燃?xì)怆姀S性能加熱器配置方案研究

鄭 昀，余建中，鄭 敏

(福建省電力勘測設(shè)計院，福建 福州 350003)

燃?xì)怆姀S性能加熱器配置方案研究

鄭 昀，余建中，鄭 敏

(福建省電力勘測設(shè)計院，福建 福州 350003)

介紹了燃?xì)怆姀S天然氣性能加熱器配置方案，通過GT-PRO軟件模擬，分析性能加熱器對機(jī)組熱耗、效率及出力的影響，并對是否設(shè)置性能加熱器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡單的比較。

燃?xì)怆姀S；性能加熱器；配置方案。

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電站是以天然氣等為主要燃料，其燃料價格對機(jī)組的運(yùn)營成本有重要的影響。由于燃料價格較高，且呈上漲趨勢，所以合理利用天然氣性能加熱器，正確選擇性能加熱器的熱源，提高燃?xì)廨啓C(jī)入口天然氣溫度，減少天然氣消耗量，從而達(dá)到整體提高燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的效率顯得尤為重要。

1 燃?xì)廨啓C(jī)入口對天然氣溫度的要求

目前國內(nèi)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)電站以F級的重型燃機(jī)為主，分別是上海電氣(西門子)的SGT5-4000F；東方電氣(三菱)的M701F3、M701F4；哈爾濱電氣(GE)的PG9351FA、PG9371FB。不同型號的燃機(jī)對入口天然氣溫度的要求也各不相同，詳見表1。

表1 燃機(jī)入口天然氣溫度要求

2 性能加熱器的型式

根據(jù)加熱熱源不同，天然氣性能加熱器型式主要有熱水加熱器、空/煙氣加熱器和電加熱器等。熱水加熱器的優(yōu)點(diǎn)是加熱穩(wěn)定，可調(diào)性好。熱水加熱器的形式有多種，主要采用管殼式，熱水的水源取自余熱鍋爐的中壓給水?？?煙氣加熱器的加熱介質(zhì)來自于燃機(jī)壓氣機(jī)的冷卻空氣或余熱鍋爐的尾部煙氣。電加熱器較少在實(shí)際工程中運(yùn)用，主要是其運(yùn)行安全性相對較低，且增大了電廠的廠用電率，節(jié)能效果不明顯。

3 性能加熱器及其加熱熱源的選擇

不同廠家不同型號燃機(jī)對入口天然氣溫度的要求不盡相同，在實(shí)際工程中是否在天然氣系統(tǒng)中設(shè)置性能加熱器及如何選擇性能加熱器的熱源也不盡相同。下面通過廠家提供的資料利用GT-PRO軟件進(jìn)行模擬，簡要介紹分析國內(nèi)幾個燃?xì)怆姀S的性能加熱器設(shè)置的情況，并以燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組年運(yùn)行2000 h、燃料(天然氣)價格取4200元/t、保證機(jī)組的年發(fā)電量相同等為主要條件，對天然氣系統(tǒng)性能加熱器的配置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

3.1 上海電氣(西門子)燃機(jī)

根據(jù)上海電氣(西門子)燃機(jī)入口天然氣的溫度要求，在實(shí)際的工程中，其天然氣系統(tǒng)既有設(shè)置性能加熱器，也有未設(shè)置性能加熱器的情況。

以蕭山電廠5號機(jī)為例，選取ISO工況下的邊界條件，通過GT-PRO軟件分別模擬機(jī)組設(shè)置性能加熱器(方案一)和未設(shè)置性能加熱器(方案二)，并根據(jù)熱平衡，分析性能加熱器對機(jī)組熱耗、效率及出力的影響。

燃機(jī)天然氣前置模塊由上海電氣電站集團(tuán)供貨。天然氣低位發(fā)熱量：47468 kJ/kg(環(huán)境溫度15℃、大氣壓力0.10135 MPa、大氣相對濕度60%)。

3.1.1 方案一 設(shè)置天然氣性能加熱器

天然氣系統(tǒng)中設(shè)置有性能加熱器，其加熱熱源采用余熱鍋爐中壓給水。

根據(jù)機(jī)組ISO條件下100%負(fù)荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側(cè)入口天然氣溫度為15℃、流量為54.34 t/h，經(jīng)過性能加熱器后，天然氣溫度上升至127.7℃進(jìn)入燃機(jī)。

(2)性能加熱器水側(cè)入口給水為144.4℃、流量為81 t/h，經(jīng)過性能加熱器后，其水側(cè)出口的溫度為104.4℃。

(3)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力為420762 kW，熱耗為6133 kJ/kWh，效率為58.7%。

3.1.2 方案二 未設(shè)置天然氣性能加熱器

天然氣系統(tǒng)中未設(shè)置有性能加熱器，根據(jù)機(jī)組ISO條件下100%負(fù)荷工況熱平衡，可得：

(1)燃機(jī)入口處天然氣溫度為15℃、流量為54.64 t/h。

(2)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力為421118 kW，熱耗為6162 kJ/kWh，效率為58.42%。

3.1.3 方案比較

根據(jù)GT-PRO軟件模擬的熱平衡，方案一與方案二的對比見表2。

表2 (西門子)燃機(jī)性能加熱器設(shè)置方案性能參數(shù)對比

從表2中可以看出，上海電氣(西門子) SCC5-4000F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，在機(jī)組100%的負(fù)荷條件下，天然氣系統(tǒng)設(shè)置性能加熱器較未設(shè)置性能加熱器，其機(jī)組出力減少了356 kW，熱耗減小29 kJ/kWh，效率提高0.28%。

3.1.4 經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)上述熱平衡數(shù)據(jù)，對上海電氣(西門子)SCC5-4000F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣系統(tǒng)性能加熱器的配置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

表3 (西門子)燃機(jī)性能加熱器設(shè)置方案經(jīng)濟(jì)性對比

由表3可見，上汽SCC5-4000F型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，天然氣系統(tǒng)設(shè)置性能加熱器的方案雖然初投資增加了510萬元，但是由于機(jī)組效率提高，每年可節(jié)省燃料費(fèi)用213.2萬元，3年內(nèi)就可以收回初投資。

3.2 東方電氣(三菱)燃機(jī)

根據(jù)東方電氣(三菱)燃機(jī)入口天然氣的溫度要求，在實(shí)際的工程中，其天然氣系統(tǒng)一般都設(shè)置有性能加熱器，但其加熱熱源有兩種，分別是壓氣機(jī)引出的轉(zhuǎn)子冷卻空氣、余熱鍋爐的中壓給水。

以大唐紹興電廠為例，選其ISO工況下的邊界條件，通過GT-PRO軟件分別模擬機(jī)組未設(shè)置性能加熱器(方案一)、設(shè)置空氣性能加熱器(方案二)和設(shè)置熱水性能加熱器(方案三)，并根據(jù)熱平衡，分析性能加熱器對機(jī)組熱耗、效率及出力的影響。

天然氣TCA和FGH模塊由東方電氣股份有限公司配供。天然氣低位發(fā)熱量：47971 kJ/kg (環(huán)境溫度15℃、大氣壓力0.10135 MPa、大氣相對濕度60%)。

3.2.1 方案一 未設(shè)置天然氣性能加熱器

天然氣系統(tǒng)中未設(shè)置有性能加熱器，根據(jù)機(jī)組ISO條件下100%負(fù)荷工況熱平衡，可得：

(1)未設(shè)置性能加熱器，燃機(jī)入口處天然氣溫度為15℃、流量為60.1 t/h。

(2)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗為6192 kJ/kWh，效率為58.14%，出力為465843 kW。

3.2.2 方案二 設(shè)置空氣性能加熱器

天然氣系統(tǒng)中設(shè)置有性能加熱器，其加熱熱源采用壓氣機(jī)引出的轉(zhuǎn)子冷卻空氣。

根據(jù)機(jī)組ISO條件下100%負(fù)荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側(cè)入口天然氣溫度為15℃、流量為59.52 t/h，經(jīng)過性能加熱器后，天然氣溫度上升至200℃進(jìn)入燃機(jī)。

(2)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力為465594 kW，熱耗為6135 kJ/kWh，效率為58.68%。

3.2.3 方案三 設(shè)置熱水性能加熱器

天然氣系統(tǒng)中設(shè)置有性能加熱器，其加熱熱源采用余熱鍋爐中壓給水。

根據(jù)機(jī)組ISO條件下100%負(fù)荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側(cè)入口天然氣溫度為15℃、流量為59.52 t/h，經(jīng)過性能加熱器后，天然氣溫度上升至200℃進(jìn)入燃機(jī)。

(2)性能加熱器水側(cè)入口給水為247.6℃、流量為32.21 t/h，經(jīng)過性能加熱器后，其水側(cè)出口的溫度為60℃。

(3)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力為472457 kW，熱耗為6046 kJ/kWh，效率為59.54%。

表6 (三菱)燃機(jī)性能加熱器設(shè)置方案經(jīng)濟(jì)性對比

3.2.4 方案比較

根據(jù)GT-PRO軟件模擬的熱平衡，方案一、方案二和方案三的對比見表4。

表4 (三菱)燃機(jī)性能加熱器設(shè)置方案性能參數(shù)對比

由表4可知，東方電氣(三菱)M701F4燃機(jī)組成的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，在機(jī)組100%的負(fù)荷條件下，天然氣系統(tǒng)設(shè)置以中壓給水為加熱熱源的性能加熱器比未設(shè)置性能加熱器，其機(jī)組出力增加6614 kW，熱耗減小146 kJ/kWh，效率提高1.4%；比以壓縮空氣為加熱熱源，其機(jī)組出力增加6863 kW，熱耗減小89 kJ/kWh，效率提高0.86%。

3.2.5 經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)上述熱平衡數(shù)據(jù)，對東方電氣(三菱) M701F4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣系統(tǒng)性能加熱器的配置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，見表5、表6。

表5 (三菱)燃機(jī)性能加熱器設(shè)置方案經(jīng)濟(jì)性對比

由表5可知，東方M701F4型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，天然氣系統(tǒng)設(shè)置性能加熱器，加熱熱源為中壓給水的方案與壓縮空氣的方案相比較，雖然初投資增加了650萬元，但是由于機(jī)組效率提高，每年可節(jié)省燃料費(fèi)用737萬元，1年內(nèi)就可以收回初投資。

由表6可知，東方M701F4型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，天然氣系統(tǒng)設(shè)置以中壓給水為加熱熱源的性能加熱器方案與未設(shè)置性能加熱器的方案，雖然初投資增加了1150萬元，但是由于機(jī)組效率提高，每年可節(jié)省燃料費(fèi)用1204萬元，1年內(nèi)就可以收回初投資。

3.3 哈爾濱電氣(GE)燃機(jī)

根據(jù)哈爾濱電氣(GE)入口天然氣的溫度要求，在實(shí)際的工程中，其天然氣系統(tǒng)一般都設(shè)置有性能加熱器。

以晉江燃?xì)怆姀S為例，選其ISO工況下的邊界條件，通過GT-PRO軟件分別模擬機(jī)組設(shè)置性能加熱器(方案一)和未設(shè)置性能加熱器(方案二)，并根據(jù)熱平衡，分析性能加熱器對機(jī)組熱耗、效率及出力的影響。

燃機(jī)天然氣前置模塊由哈爾濱動力設(shè)備股份有限公司供貨。天然氣低位發(fā)熱量：49509 kJ/kg(環(huán)境溫度15℃、大氣壓力0.10135 MPa、大氣相對濕度60%)。

3.3.1 方案一 設(shè)置天然氣性能加熱器

天然氣系統(tǒng)中設(shè)置有性能加熱器，其加熱熱源選擇余熱鍋爐中壓給水。

根據(jù)機(jī)組ISO條件下100%負(fù)荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側(cè)入口天然氣溫度為15℃、流量為49.73 t/h，經(jīng)過性能加熱器后，天然氣溫度上升至185℃進(jìn)入燃機(jī)；

(2)性能加熱器水側(cè)入口給水為220℃、流量為24.54 t/h，經(jīng)過性能加熱器后，其水側(cè)出口的溫度為54.8℃；

(3)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力為395288 kW，熱耗為6232 kJ/kWh，效率為57.77%。

3.3.2 方案二 未設(shè)置天然氣性能加熱器

天然氣系統(tǒng)中未設(shè)置有性能加熱器，根據(jù)機(jī)組ISO條件下100%負(fù)荷工況熱平衡，可得：

(1)未設(shè)置性能加熱器，燃機(jī)入口處天然氣溫度為15℃、流量為50.17 t/h。

(2)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力為396816 kW，熱耗為6262 kJ/kWh，效率為57.49%。

3.3.3 方案比較

根據(jù)GT-PRO軟件模擬的熱平衡，方案一和方案二的對比見表7。

表7 (GE)燃機(jī)性能加熱器設(shè)置方案性能參數(shù)對比

由表7由可知，哈爾濱電氣(GE) STAG109FASS聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，在機(jī)組100%的負(fù)荷條件下，天然氣系統(tǒng)設(shè)置性能加熱器較未設(shè)置性能加熱器，其機(jī)組出力減少了1528 kW，熱耗減小30 kJ/kWh，效率提高0.28%。

3.3.4 經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)上述熱平衡數(shù)據(jù)，對哈爾濱電氣(GE) STAG109FASS聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣系統(tǒng)性能加熱器的配置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，見表8。

表8 (GE)燃機(jī)性能加熱器設(shè)置方案經(jīng)濟(jì)性對比

由表8可知，哈汽STAG109FASS型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，天然氣系統(tǒng)設(shè)置性能加熱器的方案雖然初投資增加了450萬元，但是由于機(jī)組效率提高，每年可節(jié)省燃料費(fèi)用207.3萬元，3年內(nèi)就可以收回初投資。

4 結(jié)語

通過以上分析比較可知，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的天然氣系統(tǒng)設(shè)置性能加熱器時，雖然增加了設(shè)備的初投資，但可有效的減少機(jī)組熱耗，提高機(jī)組的運(yùn)行效率。面對日益增長的天然氣價格，性能加熱器對燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的作用就顯得更為突出。

在燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電廠中，天然氣系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)之一，它關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，合理選擇天然氣性能加熱器，優(yōu)化加熱系統(tǒng)的配置，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到最大程度的節(jié)能降耗。

[1] 華浩磊．燃?xì)廨啓C(jī)天然氣系統(tǒng)配置方案的探討[J]．發(fā)電設(shè)備，2010，(4)．

The Configuration Scheme of the Performance Heater in the Gas Power Plant

ZHENG Yun, YU Jian Zhong, ZHENG Min
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fujian 350003, China)

The configuration scheme of the performance heater in the gas power plant was introduced. And the influences of the performance heater on the unit heat consumption, efficiency and output were analysed by the simulation of the GT-PRO software. Also the economical performance to set up the performance heater was compared simply.

gas power plant; performance heater; configuration scheme.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0038-04

2015-04-29

鄭昀(1983- )，男，福建仙游人，工程師，主要從事發(fā)電廠熱機(jī)專業(yè)設(shè)計工作。