燃氣-蒸汽聯合循環電站主機配置型式分析

東方電氣集團國際合作有限公司 肖 俊

自1939年瑞士BBC公司制成世界上第一臺工業燃氣輪機以來，經過60多年的發展，燃氣輪機已在發電、管線動力、艦船動力、坦克和機車動力等領域獲得了廣泛應用。相對于其他能源轉換裝置，燃氣輪機的優勢是功率密度極大，綜合效率高，啟動速度快，噪聲低頻分量很低，排放污染小等。燃氣-蒸汽聯合體循環電站主機配置方案對機組熱效率，建設成本、運行的靈活性及設備維護的方便性方面有重大的影響。

1 工程背景及要求

阿聯酋某燃氣-蒸汽聯合體循環電廠的主燃料為天然氣，備用燃料為輕質柴油，全廠額定凈出力為2400MW。全壽命周期內計劃運行負荷有8種工況點，最大運行工況90%額定凈出力，最小運行工況為35%額定凈出力，且低于55%額定凈出力工況運行時間占機組全壽命周期的54.2%，故該電廠應具備良好的調峰能力。故要求其軸系配置為多軸，以便燃機可在汽機安裝過程中進行簡單循環運行，從而提高資金的周轉率和效率；也可以在汽機故障或檢修時，燃機可利用旁路煙囪實現獨立運行，提高了整個電站可利用率。燃機調峰能力強[1-2]，多軸配置可使燃機快速啟動，快速補充電網負荷。

全廠聯合循環熱效率、工程總造價、主機業績、機組操作靈活性等是設計方案競比主要考核方向。經過多種方案的篩選后，兩種H級燃機-蒸汽聯合循環主機配置方案進入最終的競比，3拖2配置方案和1拖1+2拖1配置方案見表1。

表1 配置方案情況表

2 方案主要配置情況

2.1 3拖2主機配置方案

項目對主機有兩年兩臺運行業績的要求，故從滿足業績的JAC系列中選擇最大的機型作為3拖2主機配置方案的燃機。3臺燃機的出力為1430100kW，因此余熱鍋爐須增加補燃功能才能滿足全廠總凈出力的要求，汽機總毛出力達到了1028800kW。聯合循環的汽機出力比較大，只有將兩個汽機配置一樣大樣才能符合要求，否則單個汽機過大，汽機選型嚴重受限，故最終形成了3拖2多軸配置方案。方案中蒸汽系統采用三壓設計，主蒸汽系統如圖1，從三臺余熱鍋爐來主蒸汽在汽機主廠房外的主蒸汽母管匯合，然后通過汽機主汽閥、調閥進入汽輪機高壓缸。為了方便運行及機組維護，余熱鍋爐主蒸汽支管與主蒸汽母管之間以及母管均設置了隔離閥。熱再系統設置與主汽系統配置一致。兩臺汽機高壓缸排汽匯流至冷再蒸汽母管，再經過冷再支管進入余熱鍋爐再熱系統，冷再蒸汽支管與母管之間以及及母管也設置了隔離閥（圖2）。

每臺余熱鍋爐設置了1套高中低蒸汽旁路系統，均設置在蒸汽支管上，支管主蒸汽經過高旁減溫減壓后進入應冷再支管，#1余熱鍋爐的中壓蒸汽和低壓蒸汽分別經過中旁和低旁減溫減壓后進入#1汽機的凝汽器，#3余熱鍋爐的中壓蒸汽和低壓蒸汽分別經過中旁和低旁減溫減壓后則進入#2汽機的凝汽器。

熱力管道的支管及母管設置了隔離閥，可為機組的并汽、退汽、隔離提供方便。關閉蒸汽母管的隔離閥，可以將3拖2運行模式變換為1拖1或者2拖1模式；也能實現3臺動力單元進行輪流檢修。

2.2 1拖1+2拖1主機配置方案

方案2選擇MHPS的出力最大的JAC燃氣聯合循環機組，由1拖1+2拖1兩個相對獨立的動力單元組成。3臺燃機的出力為1656000kW，汽機總出力為795000kW。余熱鍋爐采用三壓設計且不帶補燃功能（圖3）。全廠熱力系統屬于典型1拖1+2拖1多軸配置，該類配置在國內以有十分成熟的設計，也做相當多的研究[3-4]。

1拖1配置型式：從1臺余熱鍋爐來的主蒸汽進入汽輪機高壓缸做功后返回余熱鍋爐再熱器，來自再熱器的蒸汽進入汽輪機中壓缸做功后再進入低壓缸，并在低壓缸中與低壓蒸汽匯合，所有做功完成后進入凝汽器。高壓蒸汽、中壓蒸汽、低壓蒸汽管道分別設置了高中低旁，高壓旁出口蒸汽進入再熱系統，中低壓旁路出口蒸汽進入凝汽器。

2拖1配置型式：2臺余熱鍋爐來的主蒸汽匯入蒸汽母管后進入汽輪機高壓缸，做功后經過冷再蒸汽母管-支管后返回2臺余熱鍋爐再熱器；來自2臺余熱鍋爐的中壓蒸汽進入汽輪機中壓缸做功后再進入低壓缸，并在低壓缸中與來自2臺余熱鍋爐的低壓蒸汽匯合，所有蒸汽做功完成后進入凝汽器。每臺余熱鍋爐均設置一套高中低壓旁路系統，與3拖2主機配置型式的旁路系統基本相同。

3 主機配置方案的分析對比

3.1 3拖2主機配置型式優缺點

3拖2主機配置型式把3臺燃機、3臺余熱鍋爐與2臺汽機組成一個系統，設備之間相互關聯，彼此影響。

優點：單臺汽機出力適中，汽機選型受限制小；兩臺汽機型號一致，維護檢修備件可共用，減少了備品備件儲備數量，提高備件使用效率，降低了后期成本；機組運行模式可變，在機組降負荷或檢修時，3拖2運行模式可變換成1拖1或2拖1模式運行；蒸汽循環的余熱鍋爐存在補燃，開啟余熱鍋爐補燃時，部分燃料未經過燃機做功，故聯合循環效率受到了影響。但是在中低負荷時，關閉余熱鍋爐補燃，燃機仍然能保持較高的負荷并維持較高的熱效率，聯合循環熱效率受機組負荷下降的影響相對較小，故機組時間加權熱效率較優。

缺點：啟動時間長，冷態啟動至滿負荷時間約310分鐘，遠大于1拖1和2拖1機組啟動時間；控制系統復雜，機組變負荷特性較差，調節時間較長，對操作要求較高。比如3拖2運行模式與1拖1或2拖1運行模式切換時，須提前將機組參數降低，受電網指令影響較大，切換時間比較長；當全廠負荷過低或因事故、檢修等原因需要隔離運行時（比如1拖1或2拖1運行），系統中各單元隔離及時性，安全性、可靠性將受到考驗，尤其對蒸汽母管隔離閥泄漏要求、可靠性要求十分高，須對隔離閥的選型充分的論證，并嚴格控制其生產、安裝質量；兩臺蒸汽輪機須全部安裝完成后才能實現聯合循環功能，一臺汽機無法單獨提前運行，不利于提高資金周轉率和效益。

3.2 1拖1多軸主機配置型式優缺點

1拖1多軸主機配置型式無補燃功能，屬于單元機組，1臺汽輪機匹配1臺燃機和1臺余熱鍋爐。優點：啟停快，既可單獨啟動也可以其他燃機和汽機動力單元同時啟動，冷態啟動至滿負荷時間約190分鐘運行；與3拖2和2拖1配置型式相比相對簡單，控制較為容易，維護也方便；聯合循環熱效率較高，比2拖1配置模式熱效率低～0.6%；1拖1聯合循環可較其他動力單元提前運行，有利于提高資金周轉率和效益。

缺點：單位功率造價較高；聯合循環熱效率受負荷下降影響相對較大，故機組時間加權熱效率較低。

3.3 2拖1多軸主機配置型式優缺點

2拖1多軸主機配置型式無補燃功能，1臺汽機匹配2臺燃機和2臺余熱鍋爐。優點：啟停較快，冷態啟動至滿負荷時間約215分鐘運行；聯合循環熱效率最高；單位功率造價較高。缺點：聯合循環熱效率受機組負荷下降的影響也較大，如果將其隔離成1拖1運行時，汽機負荷約50%，效率下降較明顯，機組時間加權熱效率不優；2拖1主機配置型式在系統復雜性、控制靈活性、維護方便性上處于3拖2與1拖1之間，總體上與3拖2較為類似。

4 結語

現階段，國外燃氣-蒸汽聯合循環電廠中已使用了多拖多、多拖1的主機配置型式，比如5拖3、3拖2、3拖1等，并且已在H級燃氣-蒸汽聯合循環機組中使用3拖2、3拖1等配置型式。國內H級燃氣-蒸汽聯合循環機組的建設和應用都較少，且燃氣-蒸汽聯合循環電廠基本上不使用多拖多主機配置模式，H級燃氣-蒸汽聯合循環的主機配置型式仍舊參考F級，因此國外燃氣-蒸汽聯合循環電廠的多種主機配置經驗可為國內H級燃氣-蒸汽聯合循環電廠建設提供借鑒。