合循環的負荷在 500～780MW 之間調整， 在這個負荷區間， 燃機負荷分配的不同， 會影響到整套 “二拖一”模式機組經濟性（此處只對燃機進行討論，汽機負荷處于對應跟隨狀態，不對汽機因主、再熱蒸汽參數變化以及汽機本體通流熱效率、凝汽器熱負荷等影響展開分析）， 見表6。

表4 “一拖一”技術出力以上負荷發電氣耗

表5 2種運行模式的經濟性比較

表6 “二拖一”運行模式下燃機不同負荷分配所對應的發電氣耗m3/kWh

從表6可以看出， 當 1，2號燃機各自從技術出力 160MW 向額定出力 250 MW 增加負荷過程中，發電氣耗的下降趨勢有一定的規律變化。當調度要求整套“二拖一”模式機組出力穩定在500～780 MW 區間的任一負荷點時， 可以通過不同的燃機負荷分配來選擇最低的發電氣耗。以160MW 為起點， 先將 1 臺燃機升負荷至 180MW，后將另 1 臺燃機跟隨至 180 MW； 再將任 1 臺燃機升負荷至 200 MW， 另 1 臺燃機跟隨升至 200 MW； 待 2 臺燃機的負荷均在 200 MW 后， 任選 1臺燃機將其負荷升至滿負荷，再將另1臺燃機升至滿負荷，這樣負荷分配，能使機組在“二拖一”模式運行時，在任何1個負荷點，都是以最低的發電氣耗運行，從而實現機組的經濟運行。

4 結語

國內天然氣資源非常緊缺，當天然氣從遙遠的新疆和四川、或者東海氣田以及海運送至燃氣發電廠的天然氣門站時，天然氣資源更顯寶貴，因此，用好每立方米的天然氣，使其發揮最大的效能，產生最大的經濟效益，是每一個燃氣發電廠所努力追求的方向。

[1]陳元鎖，王建 偉.S209FA 燃 氣－蒸汽 聯 合 循 環 “二 拖 一 ”機組的啟動概述及優化[J].燃氣輪機技術，2011，24（91）∶60－64.

（本文編輯：陸 瑩）

Econom ical Load Distribution of"Two-on-one"Gas-Steam Combined Cycle Units

CHEN Yuan-suo， LU Sao， WANG Jian-wei
（Shenhua Zhejiang Guohua Yuyao Gas Turbine Co.， Ltd， Ningbo Zhejiang 315400， China）

By economical analysis of the startup/shutdown process of 9FA"two-on-one"gas-steam combined cycle unit， operating cost and equipmentmaintenance cost of warm startup and cold startup are concluded. Startup/shutdown is compared with continuous service in terms of economical efficiency， which provides economical criteria for reasonable arrangement of operating mode and enables benefitmaximization.The paper analyzes reasonable distribution of units load in"two-on-one"mode tominimize the gas consumption for electric power generation.

gas-steam combined cycle；economical efficiency；load distribution

TK477

： B

： 1007-1881（2012）11-0048-05

2012-03-10

陳元鎖（1975－）， 男， 浙江三門人， 工程師， 從事燃氣輪機發電廠運行管理工作。