燃?xì)獍l(fā)電主要能耗對標(biāo)方法研究與應(yīng)用

徐 寧，朱亞迪，徐婷婷

(華電電力科學(xué)研究院有限公司， 杭州 310030)

目前,伴隨著中國的經(jīng)濟(jì)增長和競爭的加劇，越來越多的企業(yè)為提高自身的競爭能力而實(shí)施了對標(biāo)管理，對標(biāo)管理已成為許多大中型企業(yè)的管理活動之一[1]。在發(fā)電行業(yè)，能耗指標(biāo)對標(biāo)已經(jīng)提出多年，燃煤發(fā)電機(jī)組已經(jīng)形成較為完整的生產(chǎn)指標(biāo)對標(biāo)管理體系，對標(biāo)方法的研究比較成熟，各發(fā)電企業(yè)之間的指標(biāo)對標(biāo)工作有序開展，為燃煤機(jī)組的節(jié)能監(jiān)督、能效提升提供有力的保障[2-9]。但是燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，因發(fā)展起步晚，后續(xù)投產(chǎn)也并不集中，主設(shè)備廠家不同、容量等級不同、安裝型式不同、運(yùn)行方式不同等受制于多方面的原因，未能形成系統(tǒng)的對標(biāo)體系[10]。

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，一次能源消耗中燃?xì)庹急鹊奶岣撸烊粴獍l(fā)電作為一種高效、清潔、靈活的能源利用方式，能顯著減少污染物排放，改善大氣環(huán)境質(zhì)量，并率先實(shí)現(xiàn)能源低碳化、清潔化發(fā)展，近年來得到了迅速的發(fā)展。2017年中國對世界天然氣消費(fèi)增量的貢獻(xiàn)達(dá)30%以上，成為推動世界天然氣發(fā)展的主要驅(qū)動力，預(yù)計(jì)2020年、2030年、2050年天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比將分別提升到近10%、14%和15%左右[11]。按電力規(guī)劃，到2020年，新增并投產(chǎn)5 000萬千瓦天然氣發(fā)電機(jī)組，燃?xì)獍l(fā)電容量達(dá)到1.1億千瓦以上[12]。因此，迫切需要研究燃?xì)獍l(fā)電主要能耗指標(biāo)的對標(biāo)管理方法，來適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的發(fā)展，通過對標(biāo)激勵發(fā)電企業(yè)管理水平，提高發(fā)電設(shè)備安全可靠經(jīng)濟(jì)性，剔除發(fā)電客觀條件影響，進(jìn)而提高燃?xì)鈾C(jī)組效率。

燃?xì)廨啓C(jī)對標(biāo)管理有利于與同類機(jī)組進(jìn)行管理和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比，可以找出差距，分析燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)管理經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生偏差的原因，逐漸提高管理水平。通過對標(biāo)，可以在同類燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電行業(yè)間互相借鑒經(jīng)驗(yàn)，在管理和機(jī)組運(yùn)行方面互相學(xué)習(xí)提高，提升設(shè)備運(yùn)行效率和經(jīng)營管理水平。

1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電類型

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組按循環(huán)方式分簡單循環(huán)和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)；按燃?xì)鈾C(jī)組主機(jī)結(jié)構(gòu)分為內(nèi)燃機(jī)、航改機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)，內(nèi)燃機(jī)和航改機(jī)主要用于小型分布式燃?xì)獍l(fā)電供熱供冷三聯(lián)產(chǎn)，重型燃?xì)廨啓C(jī)主要用于調(diào)峰或連續(xù)運(yùn)行帶負(fù)荷模式；按安裝型式分一拖一同軸、一拖一分軸、二拖一等型式；按容量等級主要分為6F級、E級、9F級、H級等，6F級主要集中在100 MW以下，E級主要集中在200 MW左右，9F級主要集中在400 MW左右，H級主要集中在600 MW左右，截止2018年8月底，國內(nèi)尚未正式投運(yùn)600 MW等級的H級燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。目前燃?xì)獍l(fā)電供熱機(jī)組主要以E級為主，燃?xì)饧兡l(fā)電主要以F級為主。

我國重型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型以引進(jìn)并國產(chǎn)化制造的通用電氣公司(簡稱GE)、西門子股份公司(簡稱西門子)和三菱重工業(yè)株式會社(簡稱三菱)的E級、F級和H級燃?xì)廨啓C(jī)為主，其中，100 MW等級以GE公司生產(chǎn)的PG6111FA機(jī)型為主；200 MW等級機(jī)型以GE的PG9171E、西門子的SGT-2000E機(jī)型為主；400 MW等級以GE的PG9351FA、西門子的SGT-4000F、三菱的M701F4機(jī)型為主，600 MW等級以GE的9HA、西門子的SGT-8000H為主。

2 供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗對標(biāo)方法

鑒于燃?xì)獍l(fā)電主機(jī)主要為重型燃?xì)廨啓C(jī)，所以，此文只討論容量100 MW以上的E級和F級聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的主要能耗指標(biāo)供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的對標(biāo)方法。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組容量等級按100 MW、200 MW、400 MW等級劃分，一拖一機(jī)組容量等級按整套機(jī)組裝機(jī)容量確定，二拖一機(jī)組容量等級按整套機(jī)組裝機(jī)容量的1/2確定。

本文提出100 MW等級以上燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電主要能耗指標(biāo)供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的一種對標(biāo)方法，考慮不同容量等級機(jī)組當(dāng)?shù)貧鉁貤l件、燃料成分、出力系數(shù)、啟動次數(shù)、供熱方式、冷卻方式、老化因素及入廠天然氣增壓系統(tǒng)等邊界條件，根據(jù)各邊界條件對供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的影響，可將實(shí)際完成值折算進(jìn)行對標(biāo)，計(jì)算出標(biāo)桿值、先進(jìn)值、平均值等，分析同等級機(jī)組的能耗水平的優(yōu)勢與差距，可根據(jù)對標(biāo)結(jié)果分析同容量等級不同主設(shè)備廠家的能耗水平之間的差異，一是便于提高整個(gè)燃?xì)獍l(fā)電行業(yè)的能耗水平，二是對未來規(guī)劃燃?xì)鈾C(jī)組設(shè)備招標(biāo)提供運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。

2.1 當(dāng)?shù)貧鉁貤l件影響S1

當(dāng)?shù)貧鉁貙θ細(xì)獍l(fā)電機(jī)組的影響主要有三個(gè)方面：①氣溫變化對燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率產(chǎn)生影響；②氣溫變化對燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響余熱鍋爐蒸汽參數(shù)，最終對汽輪機(jī)出力和效率產(chǎn)生影響；③氣溫變化對冷卻水溫產(chǎn)生影響，導(dǎo)致凝汽器真空變化，進(jìn)而影響汽輪機(jī)出力和效率。由于這三個(gè)方面的影響存在很強(qiáng)的耦合關(guān)系，傳統(tǒng)的熱力計(jì)算方法難以確定氣溫對燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的綜合影響，采用熱力學(xué)仿真軟件(Thermoflow)進(jìn)行變工況計(jì)算分析。分別建立GE PG6111FA、PG9171E、PG9351FA，西門子SGT-2000E、SGT-4000F，三菱M701F4等機(jī)型的熱力學(xué)仿真計(jì)算模型，以ISO工況(大氣溫度15 ℃、大氣壓力101.3 kPa、相對濕度60%)為基準(zhǔn)進(jìn)行不同氣溫條件的變工況計(jì)算，得到供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗修正系數(shù)如表1。

表1 當(dāng)?shù)貧鉁匦拚禂?shù)S1

注：(1)K1為春秋季(10 ℃～22 ℃)的發(fā)電量占年度總發(fā)電量的比重；K2為夏季(≥22 ℃)的發(fā)電量占年度總發(fā)電量的比重；K3為冬季(≤10 ℃)的發(fā)電量占年度總發(fā)電量的比重。

(2) 春秋季一般指 3、4、5、10、11月份；夏季一般指 6、7、8、9月份；冬季一般指 1、2、12月份。

2.2 燃料成分影響S2

根據(jù)不同設(shè)備廠家提供的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組性能修正曲線(GE、三菱、西門子的E級、F級)，獲得不同機(jī)型不同碳?xì)滟|(zhì)量比，燃料低位質(zhì)量熱值與聯(lián)合循環(huán)熱耗修正系數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、圖表分析、曲線擬合。鑒于各碳?xì)滟|(zhì)量比擬合得到的多條曲線皆為直線，故求取曲線均值，即相交直線的角平分線作為燃料低位質(zhì)量熱值與機(jī)組熱耗修正系數(shù)的關(guān)系曲線，得出400 MW等級、200 MW及以下等級函數(shù)關(guān)系式。

供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗與機(jī)組熱耗成正比關(guān)系，獲得擬合曲線函數(shù)關(guān)系式即能表達(dá)各個(gè)碳?xì)滟|(zhì)量比條件下的燃料低位質(zhì)量熱值與供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗修正系數(shù)，如表2。

表2 燃料成分修正系數(shù)S2

注：m(C/H)為燃料碳?xì)滟|(zhì)量比；HLm為燃料低位質(zhì)量熱值(kJ/kg)；m(C/H)不在上述數(shù)值上的，采用插值方法計(jì)算。

2.3 出力系數(shù)(負(fù)荷率)影響S3

選取2015～2017年范圍內(nèi)16臺400 MW級(F級)和12臺200 MW級(E級)機(jī)組的1 000多組實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力系數(shù)基本上集中在50%～90%范圍內(nèi)。分別將數(shù)據(jù)擬合成線性函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)，且根據(jù)機(jī)組負(fù)荷特性，負(fù)荷率越低影響斜率絕對值越大，分段冪函數(shù)修正更為合理。機(jī)組出力系數(shù)與供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的函數(shù)關(guān)系如圖1所示，出力系數(shù)折算系數(shù)如表3所示。通過熱平衡計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證，趨勢函數(shù)科學(xué)合理。

出力系數(shù)容量等級修正系數(shù)≥75%400 MWF-0.05≤200 MWF-0.07<75%400 MWF-0.17≤200 MWF-0.18

注：F為機(jī)組出力系數(shù)。

2.4 啟動次數(shù)影響S4

啟動次數(shù)主要影響機(jī)組發(fā)電廠用電率而影響供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗，因此首先應(yīng)確定啟動次數(shù)對廠用電率的影響，其修正系數(shù)同樣是通過對1 000多組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定。通過對啟動次數(shù)與發(fā)電廠用電率的數(shù)據(jù)擬合(圖2)，得出如下函數(shù)：

400 MW級：

y=0.005 7x+f0

(1)

其中x為1 000等效利用小時(shí)內(nèi)的啟動次數(shù)，f0為機(jī)組設(shè)計(jì)發(fā)電廠用電率。

可得出修正偏差為：

y=5.7×N÷hEOH÷100

(2)

200 MW級：

y=0.006 2x+f0

(3)

可得出修正偏差：

y=6.2×N÷hEOH÷100

(4)

根據(jù)機(jī)組耗差特性得出啟動次數(shù)對供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的修正系數(shù)如表4所示。

表4 機(jī)組啟動次數(shù)修正系數(shù)S4

注：N為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)機(jī)組啟動次數(shù)；hEOH為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)機(jī)組等效利用小時(shí)，hEOH=統(tǒng)計(jì)期機(jī)組發(fā)電量÷機(jī)組名牌容量。

2.5 供熱影響S5

供熱機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的修正量S5參照燃煤機(jī)組供熱修正系數(shù)計(jì)算方法[13]，按下列公式計(jì)算：

供熱機(jī)組修正量：

S5=α×Cpi×Rpi×(統(tǒng)計(jì)期供熱氣耗÷31.88)

(5)

其中，Cpi為不同抽汽壓力供熱時(shí)的供電煤耗調(diào)整系數(shù)，計(jì)算公式為：

0

(6)

0.879≤Pi<3.92，Cpi=1.505-1.404lg(Pi+0.1)

(7)

其中:Pi為不同抽汽段抽汽壓力；Rpi為機(jī)組統(tǒng)計(jì)期內(nèi)供熱量與發(fā)電量數(shù)據(jù)比值，機(jī)組年供熱量(GJ)÷機(jī)組年發(fā)電量(萬KW·h);α為供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗折算為供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的系數(shù)，為：標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量(29 307[14])÷標(biāo)準(zhǔn)天然氣熱值(33 350)=0.879。31.88為根據(jù)熱量法計(jì)算的燃?xì)夤釞C(jī)組理論供熱標(biāo)準(zhǔn)氣耗， m3/GJ(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，引入本系數(shù)目的是消除由于各發(fā)電企業(yè)在統(tǒng)計(jì)供熱標(biāo)準(zhǔn)氣耗時(shí)不統(tǒng)一造成的偏差。

2.6 冷卻方式影響S6

確定本修正系數(shù)的前提條件是假設(shè)在各種冷卻方式下，機(jī)組真空相同。以循環(huán)水泵進(jìn)水口中心線到凝汽器入口水管中心線的垂直距離H≤10 m的直流冷卻方式(開式冷卻)為基準(zhǔn)，修正系數(shù)取1.0；H>10 m時(shí)，考慮循環(huán)水泵由于揚(yáng)程增加導(dǎo)致的耗功增加對供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的影響，修正系數(shù)取1+(H-10)÷H×循環(huán)水泵用電率；對于配置機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的循環(huán)冷卻方式，考慮機(jī)械通風(fēng)冷卻塔風(fēng)機(jī)耗電率對供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的影響，修正系數(shù)取1+機(jī)力塔耗電率；對于配置自然通風(fēng)冷卻塔的循環(huán)冷卻方式，考慮其與直流冷卻方式的廠用電對供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的影響不同，修正系數(shù)取1.002。機(jī)組冷卻方式修正系數(shù)S6可按表5選取。

表5 機(jī)組冷卻方式修正系數(shù)S6

注：H為循環(huán)水泵進(jìn)水口中心線到凝汽器入口水管中心線的垂直距離。循環(huán)水泵用電率=循環(huán)水泵用電量÷機(jī)組發(fā)電量；機(jī)力塔耗電率=機(jī)力塔耗電量÷機(jī)組發(fā)電量。

2.7 老化因素影響S7

依據(jù)不同設(shè)備廠家提供的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組性能修正曲線(含GE、三菱、西門子的E級、F級)，獲得機(jī)組等效利用小時(shí)與燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組熱耗修正系數(shù)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、制圖、圖表分析、曲線擬合。鑒于不同機(jī)型的等效利用小時(shí)和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組熱耗修正系數(shù)關(guān)系為多項(xiàng)式曲線，故求取相交曲線的均值，即同一等效利用小時(shí)下，不同機(jī)型熱耗修正系數(shù)的均值，作為等效利用小時(shí)與燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組熱耗修正系數(shù)的關(guān)系曲線，由此獲得400 MW等級、200 MW及以下等級函數(shù)關(guān)系式。

因供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗與熱耗成正比關(guān)系，所以獲得擬合曲線函數(shù)關(guān)系式即能表達(dá)機(jī)組等效利用小時(shí)與供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗修正系數(shù)，如表6所示。

表6 機(jī)組老化修正系數(shù)S7

注：hEOH0為機(jī)組從投運(yùn)至統(tǒng)計(jì)結(jié)束日期的等效利用小時(shí)。

2.8 天然氣增壓系統(tǒng)影響S8

入場天然氣增壓系統(tǒng)主要因?yàn)樵鰤簷C(jī)增加廠用電率進(jìn)而影響機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗，影響系數(shù)為1+增壓機(jī)耗電率。如表7所示。

表7 天然氣增壓系統(tǒng)修正系數(shù)S8

注：增壓機(jī)耗電率=增壓機(jī)耗電量÷發(fā)電量。

2.9 供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗折算值S

供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗折算值由實(shí)際供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗完成值S0與八個(gè)折算系數(shù)計(jì)算得出，公式如下：

S=S0÷(S1×S2×S3×S4×S6×S7×S8)+S5

(8)

3 應(yīng)用案例

本文選取三臺1拖1單軸9F級純凝機(jī)組2017年運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)。

A、B、C三臺機(jī)組基本信息及運(yùn)行參數(shù)，如表8所示。

表8 A、B、C 三臺機(jī)組2017年基本信息及運(yùn)行參數(shù)表

機(jī)組A、B、C分別按照上述八項(xiàng)影響因素折算系數(shù)的計(jì)算如表9所示。

表9 A、B、C 三臺機(jī)組2017年供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗折算表

從表8和表9選取的三臺F級燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)來看，從實(shí)際完成值比較，供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗機(jī)組B

由公式(9)得出機(jī)組A與B的實(shí)際運(yùn)行差距率為1.44%，公式(10)得出機(jī)組C與B的實(shí)際運(yùn)行差距率為1.58%。通過這組數(shù)據(jù)得出機(jī)組A和C當(dāng)年能耗水平相當(dāng)，與機(jī)組B還有相對比較大的差距。

θ1=(SA0-SB0)/SB0
=(195.09-192.33)/192.33=1.44%

(9)

θ2=(SC0-SB0)/SB0
=(195.37-192.33)/192.33=1.58%

(10)

剔除外部客觀條件，折算值比較后，供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗排序依然機(jī)組B

θ1′=(SA-SB)/SB
=(188.19-187.41)/187.41=0.42%

(11)

θ2′=(SC-SB)/SB
=(189.78-187.41)/187.41=1.26%

(12)

4 結(jié)語

燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、鍋爐等主設(shè)備組合型式千變?nèi)f化，E級、F級及未來H級的投產(chǎn)，各容量等級可比機(jī)組越來越多，從管理技術(shù)的角度來看，同類對標(biāo)是一種很好的激勵方式，更是提高整個(gè)行業(yè)水平的一種手段。通過對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電主要能耗指標(biāo)對標(biāo)方法進(jìn)行研究和應(yīng)用，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1) 通過燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)值模擬理論驗(yàn)證，提出一種燃?xì)廨啓C(jī)主要能耗指標(biāo)供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的對標(biāo)方法，考慮不同容量等級機(jī)組當(dāng)?shù)貧鉁貤l件、燃料成分、出力系數(shù)、啟動次數(shù)、供熱方式、冷卻方式、老化因素及入廠天然氣增壓系統(tǒng)等八項(xiàng)邊界條件，根據(jù)各邊界條件對供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的影響，得出S1～S8八個(gè)影響系數(shù)計(jì)算公式，并將實(shí)際完成值折算進(jìn)行對標(biāo)，能夠剔除外部客觀因素的影響，進(jìn)而對機(jī)組綜合能效水平給出科學(xué)分析與判斷。

2) 通過三臺不同區(qū)域、不同主設(shè)備組合、同容量等級機(jī)組2017年的參數(shù)及實(shí)際運(yùn)行值，應(yīng)用本文提出的對標(biāo)方法進(jìn)行折算對標(biāo)，更加合理地得出機(jī)組之間的差距大小，進(jìn)一步驗(yàn)證對標(biāo)方法的科學(xué)可行性。

未來電力行業(yè)可采用此對標(biāo)方法開展燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行及管理對標(biāo)工作，分析歷年同等級機(jī)組的能耗水平的優(yōu)勢與差距，找出標(biāo)桿機(jī)組和運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)的聯(lián)合循環(huán)最佳設(shè)備組合，不僅有利于提高整個(gè)燃?xì)獍l(fā)電行業(yè)的能耗水平，也有利于提高燃?xì)獍l(fā)電主設(shè)備市場競爭力[15]，進(jìn)而提高設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性水平。