燃氣-蒸汽聯合循環機組能效分析及應用

朱亞迪， 蔡 燦， 郝建剛， 謝大幸， 徐婷婷

(1. 華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030；2. 湖北華電武昌熱電有限公司，武漢 430061)

近年來，隨著國家能源結構的調整，以天然氣為燃料的燃氣-蒸汽聯合循環機組的裝機容量越來越大。根據規劃，在“十三五”期間，燃氣-蒸汽聯合循環機組的裝機容量將增加至1億kW以上[1]。由此可見，燃氣-蒸汽聯合循環機組在電力結構中的地位越來越高。但是，與燃氣-蒸汽聯合循環機組裝機容量發展速度不符的是，行業內還沒有形成一套完整的技術經濟指標體系，因此無法有效深入開展燃氣-蒸汽聯合循環機組的經濟性評價。

目前，燃氣發電企業在對機組的經濟性進行評價時，主要對一些綜合性廠級指標進行統計分析，如供電氣耗、供電量、發電氣耗、廠用電率、負荷率、機組啟停次數等，并且基本上是進行一些同比或者環比的統計分析。這種分析評價方法只能在一定程度上掌握機組的總體運行經濟水平，無法追蹤影響機組經濟性的因素及其影響程度，難以指導運行人員優化調整機組的運行。主要原因是我國燃氣輪機發電機組基本是從國外進口，所掌握的技術資料相比于燃煤機組較少，缺乏對熱力系統的全面優化和研究，尤其是對熱力系統局部變化的經濟性定量分析研究[2]。

以GE公司F級燃氣-蒸汽聯合循環機組為研究對象，建立一套完善的技術經濟指標體系，對運行指標進行定量分析研究，實現燃氣-蒸汽聯合循環機組的節能診斷，便于判別相關指標變化對機組經濟性的影響。

1 技術經濟指標體系

燃氣-蒸汽聯合循環機組由于系統布置、結構的差異，指標數量可能不相同，但是技術經濟指標體系的基本結構大致相同。根據設備和系統的屬性對指標進行分類，然后以廠級綜合指標為頂層指標，通過指標間機理關系逐層分解，直至可以監控調整的運行小指標。通常燃氣-蒸汽聯合循環機組技術經濟指標體系大致可以分為五個層級指標，具體如下。

(1) 第一個層級指標(一級指標)：供電氣耗(供電效率、供電熱耗率)。

(2) 第二個層級指標(二級指標)：直接影響一級指標的指標，如供電量、發電氣耗(發電效率、發電熱耗率)。

(3) 第三個層級指標(三級指標)：直接影響二級指標的指標，如發電量、廠用電量/廠用電率、燃氣輪機效率、余熱鍋爐效率、汽輪機效率、管道效率、燃料量。

(4) 第四個層級指標(四級指標)：直接影響三級指標的指標，主要包括影響發電量的相關指標(發電功率)，影響廠用電量的相關指標(給水泵廠用電量、凝結水泵廠用電量、燃氣輪機及汽輪機輔助系統廠用電量、非生產廠用電量等)，影響燃氣輪機效率的指標(壓氣機效率、燃氣透平效率等)，影響汽輪機效率的指標(高、中、低壓缸效率等)，影響余熱鍋爐效率的指標(余熱鍋爐進口煙溫、排氣溫度減溫水量等)，影響管道效率的指標(補水率、溫降和壓降等)，影響燃料質量的指標(天然氣成分、天然氣熱值等)，影響燃料量的指標(天然氣處理器損失等)。

(5) 第五個層級指標(五級指標)：生產運行過程中可以直接監控的指標，如環境參數，壓氣機進口壓降，壓氣機排氣溫度和壓力，燃氣透平排氣溫度、壓力和流量，主蒸汽參數，再熱蒸汽參數，汽輪機排汽參數等。

以上五個層級中的指標均是火力發電行業常規的能效指標，其定義和計算方法已相對成熟，筆者將重點對燃氣-蒸汽聯合循環機組中燃氣輪機、余熱鍋爐和蒸汽輪機的主要能效指標進行定量的診斷分析。

由于燃氣-蒸汽聯合循環機組自動化程度較高，燃氣輪機本身可優化調整空間較小。燃氣輪機系統的節能手段主要包括進氣系統反吹、壓氣機水洗。在節能診斷分析中，需要分析壓氣機進氣壓降、壓氣機效率指標。汽輪機的運行基本跟隨燃氣輪機，可優化調整的手段較少，運行優化調整基本上圍繞汽輪機冷端系統進行，重點針對背壓開展節能分析。余熱鍋爐作為連接燃氣輪機和汽輪機的重要系統，其關鍵指標對燃氣輪機和汽輪機經濟性的影響較大。因此，重點開展再熱蒸汽壓損、余熱鍋爐煙氣側壓降(等同于燃氣輪機排氣壓損)、主蒸汽壓力的節能分析。

2 能效指標分析

能效指標分析就是通過定量計算機組各運行參數偏離其基準值對機組熱耗率的影響，確定各運行參數影響機組經濟性的部位和程度，為機組運行調整和檢修維護提供參考[3]。相關的理論體系、技術體系在燃煤發電機組中已得到成熟的應用[4-7]，但是燃氣-蒸汽聯合循環機組因其獨特的特性，相關的診斷技術無法得到應用[8]。因此，在借鑒火力發電機組節能診斷基本理論的基礎上，建立燃氣-蒸汽聯合循環機組節能診斷模型，為燃氣-蒸汽聯合循環機組性能診斷和優化調整提供參考。

供電熱耗率是通過計算發電煤耗與廠用電率獲得的，現實中由于公用系統、循環水泵共用等情況的存在，廠用電率無法分攤，發電企業很難計算實時供電熱耗率，因此以發電熱耗率為主要指標開展節能診斷分析研究。

根據節能診斷理論體系，燃氣-蒸汽聯合循環機組發電熱耗率偏差可用下式表示：

ΔHR=K(M-Maim)

(1)

式中：ΔHR為機組發電熱耗率偏差；M為某參數的運行值；Maim為某參數的基準值；K為熱耗率偏差因子。

燃氣-蒸汽聯合循環機組節能診斷分析關鍵是確定機組各參數的基準值和偏離基準值對機組熱耗率的影響。采用Thermoflow軟件，建立F級燃氣-蒸汽聯合循環機組仿真計算模型，對機組運行特性進行變工況分析，計算全負荷穩定工況下燃氣-蒸汽聯合循環機組各運行參數的基準值及偏離基準值的影響。

2.1 仿真計算模型建立

根據某電廠F級燃氣-蒸汽聯合循環機組性能保證工況參數設計值(見表1)，利用Thermo-flow軟件建立仿真計算模型。通過變工況計算典型工況下的模型輸出參數，并且與廠商提供的熱平衡圖進行對比，驗證所建立模型的準確性。模型搭建主要利用Thermoflow軟件中的GTPro和GTMaster模塊。通過GTPro模塊，設定機組邊界條件和布置方式，選擇PG9351FA型燃氣輪機，同時設定燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機和冷端系統的關鍵熱力參數，通過迭代計算調整各部件的屬性參數，最終可達到與典型工況下的設計參數一致的模型。將GTPro模型導入至GTMaster模塊中，將模型中各部件的屬性參數固定，獲取GTMaster模型，再在GTMaster模塊中調整相關參數的數值，可進行詳細的變工況計算。

表1 性能保證工況參數設計值

表2為利用Thermoflow軟件計算的100%、75%和50%負荷下模型的仿真值與機組的設計值的對比，可以看出仿真值與設計值的相對偏差較小，能夠滿足工程應用需求。

表2 典型負荷下主要參數的仿真值與設計值的對比

2.2 參數運行基準值確定

對燃氣-蒸汽聯合循環機組進行節能診斷時，需要先確定各運行參數的基準值。然而，由于燃氣-蒸汽聯合循環機組三大主要設備之間的耦合性較強，尤其是燃氣輪機的運行特性對下位電站的影響較大，并且燃氣輪機自身的運行特性受環境條件的影響比較復雜，運行參數基準值確定的難度高于常規燃煤發電機組[9-13]。參考燃煤發電機組確定運行參數基準值的方法[14]，采用基于仿真計算模型的變工況計算，確定在全負荷工況下的燃氣-蒸汽聯合循環機組運行參數基準值。

根據燃氣輪機特性及其對下位電站的影響分析[15-16]，各運行參數基準值為：

Pref=f(N,ta,pa,RH)

(2)

式中：Pref為運行參數基準值；N為機組負荷率，%；ta為環境溫度，℃；pa為大氣壓力，kPa；RH為空氣相對濕度，%。

由于大氣壓力和空氣相對濕度對燃氣輪機運行特性的影響較小[17]，在計算運行參數基準值時忽略大氣壓力和空氣相對濕度，因此可將運行參數基準值表示為：

Pref=f(N,ta)

(3)

在負荷率為50%～100%及環境溫度為-5～40 ℃時，利用Thermoflow軟件進行變工況計算，獲得相關運行參數的基準值。

確定發電熱耗率基準值是進行能效分析的基礎，同時為運行人員優化調整機組提供方向。圖1為機組發電熱耗率在不同條件下的基準值。

圖1 發電熱耗率基準值

由圖1可得：隨著環境溫度的變化，不同負荷率下的發電熱耗率先降低后增加，并且不同負荷率下發電熱耗率升高的拐點溫度有所差異；隨著負荷率的降低，拐點溫度逐漸降低。基于此特性，有研究通過對進氣進行加熱以降低機組發電熱耗率[18]。

圖2為主機設備綜合指標基準值。由圖2可得：隨著環境溫度的增加，燃氣輪機發電熱效率逐漸降低，余熱鍋爐熱效率逐漸升高，汽輪機熱效率先升高后降低。主要原因是環境溫度增加導致燃氣輪機排氣溫度增加，進入余熱鍋爐的熱量增加，然而余熱鍋爐排煙溫度的增加幅度小于燃氣輪機排氣溫度的增加幅度，導致余熱鍋爐熱效率增加，同時影響進入汽輪機的蒸汽參數。當環境溫度小于20 ℃時，汽輪機背壓增加產生的影響小于蒸汽參數提升產生的影響，汽輪機熱效率逐漸增加；當環境溫度大于20 ℃時，環境溫度增加導致的汽輪機背壓增加產生的影響大于蒸汽參數提升產生的影響，汽輪機效率開始逐漸下降。

圖2 主機設備綜合指標基準值

圖3為燃氣輪機、余熱鍋爐和汽輪機等設備主要指標基準值，各指標基準值與負荷率和環境溫度存在明顯的函數關系。

另外，通過分析發現，主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度及壓損等部分指標與負荷率和環境溫度不存在明顯的函數關系(見表3)。

表3 部分特殊指標基準值

圖3 燃氣輪機、余熱鍋爐和汽輪機等設備主要運行參數基準值

2.3 節能診斷分析

根據式(1)，在確定全負荷工況范圍內指標基準值后，需要進一步明確參數偏離基準值引起的發電熱耗率變化，即確定熱耗率偏差因子。熱耗率偏差因子的獲取是建立在運行指標與機組能耗之間特性關系的基礎上。利用Thermoflow軟件建立的仿真計算模型，定量分析主要運行指標與機組發電熱耗率之間的特性關系，進而確定熱耗率偏差因子。

圖4為不同負荷下壓氣機效率與聯合循環發電熱耗率的特性關系。由圖4可得：隨著壓氣機效率的降低，機組發電熱耗率近似呈線性增加的趨勢，并且隨著負荷率的降低，壓氣機效率的降低對機組發電熱耗率的影響逐漸增加。

圖4 壓氣機效率與機組發電熱耗率的特性關系

圖5為機組主要經濟性指標偏離基準值時對機組經濟性的影響。

由圖5可得：各指標的影響程度從大到小依次為主蒸汽壓力、汽輪機背壓、壓氣機效率、燃氣輪機排氣壓損、壓氣機進氣壓降、再熱蒸汽壓損，進一步驗證了燃氣-蒸汽聯合循環機組運行優化調整的主要技術手段為壓氣機水洗和冷端系統運行優化[19-20]，而主蒸汽壓力、燃氣輪機進氣壓損、壓氣機進氣壓降和再熱蒸汽壓損等指標的性能提升需要結合機組實際情況進行。

2.4 能效指標在線分析系統

在經濟指標體系和主要能效指標分析模型的基礎上，以某電廠F級燃氣-蒸汽聯合循環機組為應用對象，開發出一套在線能效監測及分析系統。該系統基于B/S架構模式開發，采用Java語言編寫。該系統可從電廠歷史數據庫系統中獲取數據，并且將其輸送至系統應用服務器中，通過能效指標計算模型、基準值計算模型和熱耗率偏差因子計算模型，實時計算機組當前工況下的能效指標。該系統的主要功能包括能效指標監測、能效指標分析和對標分析(見圖6)。

圖6 在線能效監測及分析系統

3 結語

建立燃氣-蒸汽聯合循環機組技術經濟指標體系，并且利用Thermoflow軟件搭建F級燃氣-蒸汽聯合循環機組仿真計算模型，進行變工況計算，同時對機組運行特性進行分析，實現能效分析，其特點為：

(1) 建立了五個層級的技術經濟指標體系，分析運行因素對核心指標的影響程度與規律，掌握、分析機組各系統、設備的技術性能。

(2) 建立燃氣-蒸汽聯合循環機組能效分析模型，通過仿真計算不同邊界條件和負荷工況下的機組能效特性，確定主要運行指標的基準值，以及指標偏離對機組發電熱耗率的影響曲線。通過該曲線，生產運行人員可快速獲取對應運行邊界條件下的基準值，以及運行值偏離基準值造成的聯合循環熱耗率的增加量，為運行調整提供方向。

(3) 通過研究得出主要指標對機組發電熱耗率的影響程度從大到小依次為主蒸汽壓力、汽輪機背壓、壓氣機效率、燃氣輪機排氣壓損、壓氣機進氣壓降、再熱蒸汽壓損，為機組節能提效提供了方向。

(4) 基于研究結果，以某電廠F級燃氣-蒸汽聯合循環機組為應用對象，開發一套能效指標在線分析系統，實現全廠、機組全流程的能效指標監測和分析，為運行優化和檢修維護提供參考。