M701F燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組啟停經(jīng)濟性分析

周見廣，陳子聰，陳麗梅

（1.深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳 518054；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

M701F燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組啟停經(jīng)濟性分析

周見廣1，陳子聰1，陳麗梅2

（1.深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳 518054；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

為提高發(fā)電廠的自身競爭力，以前灣電廠M 701F燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)為研究對象，對燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組啟停過程的經(jīng)濟損失進行建模計算。通過計算熱態(tài)、熱溫態(tài)、冷溫態(tài)、冷態(tài)等不同狀態(tài)啟動時的耗氣量、耗電量、耗蒸汽量、化學(xué)補給水耗量等經(jīng)濟指標(biāo)及其費用，以及啟動過程的發(fā)電收益，得到啟動過程的凈成本。在啟動凈成本的基礎(chǔ)上，計算停機損失與啟動多耗時損失，得出政策鼓勵下的機組啟停過程的經(jīng)濟耗費，形成一個較為完整的經(jīng)濟性分析模型，對同類型電廠有很好的借鑒作用。

M 701F燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)；建模；經(jīng)濟性

0 引言

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠有著特有的高效率、低能耗、高利用率、啟停迅速、投資相對較少、環(huán)境污染小、可靠安全等眾多優(yōu)點[1-3]。與國外聯(lián)合循壞機組帶基本負荷為主的情況不同，目前，我國的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組主要用于兩班制運行調(diào)峰。兩班制運行的調(diào)峰機組啟停次數(shù)多[4]，使得機組效率有較大程度的降低。以往研究多是對機組穩(wěn)定運行工況展開，而缺少對其啟停的分析，對聯(lián)合循環(huán)機組啟停經(jīng)濟性進行分析，對其節(jié)能具有重要的指導(dǎo)意義。

1 M701F機組啟動過程

M701F是三菱公司生產(chǎn)的F級別燃氣輪機，其性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)先進。深圳前灣電廠發(fā)電一期工程為3×390 MW單軸燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，其M701F型燃氣輪機燃氣透平進氣溫度可達約1 400℃，排氣溫度約600℃，燃機效率約36%，蒸汽輪機效率約為33%，整個聯(lián)合循環(huán)機組總效率可達約57%。燃氣蒸汽循環(huán)機組的啟動[5-7]主要經(jīng)過以下幾個階段。為了使機組順利啟動，在主機啟動之前，其輔助設(shè)備需提前啟動。之后，靜態(tài)頻率轉(zhuǎn)換器SFC（static frequency converter）輸入交流電，將發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電動機方式轉(zhuǎn)動，帶動燃氣輪機，為其啟動提供必需的外界動力，當(dāng)轉(zhuǎn)速約為580 r/min時，燃氣輪機進行點火。轉(zhuǎn)速達到2 000 r/min時，燃氣透平所產(chǎn)生的機械功足以抵消壓氣機的耗功，SFC啟動裝置退出，并向汽輪機通入一定量的輔助蒸汽對低壓缸進行冷卻。SFC啟動裝置退出后，機組繼續(xù)升速，當(dāng)達到額定轉(zhuǎn)速時，檢查無異常情況后并網(wǎng)。達到穩(wěn)定的暖機負荷后待蒸汽參數(shù)滿足汽機的進汽條件，汽機啟動，進汽后汽機緩慢增大主汽調(diào)閥開度，直至全開進入滑壓運行，整個機組啟動完成。

根據(jù)汽機高壓缸入口金屬溫度的不同，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的啟動方式一般分為4種[8]：熱態(tài)啟動、熱溫態(tài)啟動、冷溫態(tài)啟動和冷態(tài)啟動。熱態(tài)、熱溫態(tài)、冷溫態(tài)、冷態(tài)的啟動時間依次上升，過長的啟動時間不僅降低了機組的快速性[9]，同時也會造成沒必要的資源浪費與經(jīng)濟損失。對聯(lián)合循環(huán)機組的啟停進行經(jīng)濟性分析，可獲得耗氣量、耗電量、輔助蒸汽耗量、化學(xué)補給水量等指標(biāo)以及相應(yīng)的經(jīng)濟耗費。

2 M 701F機組冷/冷溫/熱溫/熱態(tài)啟動經(jīng)濟性指標(biāo)及其計算模型

在機組啟動過程中，除耗氣外，還有電量、輔助蒸汽、化補給水等的消耗。機組啟動過程中的耗電設(shè)備有盤車電機、SFC啟動裝置、透平冷卻風(fēng)機、燃機包排氣風(fēng)機、壓氣機水洗泵、凝汽器真空泵、軸抽風(fēng)機、頂軸油泵、循環(huán)水泵、給水泵以及凝結(jié)水泵。輔助蒸汽主要分為汽輪機冷卻用蒸汽以及蒸汽輪機軸封蒸汽?；a給水則主要用于3個方面：汽包與熱井水位調(diào)整用水量；開機時排污、疏水用水量；補充泄漏的水量。

設(shè)啟動過程中，燃氣流量隨時間變化的函數(shù)是Gi（t），通天燃氣的時間為τig，則啟動過程中的耗氣量為

啟動過程中所消耗的燃氣費用為

式中：Pg——燃氣的單價，元/m3；

Gi——啟動過程中的耗氣量，m3；

CGi——燃氣費用，元；

i——i=r，熱態(tài)啟動；i=rw，熱溫態(tài)啟動；i=lw，冷溫態(tài)啟動；i=l，冷態(tài)啟動。

啟動過程的總耗電量為（當(dāng)電廠機組無法提供輔機運行電流電壓時，直接取用廠用電功率作為Ei值）

式中：Uij——啟動過程中某耗電設(shè)備運行時兩端的電壓，V；

Iij—— 啟動過程該耗電設(shè)備運行時的電流，A；

τij——啟動過程該耗電設(shè)備投入運行的時間，h；

n——啟動過程耗電設(shè)備投入數(shù)量。

啟動過程中的電耗費用為

式中：PE——電價，元/（kW·h）；

Ei——啟動過程中的耗電量，kW·h；

CEi—— 電耗費用，元。

設(shè)啟動過程中，某一部分輔助蒸汽流量隨時間變化的函數(shù)是Sij(t)，投入輔助蒸汽的時間為τijg，則啟動過程中的該部分輔助蒸汽耗量為

啟動過程中所消耗的輔助蒸汽量為

其中，m為輔助蒸汽用途，m=2；j=1為冷卻蒸汽量；j=2為蒸汽輪機密封蒸汽量。

啟動過程中的汽耗費用為

式中：λ——產(chǎn)生單位質(zhì)量的蒸汽所需要的燃氣，m3/kg；

Si——啟動過程中的輔助蒸汽耗量，kg；

CSi—— 汽耗費用，元。

設(shè)啟動過程中，化補給水流量隨時間變化的函數(shù)為Wi（t），投入化補給水的時間為τiw，則啟動過程中的化補給水耗量為

啟動過程中所消耗的補給水費用為

式中：PW——水的單價，元/kg；

Wi——啟動過程中消耗的補給水，kg；

CWi——補給水費用，元。

3 M701F聯(lián)合循環(huán)機組啟動經(jīng)濟性計算

3.1 耗氣量計算

燃氣以最高價1.68元 ，即 Pg=1.68元計算，則耗氣量及其費用如表1所示。

表1 各啟動狀態(tài)耗氣量及其費用

3.2 耗電量計算

上網(wǎng)電價為0.533元/(kW·h)，即PE=0.533元/ (kW·h)，則啟動過程中的電耗費用計算如表2所示。

表2 各啟動狀態(tài)耗電量及其費用

3.3 輔助蒸汽耗量計算

按熱量換算1 t輔助蒸汽量與82.525m3天然氣相當(dāng)，取能量轉(zhuǎn)換效率為0.88；即PE=93.778m3/t，則啟動過程中的汽耗費用計算如表3所示。

表3 各啟動狀態(tài)輔助蒸汽量及其費用

3.4 化學(xué)補給水耗量計算

設(shè)電廠所用補給水價格為5元/t，即Pw=5元/t，則啟動過程中所消耗的補給水費用計算如表4所示。

表4 各啟動狀態(tài)化補給水量及其費用

3.5 啟動凈成本

機組在啟動過程中，點火階段過后便有電量的輸出，發(fā)電的收入可抵消上述耗費的部分費用。也即啟動過程的凈成本為耗汽、耗電、耗蒸汽以及耗水費用之和減去啟動過程所發(fā)電量的收益。按上網(wǎng)電價0.533元/（kW·h）計算，則啟動過程凈成本如表5所示。

表5 冷/冷溫/熱溫/熱態(tài)啟動凈成本計算萬元

4 機組啟停引起的收益損耗

機組啟動過程中的收益損耗，除了耗氣、輔助蒸汽、耗電以及化補給水所引起的凈成本外，還有因啟動多耗時損失電量所引起的經(jīng)濟損失[10]。也即有

式中：C1i——不考慮機組壽命損耗的啟動導(dǎo)致的收益損耗，元；

Cnet—— 凈成本，元；

Ctheoreticalgeneratingvolume—— 啟動多耗時理論應(yīng)發(fā)電量收益。

此外，停機過程中也必不可少地會有廠用電以及天然氣的消耗，造成一定損失。通過對典型停機過程中消耗的廠用電、天然氣量以及發(fā)電量進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表6所示。

表6 機組停機過程成本計算表

根據(jù)《南方區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》第四章《考核與補償》第十七條規(guī)定：燃煤發(fā)電機組每啟停調(diào)峰一次按每萬kV裝機容量R3萬元（R3=1.04） 的標(biāo)準補償。燃氣、燃油發(fā)電機組每啟停調(diào)峰一次按每萬kV裝機容量0.05×R3萬元的標(biāo)準補償。前灣電廠一期裝機容量為1 17萬kW(3×390 MW)，根據(jù)《兩個細則》輔助服務(wù)補償標(biāo)準，前灣電廠每臺機組每啟停調(diào)峰一次補償 (0.05×1.04×39)萬元，即2.028萬元。

則不考慮機組壽命損耗的日啟停收益損耗Crqti為

式中：C2——停機導(dǎo)致的收益損耗，元；

Aw—— 基于《兩個細則》的日起停機組獎勵，元。

M701F機組啟停收益損失計算結(jié)果如表 7所示。

表7 機組啟停收益損失萬元

5 結(jié)論

深圳前灣電廠M701F燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組啟停的經(jīng)濟耗費建模計算得出了一個完整的經(jīng)濟性分析模型，并對不同狀態(tài)啟動的經(jīng)濟損耗進行建模，分別獲得了機組的耗氣成本、耗電成本、輔助蒸汽成本、化補水成本，啟動過程發(fā)電收益及其凈成本，并在啟動凈成本的計算基礎(chǔ)上，結(jié)合啟動過程多耗時發(fā)電量損失與停機耗費，得出政策獎勵下的啟停經(jīng)濟損耗。

a）經(jīng)過計算，前灣電廠聯(lián)合循環(huán)機組熱態(tài)、熱溫態(tài)、冷溫態(tài)以及冷態(tài)啟動的直接凈成本分別為0.270 4、0.333 2、0.572 0、1.404 55萬元。

b） 前灣電廠聯(lián)合循環(huán)機組停機消耗費用為2.997 98萬元，根據(jù)《兩個原則》得出前灣電廠每啟停一次的政策獎勵為2.028 0萬元，得出熱態(tài)、熱溫態(tài)、冷溫態(tài)以及冷態(tài)啟動的收益損耗分別為4.699 2，7.095 8，9.558 6，14.124 7萬元。

c）由計算可知，冷態(tài)啟動的收益損失要大大超出熱態(tài)啟動時的收益損失。對兩班制運行的聯(lián)合循環(huán)機組，應(yīng)合理安排各機組的啟停，盡量減少各機組的冷態(tài)啟動，以降低啟停成本。

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Economy Study on Start-up and Shut Down of M 701F Gas-steam Combined Cycle Unit

ZHOU Jianguang1,CHEN Zicong1,CHEN Limei2

（1.Shenzhen Guangqian Electric Power Company Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518054,China; 2.Schoolof Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong 510640,China）

To improve the competitivenessofpower plants,an economic computationmodule isestablished based on Qianwan LNG Power PlantM701Fgas-steam combined cycle toanalyzeeconomic lossesduringunitstart-up and shutdown.Therearedifferentstatesat thestart-up processsuch as thermalstate,thermalstablestate,cold stablestateand cold state.Economic indexessuch asgas consumption, power consumption,steam consumption andwater consumption under differentstatesat thestart-up processare calculated.As the generating income at the start-up process is calculated,thenetcostof the start-up process is figured out.Generalexpensescaused by shut down and start-up time delay are calculated based on start-up netcost,and economic consumption on unit'sstart-up orshutdown are worked out.Then,a complete economy analysismodule isestablished,which contributes to power plantsof the same type.

M701Fgas-steam combined cycle;modeling;economy

F407.6

A

1671-0320（2016）06-0048-05

廣東省能源清潔高效利用重點實驗室（2013A061401005）

2016-07-12，

2016-09-23

周見廣（1979），男，江西上饒人，2004年畢業(yè)于上海交通大學(xué)動力渦輪機械專業(yè)，工程師，從事燃機電廠運行技術(shù)管理工作；

陳子聰（1989），男，廣東陽春人，2011年畢業(yè)于上海電力學(xué)院熱能與動力工程專業(yè)，助理工程師，從事電廠運行維護工作；

陳麗梅（1993），女，廣東潮州人，2016年畢業(yè)于華南理工大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)，主要研究方向為高效低污染