燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱期調(diào)峰能力研究進展

王 坤張 利張應田王梓越李國豪屈 斌

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院 天津 300384 2天津市電力科技發(fā)展有限公司 天津 300384）

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱期調(diào)峰能力研究進展

王 坤1張 利1張應田2王梓越1李國豪1屈 斌1

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院 天津 300384 2天津市電力科技發(fā)展有限公司 天津 300384）

近年來，受到節(jié)能減排、空氣污染控制等環(huán)保要求的影響，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在我國電力裝機中所占的比例逐年增加。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有熱效率高、三廢排放少、占地面積小、水資源消耗少、運行維護方便和啟動快等優(yōu)點。本文首先總結(jié)了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組調(diào)峰能力的研究現(xiàn)狀，針對機組供熱運行模式多樣和啟動速度快兩方面進行了詳細的介紹。然后，基于國內(nèi)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的應用現(xiàn)狀，提出聯(lián)合循環(huán)機組在供熱期電網(wǎng)調(diào)峰的研究方向，對聯(lián)合循環(huán)機組的供熱調(diào)峰性能進行優(yōu)化。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組；供熱；運行模式；調(diào)峰

1 前言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，熱負荷需求不斷增長，大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)是滿足熱負荷需求，提高能源綜合利用效率和環(huán)保水平的重要舉措。近年來，受到節(jié)能減排、空氣污染控制等環(huán)保要求的影響，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組在我國電力裝機中所占的比例逐年增加。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有熱效率高、三廢排放少、占地面積小、水資源消耗少、運行維護方便和啟動快等優(yōu)點。特別是在北方地區(qū)，采暖需求量大且集中、空氣質(zhì)量要求嚴格，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組的這些優(yōu)勢表現(xiàn)的更為顯著。

以往為保證聯(lián)合循環(huán)機組供熱和穩(wěn)定運行，一定比例的燃機聯(lián)合循環(huán)供熱機組按“以熱定電”方式運行，無法參與系統(tǒng)調(diào)峰。在電網(wǎng)峰谷差日益加大、供熱裝機容量所占比重日益提高的情況下，整個電網(wǎng)的調(diào)峰能力受到越來越大的制約。以天津電網(wǎng)為例，2014年天津電網(wǎng)平均峰谷差率達到29.04%，受惡劣天氣的影響造成日負荷劇烈變化、冬季供熱對機組出力調(diào)節(jié)范圍明顯限制、日益凸顯的風電反調(diào)峰問題等諸多因素對電網(wǎng)的調(diào)峰運行造成極大困難。因此，通過對供熱機組不同供熱工況下調(diào)峰能力進行研究，對電網(wǎng)和熱網(wǎng)更好的協(xié)調(diào)調(diào)控有著重要的意義。

2 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組及熱電聯(lián)產(chǎn)簡介

燃氣輪機是一種以氣體作為工質(zhì)、內(nèi)燃、連續(xù)回轉(zhuǎn)的、葉輪式熱能動力機械，它主要由壓氣機、燃燒室和燃氣透平三大部件和其他輔助系統(tǒng)設備組成，常用的燃氣輪機的發(fā)電效率為45-52%之間。然后，采用高溫燃機循環(huán)與發(fā)電系統(tǒng)常用的郎肯循環(huán)聯(lián)合的方式，將燃氣輪機高溫排氣引入余熱鍋爐，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組對外發(fā)電，形成燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，提高了機組的熱效率，目前最大容量的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的熱效率可以達到60%[1]。

根據(jù)燃氣輪機的出力劃分：B級燃氣輪機出力小于等于100MW；E級燃氣輪機出力介于100MW-200MW之間；F級燃氣輪機出力介于200MW-300MW之間；而更高等級的G級和H級則在300MW-400MW之間。目前，國內(nèi)應用較多的為E級和F級燃氣輪機組，例如在天津地區(qū)，天津陳塘熱電有限公司配置M701F4型F級燃氣輪機、華能臨港（天津）燃氣熱電有限公司配置PG9371FB03型F級燃氣輪機和天津華電福源熱電有限公司配置PG9171E型E級燃氣輪機。通常，E級機組運行方式多為“一拖一”運行，即一臺燃氣輪機帶動一臺蒸汽輪機運行，而F級機組的運行有“一拖一”和“二拖一”兩種模式，如果機組配有SSS離合器的話，每種模式又有背壓和冷凝兩種運行方式，可見聯(lián)合循環(huán)機組的運行方式靈活多變，適用于不同的需求。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組就是在原有機組的基礎(chǔ)上，在汽機側(cè)設有抽汽口，抽取適當?shù)恼羝焚|(zhì)相對較低的蒸汽，用于對外供應蒸汽或者供應熱水，從而實現(xiàn)燃氣機組熱電聯(lián)產(chǎn)運行方式，使熱效率進一步提高。

3 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱調(diào)峰研究現(xiàn)狀

由于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的總裝機容量占總發(fā)電容量的比例逐年增加，大量聯(lián)合循環(huán)機組的接入直接影響了電網(wǎng)調(diào)峰的運行安全。因此，研究并網(wǎng)運行的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的運行特性，了解機組并網(wǎng)運行時的供熱、調(diào)峰特性，分析影響燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組最大、最小技術(shù)出力的主要因素，研究聯(lián)合循環(huán)機組供熱對調(diào)峰性能影響的規(guī)律，對確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。近年來，許多學者就聯(lián)合循環(huán)機組的供熱調(diào)峰特性展開了廣泛的研究。

不同于傳統(tǒng)的燃煤機組，從聯(lián)合循環(huán)機組的運行特點可知，它具有靈活多變的運行方式，以裝有SSS離合器F級聯(lián)合循環(huán)機組為例，由于F級機組的運行通常有“一拖一”和“二拖一”兩種模式，并且SSS離合器可以使汽輪機在背壓和冷凝兩種運行方式下運行，這樣就可以得到聯(lián)合循環(huán)機組具有四種供熱運行模式，這對供熱期的電網(wǎng)調(diào)峰也提供了更多的選擇。吳華[1]以北京太陽宮燃氣熱電廠的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為研究對象，基于現(xiàn)場實際運行參數(shù)，通過比例法和焓值法計算了聯(lián)合循環(huán)機組在抽凝工況“一拖一”和“二拖一”運行模式下的供熱調(diào)峰熱電曲線，為北京市未來聯(lián)合循環(huán)機組的供熱調(diào)峰提供了參考。劉慧珍等[2]同樣以北京電網(wǎng)某F級聯(lián)合循環(huán)機組為例，先通過試驗確定了背壓工況下聯(lián)合循環(huán)機組在“一拖一”和“二拖一”運行模式下的熱電曲線，并以此為基礎(chǔ)通過建立抽凝工況下的機組群負荷和供熱量的數(shù)學模型，得到了聯(lián)合循環(huán)機組的供熱性能和調(diào)峰性能。結(jié)果表明，在抽凝模式下，隨著供熱量的增大，機組群的最大負荷與最小負荷只差越來越小，聯(lián)合循環(huán)機組的調(diào)峰能力變差。

聯(lián)合循環(huán)機組除了在運行方式多樣方面對供熱期調(diào)峰有較大的影響外，它的啟停性能也對電網(wǎng)調(diào)峰有一定的影響。趙冬雯等[3]研究了京津唐電網(wǎng)一套F級現(xiàn)役聯(lián)合循環(huán)機組參與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性，首先分析了該機組啟動時間和機組深度調(diào)峰特性，然后根據(jù)機組啟停調(diào)峰的實際情況，探討了聯(lián)合循環(huán)機組參與電網(wǎng)調(diào)峰的方式。趙楊等[4]針對北京電網(wǎng)峰谷差日益增大的現(xiàn)狀，研究了聯(lián)合循環(huán)機組的實際啟動時間以及煙氣旁路對機組快速啟動性能的影響，結(jié)果表明，聯(lián)合循環(huán)機組啟停時間段，增大了處理調(diào)節(jié)范圍，在極端條件下，無煙氣旁路的聯(lián)合循環(huán)機組可按簡單循環(huán)啟動應對調(diào)峰緊急需求。

4 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱調(diào)峰研究方向

通過以上的總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)由于聯(lián)合循環(huán)機組在在我國電力裝機中所占的比例日益增加，關(guān)于其供熱調(diào)峰可能性的研究越來越多，主要集中在北方地區(qū)。然而，這些研究基本處于初步研究的階段，研究內(nèi)容多為基礎(chǔ)性的內(nèi)容，還沒有形成系統(tǒng)的研究方法和行業(yè)標準。因此，本文基于國內(nèi)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的應用現(xiàn)狀，提出以下幾點關(guān)于聯(lián)合循環(huán)機組在供熱期電網(wǎng)調(diào)峰的研究方向，對聯(lián)合循環(huán)機組的供熱期調(diào)峰性能進行優(yōu)化。

（1）研究燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在多種供熱運行模式下的調(diào)峰能力特性及模型。聯(lián)合循環(huán)機組由于運行模式多樣，對供熱期的調(diào)峰也提供了更多的選擇，總結(jié)每種運行模式下的供熱期調(diào)峰能力特性，利用設計參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)和數(shù)學模型得到每種運行模式下的供熱期調(diào)峰能力模型是十分必要的。

（2）研究單套機組和廠級機組多種供熱運行模式下的調(diào)峰能力綜合分析方法。在供熱期電廠實際運行過程中，一般有兩個條件的限制：熱網(wǎng)調(diào)度限制熱負荷和電網(wǎng)調(diào)度限制電負荷。結(jié)合這兩個限制和得到的每種運行模式下的供熱調(diào)峰模型，討論單套機組和廠級機組在多種供熱運行模式下的調(diào)峰能力綜合分析方法，可以適用于電廠的各種運行情況，為電網(wǎng)調(diào)度提供更大的負荷調(diào)控空間。

（3）結(jié)合電廠的效益，優(yōu)化建立的調(diào)峰能力綜合分析方法，得到經(jīng)濟效益最優(yōu)的供熱調(diào)峰能力模型。在調(diào)峰過程中，在固定供熱量的不同模式下，機組具有不同的負荷，如果考慮機組的效率和發(fā)電負荷的限制，使電廠在滿足供熱和供電負荷的前提下得到最高的機組效率，即得到最高的效益。

[1]吳華.燃氣熱電廠供熱調(diào)峰的運行優(yōu)化研究 [D].華北電力大學,2012.

[2]劉慧珍,李明憶,周作春等.F級燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱性能分析[J].汽輪機技術(shù),2013,55(6):423-426.

[3]趙冬雯,栗向鑫,張碩等.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組參與電網(wǎng)調(diào)峰可行性研究[J].發(fā)電技術(shù).2014,17(6):60-64.

[4]趙楊,沙立成,雷一鳴等.北京電網(wǎng)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組調(diào)峰運行特性[J].華北電力技術(shù).2015,2:60-65.

王坤（1990-），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向熱經(jīng)濟計算與節(jié)能。