9E級燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)研究與工程應(yīng)用

郝洪亮 ，孫國斌，劉 軍，朱鴻飛，嚴志遠，張 濤，楊根生

(1. 國家能源集團國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，南京 210033；2. 天津華電福源熱電有限公司，天津 301700)

燃氣輪機的運行情況容易受到外部氣溫、濕度等的影響，同時，由于燃氣輪機系統(tǒng)的精密性和軸流式葉輪機械的設(shè)備特性[1-3]，燃氣輪機的運行效率對于運行負荷十分敏感。如圖1所示，當燃氣輪機處于部分負荷時，熱耗率相對設(shè)計滿負荷時大大上升，尤其是在燃氣輪機負荷不足設(shè)計負荷70%時，熱耗率上升7%以上[4-6]。

圖1 燃氣輪機負荷率與熱耗率關(guān)系圖

目前，我國燃氣輪機電廠主要承擔電網(wǎng)調(diào)峰功能，一般情況下電廠根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求調(diào)整燃氣輪機功率，很難保證燃氣輪機的滿負荷運行。另外，由于近年火電裝機容量不斷增加，但是外部電力需求增長放緩，導(dǎo)致火電利用小時數(shù)減少。而天然氣發(fā)電年利用小時數(shù)相比同期煤電平均利用小時低2 000小時以上，導(dǎo)致燃氣輪機長期在部分負荷區(qū)間工作，大大降低了系統(tǒng)的運行效率，造成能源的極大浪費[7-10]。

針對燃氣發(fā)電機組部分負荷效率降低的問題，國內(nèi)外主機廠家均有一定的研究，主要采用的解決方法是增加IGV機構(gòu)、改善葉型、改進燃燒方式等[3]。而國內(nèi)研究機構(gòu)側(cè)重于輔助系統(tǒng)及底循環(huán)的優(yōu)化研究，例如華北電力大學(xué)張國強等對聯(lián)合循環(huán)部分負荷排氣被壓進行優(yōu)化，提高部分負荷效率；厲劍梁對聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化進行了研究[11-12]。國電環(huán)境保護研究院有限公司燃氣輪機技術(shù)研究所主要針對進氣加熱技術(shù)進行了研究，通過調(diào)節(jié)部分負荷燃氣輪機進氣溫度，優(yōu)化聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷運行效率。相對于國外主機廠家的提效技術(shù)，進氣加熱系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)改造更加靈活，且技術(shù)完全自主。本文從技術(shù)研究和工程應(yīng)用角度驗證燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)的應(yīng)用有效性，為燃氣輪機發(fā)電行業(yè)部分負荷運行優(yōu)化提供案例參考。

1 技術(shù)研究

本文以國內(nèi)掌握制造技術(shù)最成熟的GE公司PG9171E型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組為研究對象，對進氣加熱提效技術(shù)進行研究。聯(lián)合循環(huán)設(shè)備組成包括：GE公司生產(chǎn)的PG9171E型燃氣輪機;燃氣輪機發(fā)電機采用QFW-136-2型無刷勵磁空冷同步發(fā)電機；余熱鍋爐采用Q1193.7/544.7-192.3(35.6)-5.84(0.43)/521(217)型雙壓無補燃、懸吊臥式、正壓運行、自然循環(huán)鍋爐，鍋爐采用室外布置；汽輪機設(shè)備采用LCZ60-5.8/0.48/0.4型次高壓、單缸、雙壓、無再熱、下排汽、單軸、抽凝式機組;汽輪發(fā)電機采用QFJ-60-2-10.5 空冷發(fā)電機。整套聯(lián)合循環(huán)機組采用一拖一、多軸式方式。

1.1 運行數(shù)據(jù)分析

分析機組冬季與夏季的實際運行數(shù)據(jù)，通過比較相同燃氣輪機負荷條件下，分析不同進氣溫度對燃氣輪機性能影響。如表1所示，選取燃氣輪機負荷相同時的夏季、冬季工況實際運行數(shù)據(jù)進行分析：當燃氣輪機處于部分負荷定負荷工況時，隨著燃氣輪機進氣溫度(即環(huán)境溫度)的升高，IGV角度相應(yīng)變大，燃氣輪機效率有不同幅度的提高。

表1 夏季與冬季燃氣輪機部分負荷性能數(shù)據(jù)分析表

表2中選取了相同聯(lián)合循環(huán)工況下的實際運行數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)可以看到：當機組處于55%和80%負荷時，進氣溫度升高會使得燃氣輪機效率和機組發(fā)電效率有不同幅度的提升。

表2 夏季與冬季聯(lián)合循環(huán)部分負荷性能數(shù)據(jù)分析表

1.2 仿真計算分析

從運行數(shù)據(jù)分析中可以發(fā)現(xiàn)，燃氣輪機進氣溫度的變化對于機組部分負荷工況具有明顯的改善效應(yīng)。為了進一步研究進氣溫度與機組變化效率的關(guān)系，本文通過Thermoflex軟件建立仿真模型對燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)進一步分析研究，機組熱力系統(tǒng)建模如圖2所示。主要系統(tǒng)參數(shù)見表3。

表3 主要系統(tǒng)參數(shù)

圖2 PG9171E燃氣發(fā)電聯(lián)合循環(huán)仿真模型熱力系統(tǒng)示意圖

本節(jié)仿真分析計算的外部條件為：環(huán)境溫度為12.5 ℃、大氣濕度為61%。機組采用定負荷運行，通過改變?nèi)細廨啓C入口空氣溫度從12.5 ℃到45 ℃變化，計算電廠效率、燃氣輪機效率的變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 電廠效率隨進氣溫度變化曲線

圖4 燃氣輪機效率隨進氣溫度變化曲線

從計算結(jié)果分析，在定負荷運行情況下，電廠效率隨燃氣輪機入口空氣溫度的升高而逐漸提升。以運行負荷130 MW為例進行說明，燃氣輪機入口空氣溫度為45 ℃時，電廠效率為49.47%，比設(shè)計點的電廠效率提高1.71個百分點，即熱耗降低181 kJ/(kW·h)。一定運行負荷下，電廠效率和燃氣輪機入口空氣溫度的關(guān)系近似線性關(guān)系，如運行負荷130 MW時，進氣溫度從12.5 ℃提高到20 ℃，電廠效率提高約0.28%，熱耗降低43 kJ/(kW·h)，電廠效率/進氣溫升約為0.037%/℃、電廠熱耗/進氣溫升約為5.7 kJ/(kW·h·℃)。

2 應(yīng)用研究

2.1 熱源選取

燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)工程應(yīng)用首先要選擇合適的進氣加熱熱源。目前，燃氣輪機進氣加熱技術(shù)常見熱源有壓氣機排氣、鍋爐余熱、電加熱等。其中，壓氣機排氣加熱一般用于燃氣輪機自帶進氣防冰系統(tǒng)或IBH系統(tǒng)。通過抽取少量300～400 ℃的壓氣機末級排氣與壓氣機入口空氣混合，提高燃氣輪機入口空氣溫度。這一技術(shù)路線會導(dǎo)致燃氣輪機機組高負荷時負荷下降，同時由于該熱源為系統(tǒng)高品位熱源，會導(dǎo)致機組整體運行經(jīng)濟性下降。另外，電加熱耗能較大，布置在燃氣輪機進氣過濾器前部存在一定的安全隱患。因此，這兩種熱源均不適合用于燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)。如表3所示，從系統(tǒng)收益等方面綜合考慮，選取余熱鍋爐熱水作為進氣加熱熱源是較為合適的一種技術(shù)路線。

表3 燃氣輪機進氣加熱熱源經(jīng)濟性分析

2.2 換熱器阻力影響

采用余熱鍋爐熱水作為熱源的燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)在工程實施過程中需要在燃氣輪機進氣系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置一組空氣加熱換熱器。該裝置的增加會導(dǎo)致燃氣輪機進氣系統(tǒng)阻力有一定的上升。根據(jù)9E級燃氣輪機進氣系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量和進氣加熱溫升的不同，換熱器進氣阻力也會有所不同，一般換熱器最大設(shè)計阻力不大于300 Pa。

本文以1.2節(jié)仿真模型為基礎(chǔ)，研究了BaseLoad工況下，進氣壓損從0 Pa增加到2 100 Pa過程中，電廠/燃氣輪機效率和電廠/燃氣輪機功率的變化曲線。從圖5可以看出，進氣壓損的變化對燃氣輪機效率的影響大于對電廠效率的影響。如進氣壓損增加2 100 Pa過程中，電廠效率降低0.095%、燃氣輪機效率降低0.28%。表4列出了進氣壓損每增加100 Pa對機組的影響，可以看出，其影響非常小。當機組處于部分負荷時，燃氣輪機入口空氣量會有一定下降，換熱器壓損會進一步降低。因此，換熱器壓損對于機組的性能影響遠遠小于其帶來的技術(shù)收益。

表4 BaseLoad工況下進氣壓損對機組性能影響分析表

圖5 BaseLoad工況下進氣壓損對機組性能影響

3 工程應(yīng)用

結(jié)合上述技術(shù)探索與應(yīng)用研究，本技術(shù)在北方某9E級燃氣熱電廠進行了工程應(yīng)用。應(yīng)用電廠燃氣輪機機組為PG9171E，進氣系統(tǒng)采用高位布置，燃氣輪機與余熱鍋爐均為室外布置。本次工程應(yīng)用的燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)以電廠余熱鍋爐尾部煙氣余熱為熱源，通過尾部煙氣-水換熱器制得65 ℃的熱水，對燃氣輪機進氣進行加熱，最大可將燃氣輪機入口空氣溫度提高20 ℃。進氣加熱系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，共由7個模塊組成，單個模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效系統(tǒng)換熱模塊

本技術(shù)示范應(yīng)用項目于2018年7月完成系統(tǒng)改造施工，經(jīng)試驗驗證，燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)效率在120 MW負荷(60%負荷)時，本技術(shù)投運后能夠提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率0.75%。按照進氣加熱系統(tǒng)年實際運行小時數(shù)4 000 h(電廠機組年實際運行小時數(shù)大于6 000 h)，天然氣價格2.11元/m3計算，年節(jié)省燃料費350萬元以上。本技術(shù)在9E級機組上實施改造的總體費用約為1 000萬元(根據(jù)進氣系統(tǒng)布置情況及現(xiàn)場條件有20%左右差異)，靜態(tài)投資收益期不超過3年，具有客觀的節(jié)能提效潛力和應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

1) 通過對9E燃氣輪機機組實際運行數(shù)據(jù)分析，當機組處于不同部分負荷工況時燃氣輪機進氣溫度提升能夠不同程度地提高燃氣輪機及機組整體運行效率。

2) 通過仿真分析計算，當9E燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組處于110～180 MW的部分負荷工況時，采用進氣加熱方式能夠顯著提升聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率。

3) 燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)工程應(yīng)用中宜采用余熱鍋爐熱水作為加熱熱源。同時需在燃氣輪機進氣系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一套換熱器裝置。經(jīng)過計算分析，換熱器阻力對于機組運行影響很小。

4) 通過對燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)示范應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟性和應(yīng)用效果。在聯(lián)合循環(huán)120 MW負荷(60%負荷)時，能夠提高機組發(fā)電效率0.75%，年節(jié)省燃料費350萬元以上，靜態(tài)投資收益期不超過3年，具有極強的技術(shù)推廣價值。