燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組停機間隔時間分析

蘆利生

（中海海南發(fā)電有限公司，海南 洋浦 578201）

0　前言

某廠裝設有兩套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，單套容量220MW，其中燃氣輪機容量140MW，蒸汽輪機容量80MW。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組和常規(guī)燃煤電廠機組相比，具有啟?？臁⒄{(diào)峰能力強等特點。然而目前該區(qū)域電網(wǎng)機組裝機容量出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，電網(wǎng)負荷低谷時，只能保證燃氣電廠一套組用于調(diào)峰運行，即每天一套機組早上開機、晚上停機，而另一套機組當天一直處于備用狀態(tài)，這樣就產(chǎn)生了一個問題，每天應該選擇哪一套機組運行，備用機組停機間隔時間多久才算合適。

1　情況介紹

某廠兩套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組：一套機組是GT11+ST13機組，這套機組之前一直帶基本負荷，運行時間多，運行當量小時已達98000小時；另一套機組是GT12+ST14機組，這套機組一直調(diào)峰運行，運行時間少，但啟機次數(shù)多，啟機次數(shù)已達2900次。西門子規(guī)定：該型號機組的壽命周期是運行當量小時達100000小時或啟機次數(shù)達3000次，也是說如果機組達到這兩個條件任何一條，必須進行延壽大修處理。

由于冷態(tài)啟機影響機組的經(jīng)濟效率，電網(wǎng)會對電廠進行一定的經(jīng)濟補償費用，具體規(guī)定是：停機冷備用機組額定容量與冷備用時間的乘積，按照2.5（元/兆瓦時）的標準補償。冷備用時間為火力發(fā)電機組解列至再次并網(wǎng)的時間減去72小時。也就是如果機組備用時間超出3天后中調(diào)會給一定的補償費用，時間越長補償費用越多。

2　提出問題

公司決定兩個月后準備對GT11+ST13機組進行延壽大修，因而目前考慮主要的問題是GT12+ST14機組啟機次數(shù)差100次就達到3000次的壽命周期了，所以應該減少GT12+ST14機組的啟機次數(shù)。那么如果單從經(jīng)濟方面考慮，GT12+ST14機組間隔多久啟一次才算合適？

圖1　中調(diào)補償費用和啟機經(jīng)濟性示意圖

中調(diào)的冷備用補償費用是停機備用時間越長補償費用越多。但備用時間不能超過7天，因為如果超過7天，機組停機前必須進行鍋爐保養(yǎng)。此外，停機備用時間長短對下次機組啟動時有影響的。機組啟機過程是經(jīng)濟性最差的時候，因為啟機時需要消耗一定量的天然氣燃料，然而此時機組帶的負荷是很低的。停機備用時間短，中調(diào)的冷備用補償費用少，但機組啟動快，啟機過程經(jīng)濟性好；停機備用時間長，中調(diào)的冷備用補償費用多，可是啟機過程經(jīng)濟性差了。在中調(diào)的冷備用補償費用和機組啟機過程經(jīng)濟性這兩者之間必定存在一個臨界值（如圖1）。如果通過各項數(shù)據(jù)能計算出這個臨界值，就能確定GT12+ST14機組的停機間隔時間。這也就解決了“單從經(jīng)濟方面考慮，GT12+ST14機組間隔多久啟一次才算合適？”這一問題。

3　分析問題

中調(diào)的冷備用時間是按機組解列和機組下次并網(wǎng)的時間差值來計算，而冷備用補償費用是冷備用時間乘以機組容量再乘以2.5，這樣就可以得出具體的冷備用補償費用，非常明確。

3.1　啟機過程節(jié)點的選擇

啟機開始節(jié)點的選擇：燃氣輪機組啟機開始節(jié)點的選擇爭議不大，以燃氣輪機并網(wǎng)發(fā)電這一時間點作為啟機開始節(jié)點。

啟機結(jié)束節(jié)點的選擇：啟機過程的結(jié)束節(jié)點的選擇存在爭議，因為蒸汽輪機要達到正常加載負荷要求參數(shù)比較多，對脹差值、左右缸脹值、軸向位移都有要求，只有這些條件達到允許值時，燃氣輪機才能繼續(xù)加負荷，才算啟機過程結(jié)束。正常情況下燃氣輪機負荷達到60MW后，蒸汽輪機的各項參數(shù)已經(jīng)在正常范圍內(nèi)了。最后經(jīng)過綜合對比分析，決定將燃氣輪機負荷到60MW這一時間點作為啟機結(jié)束節(jié)點。

3.2　啟機經(jīng)濟性的影響因素

燃氣輪機啟機經(jīng)濟性的影響因素：由于燃氣輪機的自動化程度比較高，一般情況下燃氣輪機由程序自動控制依次完成停盤車、升速、定速、并網(wǎng)、切換廠用電、帶初始負荷的啟機全過程，每次啟機在這一環(huán)節(jié)差別不大，可以忽略不計。此外還有壓氣機、燃燒室、透平的裝置效率，環(huán)境溫度對燃氣輪機效率的影響，這些影響因素短時間內(nèi)相對較小，為了使問題簡單化和具有可計算性，以上影響因素均可忽略不計。我們只考慮燃氣輪機在啟機開始節(jié)點到結(jié)束節(jié)點所產(chǎn)生的發(fā)電量和消耗的天然氣，再將發(fā)電量、天然氣折算成費用，在加上中調(diào)冷備用補償費用進行比較。

蒸汽輪機啟機經(jīng)濟性的影響因素：蒸汽輪機自動化程度低，啟機過程的操作都是手動操作，由于人員操作存在差異，在汽機步驟的時間也略有不同，當然也有一些人為不可控因素，如蒸汽管道疏水時間的長短要根據(jù)具體情況決定，但相對蒸汽輪機的冷態(tài)、熱態(tài)而言，這種差異較小，可以忽略不計。我們只考慮蒸汽輪機并網(wǎng)至啟機結(jié)束節(jié)點這段時間內(nèi)的發(fā)電量，當然這段時間燃氣輪機加負荷要根據(jù)蒸汽輪機的脹差值、左右缸脹值來決定加負荷的快慢，最終將燃氣輪機負荷加到60MW，即完成燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的整個啟機過程。

圖2　停機間隔時間與蒸汽輪機高壓內(nèi)缸金屬溫度關(guān)系

3.3　停機間隔時間對機組啟機的影響

雖然停機間隔時間對燃氣輪機啟機基本沒有影響，但燃氣輪機加負荷是受蒸汽輪機啟機影響的，蒸汽輪機脹差值、左右缸脹值不允許時，燃氣輪機不能隨意加負荷，也就是說蒸汽輪機的啟機時間越長，燃氣輪機負荷加到60MW所需的時間就越長。查詢歷史參數(shù)得出GT12+ST14機組停機間隔時間與蒸汽輪機高壓內(nèi)缸金屬溫度的關(guān)系（如圖2）。

所以停機間隔時間對蒸汽輪機的影響較大，主要是因為停機間隔時間的長短對蒸汽輪機高壓內(nèi)缸金屬溫度的影響，而高壓內(nèi)缸金屬溫度又是決定蒸汽輪機冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)的參數(shù)，也就是說決定蒸汽輪機啟機過程的長短（如表 1）。

表1　內(nèi)缸溫度、啟機狀態(tài)、啟機時間三者關(guān)系

4　解決問題

根據(jù)停機間隔時間分別對燃氣輪機在啟機開始節(jié)點到結(jié)束節(jié)點所消耗的天然氣量、發(fā)電量以及蒸汽輪機的發(fā)電量、還有在此期間從中調(diào)所獲得的冷備用補償費用，目前用的天然氣是 LNG，單價是 2.2元/m3，電價按0.6元/kW·h計算，最后得出了合計費用，然后根據(jù)各個數(shù)據(jù)繪制出了圖3，清楚的得到了停機間隔時間與下次啟機過程中合計虧損費用的走勢，便于合理安排GT12+ST14機組的停機間隔時間。

圖3　停機間隔時間與合計虧損費用關(guān)系

根據(jù)圖3得出以下結(jié)論：

（1）停機間隔時間在100-120小時出現(xiàn)最大合計虧損費用。

（2）停機間隔時間在 100-120小時后，由于基本都屬于冷態(tài)啟機，啟機過程已經(jīng)基本無差別，然而停機時間越往后中調(diào)冷備用補償費用是不斷增加的。

（3）GT12+ST14機組盡量避開停機后第 5天啟機，如果選擇第1-3天啟機，啟機總次數(shù)一年后會超出3000次，所以最佳選擇是第4天和第6天啟機。

5　結(jié)語

通過分析燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組停機間隔時間對機組經(jīng)濟性的影響，結(jié)合中調(diào)冷備用補償費用，找出了最大合計虧損費用所對應的停機間隔時間，對該廠GT12+ST14機組合理安排停機間隔時間具有一定的指導意義。

【參考文獻】

［1］焦樹健.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M].北京：中國電力出版社，2007：580-583.