百萬級煤機與燃氣輪機聯合發電技術研究

謝大幸，石永鋒，雷嬌嬌，徐婷婷，鄭　健

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

百萬級煤機與燃氣輪機聯合發電技術研究

謝大幸，石永鋒，雷嬌嬌，徐婷婷，鄭健

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

對于重型燃氣輪機而言，目前其排煙能量利用最常見的方式是配置聯合循環，利用下位電站汽輪機及余熱鍋爐來充分利用燃機排煙余熱，但這種配置方式下位電站循環的總體效率不高，一般小于30%；因為考慮到百萬級燃煤機組擁有較高的循環熱效率，一般大于45%，因此本文提出了將燃氣輪機排煙余熱利用到百萬級燃煤機組熱力循環中的思路，以提高能源的利用效率，利用ThermoFlex軟件進行熱力學計算，并給出了系統集成形式以供參考。以典型1000MW燃煤機組與E級燃氣輪機為例，通過合理的系統集成，計算得出可以降低整個聯合系統煤耗約2.31g/kWh，達到節能降耗的目的。

百萬級燃煤機組；燃氣輪機；系統集成；余熱利用；聯合發電效率；ThermoFlex

0　引言

對于燃煤機組而言，其機組的汽輪機熱力循環具有較高的效率，尤其對百萬機組，全廠的循環效率一般都在45%以上。燃氣-蒸汽聯合循環機組下位電站汽輪機循環與之相比，因為其要有效利用燃機排煙的余熱，保證余熱鍋爐排煙溫度降到最低（但要在煙氣酸露點以上），系統要求不設置加熱器來回熱給水，整個聯合循環下位汽輪機電站的效率較低，對于E級燃機聯合循環的下位電站汽輪機循環熱效率約為33%，F級燃機聯合循環下位電站汽輪機循環熱效率約為35%，大部分能量損耗在冷端，效率相對較低。聯合循環一般余熱鍋爐的效率在84%左右，這樣整個燃氣-蒸汽聯合循環的下位電站效率約27%～29%，即假如燃機排煙余熱中有100%的能量，最后只有27～29%轉化為可用能（即電能）。

因此，尋找一種有效的能量利用途徑，即集成形式，將燃機排煙的余熱有效利用到百萬級燃煤機組的熱力循環中，以提高燃機排煙余熱的利用效率，提高能源的利用效率，這是本文探討的主要內容。

1　可行性分析

常規300～1000MW燃煤機組，根據等效熱降法[1]計算可得，其各級的抽汽效率η（能級效率）見表1。由表中可以看出，后兩級具有較高的能級效率，如果能實現把燃機排煙中的熱量全部利用到具有較高能級效率的給水加熱器中，那么能源的利用效率將進一步提高。

表1　常規燃煤機組各抽汽能級效率

以某常規E級燃機配置的聯合循環為例，高壓蒸汽參數壓力5.607MPa，溫度515℃，低壓蒸汽補氣壓力0.5414MPa，溫度227.8℃，余熱鍋爐排煙溫度92℃。聯合循環的毛效率約52.2%，100%工況發電機端出力189.47MW（背壓4.9kPa）。

某常規電廠百萬煤機THA工況下，主蒸汽進汽參數：24.668MPa，600℃，再熱蒸汽參數：5.275MPa，600℃，平均背壓5.2kPa，機組毛功率1000.18MW，汽輪機熱耗率7357kJ/kWh，機組毛熱效率46.13%。

共同組成一個聯合平臺考慮，兩者沒有熱質交換，見圖1，其中a）表示百萬煤機熱力系統圖，b）表示燃氣-蒸汽聯合循環熱力系統圖，兩者總出力1189.65MW，煤機側輸入能量約2168.13MW，燃機側輸入能量362.91MW，原煤低位熱值21906.7kJ/kg，燃氣低位熱值46142kJ/kg。根據總的能量輸入與輸出，計算分系統聯合循環毛發電效率47.02%，聯合發電效率計算公式如下：

式中ηgrass—毛發電效率，%；

Wout—系統輸出總功率，MW；

Qin—系統輸入能量，MW；

Wcoal—煤機側輸出功率，MW；

Wgas—燃氣側輸出功率，MW；

Qcoal—煤機側輸入能量，MW；

Qgas—燃機側輸入能量，MW；

mcoal—煤機燃料量，kg/s；

mgas—燃機燃料量，kg/s；

qcoal—煤的低位熱值，MJ/kg；

qgas—燃氣的低位熱值，MJ/kg。

因此只要集成的系統總循環發電效率大于47.02%，系統集成方案才可行。

注：燃機下位電站汽輪機和燃煤機組汽輪機凝汽器背壓不一致，不影響機組效率計算，以下計算都以燃機下位電站凝汽器背壓4.9kPa、燃煤機組凝汽器背壓5.2kPa控制。

圖2表示將燃氣輪機排煙余熱直接通過某煙氣—給水換熱器，取消#1高壓加熱器，排擠#1高壓加熱器抽汽回汽輪機做功，通過熱平衡計算整個聯合系統的循環熱效率為45.69%，低于分系統時47.02%的效率。這種集成方式存在的問題是由于受到百萬燃煤機組最終給水溫度的限制，煙氣排煙溫度始終很高，損失大；另外的問題是換熱器中煙氣與給水之間存在較大的溫差傳熱，由于大溫差傳熱過程造成的不可逆損失較大。

這一過程可以通過圖3所示的能量示意圖來說明，燃機煙氣用于加熱最后一級高加給水，Tc為加熱器后排煙溫度，高達388.9℃，一般排煙溫度要高于煙氣酸露點的溫度，通常在80～90℃，即圖3中的Tb，T0為環境溫度，那么相比余熱鍋爐的集成方式，這種方式下，理論上的可用能（面積abeg所示）中的很大一部分能量（面積cbef所示）損失到環境中，即損EL2，因此其可用能只剩下Wmax部分（面積acfg）；另外由于傳熱溫差的存在，可用能Wma（x面積1234或面積acfg）實際向下位電站傳遞的熱量存在不可逆損失，只有面積1’2’3’4所示的部分能量，由于溫差傳熱造成的損為EL1，傳熱溫差越大，不可逆損失越大。

圖1　常規百萬燃煤機組和常規燃氣輪機聯合循環分系統（無熱質交換）流程圖a）1000MW燃煤機組熱力系統圖b）E級燃機組成的燃氣-蒸汽聯合循環機組熱力系統圖

圖2　燃機排煙直接加熱1000MW機組最后一級高壓加熱器示意圖

因此為了提高整體聯合循環的效率，就需要尋找一種有效的集成方式，使得這一熱量傳遞過程中的不可逆損失最小，其主要途徑就是降低排煙溫度和降低傳熱溫差。

2　百萬級燃煤機組與燃氣輪機聯合發電系統集成形式

2.1集成方式之一

圖4為集成方式一，#2高壓加熱器出口至#1高壓加熱器給水增加一旁路，全部或部分給水進入給水加熱器，將給水加熱器集成進入燃氣輪機下位電站余熱鍋爐內，降低傳熱過程中的溫差，重新對燃機下位電站汽輪機進汽參數進行匹配，找出性能最優的蒸汽參數[2]，可以提高整個系統的循環熱效率。這種方式的缺點是仍保留下位電站汽輪機循環，系統較為復雜。

以上面機組為例，當100%煤機給水進入給水加熱器，給水加熱器集成在余熱鍋爐內，不計阻力影響，考慮低壓補汽參數與高壓排汽溫差（考慮燃機下位電站汽輪機低壓補汽溫度和高壓蒸汽到補汽口溫度之間的溫差要小于50℃，比避免熱變形）、低壓排汽濕度等影響因素，當下位電站汽輪機高壓參數取9.63MPa，515℃，低壓補汽參數取0.62MPa，220℃時，通過ThermoFlex軟件進行熱平衡計算，理論上可獲得47.14%的聯合發電效率，高于分系統47.02%的聯合效率。

圖3　系統集成原則能量示意圖

圖4　集成方式一系統流程圖

2.2集成方式之二

圖5為集成方式之二，直接取消燃機下位電站汽輪機，保留余熱鍋爐，并將給水加熱器集成進入余熱鍋爐，#2高壓加熱器出口給水全部或者部分進入給水加熱器，余熱鍋爐產生合適的蒸汽補入1000MW燃煤機組汽輪機循環。這種集成方式的特點是取消了下位電站汽輪機循環及輔機系統，系統相對簡單，可以減少設備投資，節約用水。

通過雙壓集成計算，當高壓補汽參數為7.692MPa，408.9℃（即一級抽汽參數，這里計算方便取用一級抽汽參數，也可以用更高的初參數補入以提高整體效率），低壓補汽參數為0.588MPa，285℃（即低壓進汽參數），給水加熱器在高壓蒸發器后（順著煙氣方向），通過合理分配進入給水加熱器的給水比例，可獲得47.45%的聯合循環發電效率，高于分系統47.02%的聯合效率。

2.3集成方式之三

圖5　集成方式二系統流程圖

集成方式之三，即在方式二的基礎上，提高機組發電效率的同時，在有冷熱負荷的時候，利用余熱鍋爐的排煙余熱，加熱生活熱水供熱或者通過溴化鋰制冷機組進行制冷，實現熱電冷三聯供，提高機組的能量利用效率，即分布式能量系統的集成思路[3]。這種集成方式的特點也是取消了下位電站汽輪機循環及輔機系統，系統相對簡單，但增加了制熱及制冷設備。

取消#1高壓加熱器，給水直接進入給水加熱器，給水加熱器集成進入余熱鍋爐，余熱鍋爐集成形式為單壓集成，形成的高壓蒸汽補入百萬煤機汽輪機循環，同時利用較高的余熱鍋爐排煙余熱來加熱生活熱水或通過煙氣直燃型溴化鋰機組制冷。

通過單壓集成計算，高壓補汽參數仍為7.692MPa，408.9℃時，可獲得45.15%的發電效率，此時煙氣排煙溫度較高，約140℃，可同時用于供熱，供回水參數為95/65℃，可產生熱水約550t/h，供熱量約為20MW；用于制冷時，直接通過煙氣直燃型溴化鋰制冷機組，冷凍水供回水參數為7/12℃，可以提供制冷量約為15MW（COP取0.67）。

3　經濟性分析

以第二種集成方式為例，假定燃機出力不受給水加熱器阻力的影響，燃機負荷不變，環境參數不變，基本功率維持不變。聯合系統總出力1249.355MW，其中燃機出力121.56MW，煤機側出力1127.795MW，煤機側輸入能量2269.85MW，煤量373.2t/h，燃機側輸入能量362.91MW，燃氣量28.32t/h，總循環發電效率47.45%。

把燃氣按熱值折到原煤，再換算到標煤下，可得到分系統發電煤耗為261.27g/kWh。系統按第二種集成方式組合時折算到發電標煤耗為258.96g/kWh，降低標煤耗約為2.31g/kWh。

因此該集成方案從文明用能的角度及從能源利用的數量和質量上來說是可行的，但從能源價格上講是不對等的，對組成的雙燃料系統而言，能源價格的不對等對機組收益的影響也是要考慮的一個重要因素。

現行天然氣按熱值計算價格是煤的4～5倍，如果按照分系統計算，項目不虧損，天然氣發電的上網電價基本都在0.8～0.9元/kWh，約是煤機上網電價的2倍。以高價格的能源換取低價格的電能顯得有些入不敷出。因此計算發電企業收益時，由于能源價格的不對等，雖然對節能減排有利，但是企業可能面臨虧損，需要政府出臺相關的政策進行鼓勵和支持。

另外，如果實際應用燃機負荷必須與汽輪機負荷相協調，目前國內大多數燃機電站都是以調峰電站為定位的，其實施困難較大。

4　結語

（1）本文通過理論分析和實際算例，經熱力學計算，只要將系統合理集成，降低過程中的傳熱溫差和排煙損失，將燃氣輪機排煙余熱利用到百萬級燃煤機組熱力循環中以提高能源利用效率的方法是可行的。

（2）本文給出了百萬級燃煤機組與燃氣輪機聯合發電系統的三種集成思路，通過熱力學計算，理論上都可以提高整個能量系統的能源利用效率。以第二種集成方式為例計算可得相比分系統下系統循環效率可提高0.43%，可降低發電煤耗約2.31g/kWh，且系統更簡化，具有很好的節能減排效果。進一步提高聯合系統能源利用效率的集成方式可再做深入研究。

（3）對于百萬級燃煤機組與燃氣輪機所組成的雙燃料聯合系統，雖然有很大的節能效果，但是針對目前煤價與天然氣價格的不對等，企業可能面臨虧損，項目的實施需要政府提供政策鼓勵和支持。另外燃機和煤機負荷的匹配協調還需進一步研究，目前看來本思路沒有具備實施的價值，但作為研究燃煤機組和燃氣機組聯合節能技術的新思路，應值得進一步探尋。

[1]李勤道，劉志真.熱力發電廠熱經濟性計算分析[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]段秋生.燃氣-蒸汽聯合循環電站熱力性能分析理論與計算[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]楊勇平.分布式能量系統[M].北京：化工工業出版社，2010.

Application Research of Million Coal-fired Unitsand Gas Turbine Combined Power Generation Technology

XIE Da-xing，SHI Yong-feng，LEI Jiao-jiao，XU Ting-ting，ZHENG Jian
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

For heavy gas turbine，currently the most common way of the gas turbine flue gas energy utilization is to configure the combined cycle，using steam turbine and HRSG to take full use of the gas turbine flue gas energy，but the overall efficiency of the lower power plant cycle under this configuration is low，generally less than 30%；considering that the 1000MW coal-fired units have a higher thermal efficiency，generally greater than 45%，so this paper presents the gas turbine flue gas heat utilization to the 1000MW coal-fired units thermodynamic cycle in order to improve energy efficiency，and gives system integration forms by using the ThermoFlex software.Take typical 1000MW coal-fired units and E-class gas turbine for example，through reasonable system integration，calculated the overall coal consumption of the combined system can be reduced about 2.31g/kWh.

1000MW coal-fired units；gas turbine；system integration；flue gas heat utilization；combined power generation efficiency；TheromFlex

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.006

TM621

B

2095-3429（2015）05-0024-05

謝大幸（1984-），男，浙江寧波人，碩士，工程師，從事汽輪機及燃氣機輪機發電技術研究。

2015-06-11

2015-07-29