廣州增城H級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱抽汽點選擇研究

范勇剛，王忠，朱瑾，付煥興，陳昌山

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，成都610021）

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，是以燃氣輪機循環(huán)為前置循環(huán)，蒸汽輪機循環(huán)為后置循環(huán)，兩者以一定方式組成一個整體的熱力聯(lián)合循環(huán)［1］。燃氣冷熱電三聯(lián)供是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機或內燃機等燃氣發(fā)電設備運行，產生電力以滿足用戶電力需求，而系統(tǒng)排出的廢熱則通過余熱鍋爐或溴化鋰等設備向用戶供熱、供冷［2］，通過能源的梯級利用，該系統(tǒng)的能源利用效率從常規(guī)發(fā)電方式的40%左右提高到70%以上［3］，節(jié)省了大量一次能源。所承擔的冷、熱負荷，一般包括工業(yè)和民用的制冷、供熱負荷，不同需求的冷、熱負荷還常常具有差異較大的負荷特性。

本文結合廣州增城H 級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供項目（以下簡稱“增城項目”）的情況，對應用在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組上的各種供熱抽汽點方案進行了詳細的論述和比較，提出高壓缸排汽管道（冷段）抽汽方式是一種技術和經濟性更優(yōu)、更適合大容量聯(lián)合循環(huán)機組的抽汽供熱方式。

1 各種供熱抽汽方式研究

根據冷、熱負荷負荷特性確定熱源為蒸汽后，機組有如圖1 所示四種可選的供熱抽汽方式：①冷段抽汽、②熱段抽汽、③中壓缸抽汽、④中低壓缸聯(lián)通管抽汽［4］，前兩種方式應用較少，后兩種方式應用較多。另外，還有一種方案：從冷段和中低壓缸聯(lián)通管分別抽汽，通過壓力匹配器來實現(xiàn)供熱［5-7］，但該方案既增加了初投資，系統(tǒng)又變得更復雜，機組低負荷供熱能力差，所以該方案很少采用，本文不再論述。

圖1 各種供熱抽汽方式示意Fig.1 Schematic of various steam extraction methods

1.1 冷段抽汽方式

冷段抽汽方式，如圖1 所示的方式1，即：從高壓缸排汽的冷段管道抽汽，該方式有以下主要特點：

1）系統(tǒng)設置：低溫再熱蒸汽從汽機高壓缸接至鍋爐再熱器，供熱抽汽管道從高壓缸排汽的冷段管道抽汽引出。抽汽管道上設置快關閥、快關止回閥、減溫減壓器和安全閥等。

2）機組的供熱壓力較高：因為從冷段抽汽，低溫再熱蒸汽的壓力比低壓抽汽參數更高，該方式一般可以滿足大多數工業(yè)用較高壓力蒸汽供熱的要求。

3）供熱的?損較低：由于冷段溫度一般與工業(yè)蒸汽較為接近，僅需噴入少量減溫水即可，因此該方式的?損小，與大多數工業(yè)蒸汽熱負荷溫度需求匹配性較好。

4）系統(tǒng)初投資較低：汽機本體不需要增加初投資；抽汽管道及其所配閥門（包括減溫減壓器）均為碳鋼或普通國產合金鋼，因此相較于熱段供熱抽汽方式，該方式大大節(jié)省初投資。

1.2 熱段抽汽方式

熱段抽汽方式，如圖1 所示的方式2，即：從進入中壓缸前的熱段管道上抽汽，該方式有以下主要特點：

1）系統(tǒng)設置：高溫再熱蒸汽從余熱鍋爐接至汽機中壓缸，供熱抽汽管道從進入中壓缸前的熱段管道上引出。抽汽管道上設置快關閥、快關止回閥、減溫減壓器和安全閥等。

2）機組的供熱能力大：由于高溫再熱蒸汽未經做功，蒸汽溫度和焓值很高，為滿足供熱蒸汽參數要求，需通過設置的減溫減壓器噴入大量的減溫水，因此雖然該方式的供熱能力大，但降低了機組的發(fā)電能力。

3）機組的供熱溫度很高：因從熱力系統(tǒng)的前端抽汽，高溫再熱蒸汽的溫度可以達到甚至超過高壓主汽，因此該方式可以滿足高溫蒸汽供熱的要求。

4）供熱的?損較大：由于需噴入大量減溫水，因此該方式的?損大，與大多數工業(yè)熱負荷的實際溫度需求匹配性較差（超出較多），除應用于高溫蒸汽熱負荷外，其它情況應用較少。

5）系統(tǒng)初投資較高：雖然汽機本體不需要增加初投資，但抽汽管道及其所配閥門（包括減溫減壓器）均為高溫合金鋼，因此該方式相較于冷段供熱抽汽方式，初投資增加較多。

1.3 中壓缸抽汽方式

中壓缸抽汽方式，如圖1 所示的方式3，即：從汽機中壓缸上打孔抽汽，該方式有以下主要特點：

1）系統(tǒng)設置：在汽機中壓缸抽汽口后設置座缸閥或旋轉隔板，抽汽管道上設置快關閥、快關止回閥、減溫減壓器和安全閥等。

2）該方式下，通過中壓缸的座缸閥或旋轉隔板，可以在較大負荷范圍內滿足供熱蒸汽參數要求，其供熱壓力、溫度和流量適應性較好，供熱調節(jié)方便，因此，在早期的供熱工程中應用較多，能適應較多種類的工業(yè)熱負荷。

3）該方式下，汽機中壓缸因設置座缸閥或旋轉隔板，導致汽機本體初投資增加；另外，當機組處于低負荷或供熱蒸汽流量較大時，座缸閥或旋轉隔板產生較大的節(jié)流損失，中壓缸效率比額定工況大幅降低，導致整個機組發(fā)電效率和綜合熱效率降低［8-9］；同時，該方式還存在低負荷時供熱能力較低的缺點［9］。

1.4 中低壓缸聯(lián)通管抽汽方式

中低壓聯(lián)通管抽汽方式，如圖1 所示的方式4，即：從中、低壓汽缸的聯(lián)通管上抽汽，并在聯(lián)通管上設置蝶閥。該方式有以下主要特點：

1）系統(tǒng)設置：中壓缸排汽通過聯(lián)通管接至低壓缸，低壓主汽也接入聯(lián)通管，供熱抽汽管道從蝶閥前引出。抽汽管道上設置快關閥、快關止回閥、減溫器和安全閥等。

2）機組的供熱蒸汽流量較大：由于處于熱力系統(tǒng)的末端，在滿足低壓缸最小冷卻蒸汽流量的前提下，其余的中壓缸排汽和低壓主汽流量均可作為抽汽用于供熱，通常低壓缸需要的最小冷卻流量為其額定流量的30%~40%。因此，該方式的供熱抽汽流量較大。

3）機組的發(fā)電效率較高：由于抽汽點位于熱力系統(tǒng)末端，蒸汽已經完成大部分做功發(fā)電能力，抽汽焓值降至較低值，因此，該方式下機組的發(fā)電效率較高。

4）供熱抽汽壓力和溫度較低。因為抽汽點處于熱力系統(tǒng)末端，蒸汽的壓力和溫度較低，其中壓力通常只有0.5 MPa.a 左右，只能滿足采暖、制冷以及低參數要求的工業(yè)冷熱負荷要求。

2 各種供熱抽汽方式技術經濟比較

四種抽汽供熱技術方案的對比如表1所示。

1）方式1：冷段抽汽方式，因冷段的壓力、溫度與絕大多數工業(yè)熱負荷參數較為接近，只需噴入少量減溫水，?損較小，在機組處于低負荷和熱負荷較大時，通過調整汽輪機再熱蒸汽調節(jié)閥來匹配熱負荷要求，因此該方式綜合熱效率［10］、發(fā)電能力較高、適用負荷廣、變工況能力強。

2）方式2：熱段抽汽方式，因抽汽溫度過高，噴入減溫水量非常大，因此?損大，僅在部分需要高溫蒸汽的工業(yè)供熱項目應用，比如化工用汽，但對于絕大多數供熱項目，都是不經濟的。

3）方式3：中壓缸抽汽方式，雖然在早期工業(yè)供汽項目中應用較多，但是汽機中壓缸需設置座缸閥或旋轉隔板，有較大的節(jié)流損失；因抽汽溫度較高，減溫水量大，?損也大；另外機組處于低負荷或熱負荷較大時，中壓缸效率大大降低。因此，該方式經濟性較差，尤其是低負荷和變工況運行時。

4）方式4：中低壓缸聯(lián)通管抽汽方式，該方式雖然熱負荷流量較大，但因為其抽汽點壓力和溫度較低，僅能適用于采暖、制冷負荷或參數要求低的工業(yè)熱負荷。

3 冷段抽汽供熱方式應用實例

冷段抽汽供熱方式，不僅能滿足絕大多數工業(yè)熱負荷參數要求，而且機組純凝工況、發(fā)電低負荷或供熱高負荷時，?損較小，發(fā)電效率較高，該方式同時還具有初投資省的優(yōu)點，通過與主機廠多次配合，并經各級審查，最終確定增城項目采用冷段抽汽供熱方式。

3.1 工程概述

華電廣州增城燃氣冷熱電三聯(lián)供工程廠址位于廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)塘邊村，本工程建設規(guī)模按2×600 MW 級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組建設，不考慮擴建，每套機組1 臺燃氣輪發(fā)電機組配1 臺余熱鍋爐，1 臺余熱鍋爐供汽給1 臺抽凝式蒸汽輪發(fā)電機組。本工程于2017年8月10日開工建設，兩臺機組分別于 2020 年 6 月 14 日和 9 月 30 日投入商業(yè)試運。

根據統(tǒng)計，增城項目能源站附近各類冷、熱負荷需求如表2所示。

根據工業(yè)熱負荷需求分析，各熱用戶對蒸汽參數（溫度/壓力）的需求范圍為140~180 ℃/0.4~1.0 MPa.a，結合供熱距離考慮相應的溫降及壓降，確定從機組抽汽參數為1.6 MPa.a/250 ℃，工業(yè)熱負荷凝結水不回收。各工業(yè)蒸汽熱負荷屬于非季節(jié)性的生產工藝熱負荷，故全年內工業(yè)熱負荷的季節(jié)性差別不大。另外，為充分利用余熱，提高機組能源綜合利用效率，在余熱鍋爐尾部設置煙氣熱水換熱器，產生的熱水用于熱水型溴冷機，以滿足制冷負荷需求［11-14］。

表1 四種抽汽方式技術對比Tab.1 Technical comparison of four extraction methods

表2 各類負荷需求匯總表Tab.2 Summary of various load requirements

3.2 主機選用情況

增城項目選用西門子公司SGT5-8000H 型號的H 級燃機，與同級別其它燃機相比，其全球的投運業(yè)績最多、效率較高、容量合適。本工程采用兩套H 級燃機“一拖一”多軸配置聯(lián)合循環(huán)機組，余熱鍋爐采用臥式、自然循環(huán)、三壓再熱、無補燃型、汽包余熱鍋爐，汽輪機采用三壓再熱抽凝式機組，汽機低位布置，配置側排汽凝汽器。

3.3 冷段抽汽方式簡述

如前所述，目前用于蒸汽供熱抽汽的方式主要有4 種，其中中低壓缸聯(lián)通管抽汽方式僅能用于低壓蒸汽熱負荷，不適合增城項目，其它3 種供熱抽汽方式在技術上可行。通過國際通用燃機電廠熱平衡計算GTPRO 軟件計算，各方式在額定供熱工況的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電出力和效率對比見表3。

表3 三種抽汽方式主要技術對比表Tab.3 Main technical comparison of three extraction methods

從表3 可以看出：在額定供熱工況時，方式1的發(fā)電出力最大，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱效率最高，方式3的發(fā)電出力和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱效率居中，方式2 的發(fā)電出力最小，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱效率最低。因此，增城項目采用冷段抽汽方式，是經濟最優(yōu)方案。

增城項目采用冷再供熱抽汽方式的流程示意圖如圖2 所示，抽汽管道從冷再管道止回閥后引出，抽汽管道上分別設置氣動快關閥、氣動止回閥、減溫減壓器、流量計等，兩臺機組的抽汽管道均接入公用的供熱蒸汽聯(lián)箱，從聯(lián)箱上引接對外供熱管道，供熱聯(lián)箱設安全閥排汽管道。

圖2 冷再供熱抽汽方式流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of cold reheating steam extraction process

4 結 論

綜上所述，機組有以下幾種可選的供熱抽汽方式：①冷段抽汽、②熱段抽汽、③中壓缸抽汽、④中低壓缸聯(lián)通管抽汽，其中第4 種方式僅能用于低壓蒸汽熱負荷，不適合增城項目。通過經濟技術綜合分析，增城項目采用全面創(chuàng)新優(yōu)化的抽汽供熱方案，即采用從高壓缸排汽管道（冷段）抽汽經小幅減溫減壓進行供熱的方案。與采用中壓缸抽汽和熱段抽汽大幅減溫方案相比，該方案具有以下優(yōu)點：

1）從高壓缸排汽管道（冷段）抽汽，抽汽點蒸汽的過熱度大幅降低，中壓缸運行流量大幅減?。ㄖ袎焊淄髟O計仍按純凝不抽汽工況設計）從而使冷段壓力下降，與抽汽壓力正好具有較好的匹配性，僅需小幅度減溫減壓即可滿足供熱參數要求，參數匹配適應性更好、適應機組變工況運行的能力更強，能實現(xiàn)能源供給最佳耦合。

2）和從中壓缸抽汽和熱段抽汽大幅減溫方案相比，從高壓缸排汽管道（冷段）抽汽經小幅減溫減壓進行供熱的方案，系統(tǒng)綜合?損失會大幅減小，從而可取得更高的全廠能源利用效率。

3）采用從高壓缸排汽管道（冷段）抽汽，汽機缸體無需設置座缸閥或旋轉隔板，汽機本體結構更加簡潔高效，抽汽管道不需要采用高溫合金鋼、閥門和減溫減壓器等，可降低初投資。