9E級燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)研究與工程應(yīng)用

郝洪亮 ，孫國斌，劉 軍，朱鴻飛，嚴(yán)志遠(yuǎn)，張 濤，楊根生

(1. 國家能源集團(tuán)國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，南京 210033；2. 天津華電福源熱電有限公司，天津 301700)

燃?xì)廨啓C(jī)的運行情況容易受到外部氣溫、濕度等的影響，同時，由于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的精密性和軸流式葉輪機(jī)械的設(shè)備特性[1-3]，燃?xì)廨啓C(jī)的運行效率對于運行負(fù)荷十分敏感。如圖1所示，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于部分負(fù)荷時，熱耗率相對設(shè)計滿負(fù)荷時大大上升，尤其是在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷不足設(shè)計負(fù)荷70%時，熱耗率上升7%以上[4-6]。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率與熱耗率關(guān)系圖

目前，我國燃?xì)廨啓C(jī)電廠主要承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰功能，一般情況下電廠根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)功率，很難保證燃?xì)廨啓C(jī)的滿負(fù)荷運行。另外，由于近年火電裝機(jī)容量不斷增加，但是外部電力需求增長放緩，導(dǎo)致火電利用小時數(shù)減少。而天然氣發(fā)電年利用小時數(shù)相比同期煤電平均利用小時低2 000小時以上，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)長期在部分負(fù)荷區(qū)間工作，大大降低了系統(tǒng)的運行效率，造成能源的極大浪費[7-10]。

針對燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組部分負(fù)荷效率降低的問題，國內(nèi)外主機(jī)廠家均有一定的研究，主要采用的解決方法是增加IGV機(jī)構(gòu)、改善葉型、改進(jìn)燃燒方式等[3]。而國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)側(cè)重于輔助系統(tǒng)及底循環(huán)的優(yōu)化研究，例如華北電力大學(xué)張國強(qiáng)等對聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷排氣被壓進(jìn)行優(yōu)化，提高部分負(fù)荷效率；厲劍梁對聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了研究[11-12]。國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究所主要針對進(jìn)氣加熱技術(shù)進(jìn)行了研究，通過調(diào)節(jié)部分負(fù)荷燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度，優(yōu)化聯(lián)合循環(huán)機(jī)組部分負(fù)荷運行效率。相對于國外主機(jī)廠家的提效技術(shù)，進(jìn)氣加熱系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)改造更加靈活，且技術(shù)完全自主。本文從技術(shù)研究和工程應(yīng)用角度驗證燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)的應(yīng)用有效性，為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電行業(yè)部分負(fù)荷運行優(yōu)化提供案例參考。

1 技術(shù)研究

本文以國內(nèi)掌握制造技術(shù)最成熟的GE公司PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對象，對進(jìn)氣加熱提效技術(shù)進(jìn)行研究。聯(lián)合循環(huán)設(shè)備組成包括：GE公司生產(chǎn)的PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī);燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)采用QFW-136-2型無刷勵磁空冷同步發(fā)電機(jī)；余熱鍋爐采用Q1193.7/544.7-192.3(35.6)-5.84(0.43)/521(217)型雙壓無補(bǔ)燃、懸吊臥式、正壓運行、自然循環(huán)鍋爐，鍋爐采用室外布置；汽輪機(jī)設(shè)備采用LCZ60-5.8/0.48/0.4型次高壓、單缸、雙壓、無再熱、下排汽、單軸、抽凝式機(jī)組;汽輪發(fā)電機(jī)采用QFJ-60-2-10.5 空冷發(fā)電機(jī)。整套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用一拖一、多軸式方式。

1.1 運行數(shù)據(jù)分析

分析機(jī)組冬季與夏季的實際運行數(shù)據(jù)，通過比較相同燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷條件下，分析不同進(jìn)氣溫度對燃?xì)廨啓C(jī)性能影響。如表1所示，選取燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷相同時的夏季、冬季工況實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于部分負(fù)荷定負(fù)荷工況時，隨著燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度(即環(huán)境溫度)的升高，IGV角度相應(yīng)變大，燃?xì)廨啓C(jī)效率有不同幅度的提高。

表1 夏季與冬季燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷性能數(shù)據(jù)分析表

表2中選取了相同聯(lián)合循環(huán)工況下的實際運行數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)可以看到：當(dāng)機(jī)組處于55%和80%負(fù)荷時，進(jìn)氣溫度升高會使得燃?xì)廨啓C(jī)效率和機(jī)組發(fā)電效率有不同幅度的提升。

表2 夏季與冬季聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷性能數(shù)據(jù)分析表

1.2 仿真計算分析

從運行數(shù)據(jù)分析中可以發(fā)現(xiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度的變化對于機(jī)組部分負(fù)荷工況具有明顯的改善效應(yīng)。為了進(jìn)一步研究進(jìn)氣溫度與機(jī)組變化效率的關(guān)系，本文通過Thermoflex軟件建立仿真模型對燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)進(jìn)一步分析研究，機(jī)組熱力系統(tǒng)建模如圖2所示。主要系統(tǒng)參數(shù)見表3。

表3 主要系統(tǒng)參數(shù)

圖2 PG9171E燃?xì)獍l(fā)電聯(lián)合循環(huán)仿真模型熱力系統(tǒng)示意圖

本節(jié)仿真分析計算的外部條件為：環(huán)境溫度為12.5 ℃、大氣濕度為61%。機(jī)組采用定負(fù)荷運行，通過改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)入口空氣溫度從12.5 ℃到45 ℃變化，計算電廠效率、燃?xì)廨啓C(jī)效率的變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 電廠效率隨進(jìn)氣溫度變化曲線

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)效率隨進(jìn)氣溫度變化曲線

從計算結(jié)果分析，在定負(fù)荷運行情況下，電廠效率隨燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣溫度的升高而逐漸提升。以運行負(fù)荷130 MW為例進(jìn)行說明，燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣溫度為45 ℃時，電廠效率為49.47%，比設(shè)計點的電廠效率提高1.71個百分點，即熱耗降低181 kJ/(kW·h)。一定運行負(fù)荷下，電廠效率和燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣溫度的關(guān)系近似線性關(guān)系，如運行負(fù)荷130 MW時，進(jìn)氣溫度從12.5 ℃提高到20 ℃，電廠效率提高約0.28%，熱耗降低43 kJ/(kW·h)，電廠效率/進(jìn)氣溫升約為0.037%/℃、電廠熱耗/進(jìn)氣溫升約為5.7 kJ/(kW·h·℃)。

2 應(yīng)用研究

2.1 熱源選取

燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)工程應(yīng)用首先要選擇合適的進(jìn)氣加熱熱源。目前，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱技術(shù)常見熱源有壓氣機(jī)排氣、鍋爐余熱、電加熱等。其中，壓氣機(jī)排氣加熱一般用于燃?xì)廨啓C(jī)自帶進(jìn)氣防冰系統(tǒng)或IBH系統(tǒng)。通過抽取少量300～400 ℃的壓氣機(jī)末級排氣與壓氣機(jī)入口空氣混合，提高燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣溫度。這一技術(shù)路線會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組高負(fù)荷時負(fù)荷下降，同時由于該熱源為系統(tǒng)高品位熱源，會導(dǎo)致機(jī)組整體運行經(jīng)濟(jì)性下降。另外，電加熱耗能較大，布置在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過濾器前部存在一定的安全隱患。因此，這兩種熱源均不適合用于燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)。如表3所示，從系統(tǒng)收益等方面綜合考慮，選取余熱鍋爐熱水作為進(jìn)氣加熱熱源是較為合適的一種技術(shù)路線。

表3 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱熱源經(jīng)濟(jì)性分析

2.2 換熱器阻力影響

采用余熱鍋爐熱水作為熱源的燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)在工程實施過程中需要在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置一組空氣加熱換熱器。該裝置的增加會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)阻力有一定的上升。根據(jù)9E級燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量和進(jìn)氣加熱溫升的不同，換熱器進(jìn)氣阻力也會有所不同，一般換熱器最大設(shè)計阻力不大于300 Pa。

本文以1.2節(jié)仿真模型為基礎(chǔ)，研究了BaseLoad工況下，進(jìn)氣壓損從0 Pa增加到2 100 Pa過程中，電廠/燃?xì)廨啓C(jī)效率和電廠/燃?xì)廨啓C(jī)功率的變化曲線。從圖5可以看出，進(jìn)氣壓損的變化對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響大于對電廠效率的影響。如進(jìn)氣壓損增加2 100 Pa過程中，電廠效率降低0.095%、燃?xì)廨啓C(jī)效率降低0.28%。表4列出了進(jìn)氣壓損每增加100 Pa對機(jī)組的影響，可以看出，其影響非常小。當(dāng)機(jī)組處于部分負(fù)荷時，燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣量會有一定下降，換熱器壓損會進(jìn)一步降低。因此，換熱器壓損對于機(jī)組的性能影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其帶來的技術(shù)收益。

表4 BaseLoad工況下進(jìn)氣壓損對機(jī)組性能影響分析表

圖5 BaseLoad工況下進(jìn)氣壓損對機(jī)組性能影響

3 工程應(yīng)用

結(jié)合上述技術(shù)探索與應(yīng)用研究，本技術(shù)在北方某9E級燃?xì)鉄犭姀S進(jìn)行了工程應(yīng)用。應(yīng)用電廠燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組為PG9171E，進(jìn)氣系統(tǒng)采用高位布置，燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐均為室外布置。本次工程應(yīng)用的燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)以電廠余熱鍋爐尾部煙氣余熱為熱源，通過尾部煙氣-水換熱器制得65 ℃的熱水，對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣進(jìn)行加熱，最大可將燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣溫度提高20 ℃。進(jìn)氣加熱系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，共由7個模塊組成，單個模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效系統(tǒng)換熱模塊

本技術(shù)示范應(yīng)用項目于2018年7月完成系統(tǒng)改造施工，經(jīng)試驗驗證，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)效率在120 MW負(fù)荷(60%負(fù)荷)時，本技術(shù)投運后能夠提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率0.75%。按照進(jìn)氣加熱系統(tǒng)年實際運行小時數(shù)4 000 h(電廠機(jī)組年實際運行小時數(shù)大于6 000 h)，天然氣價格2.11元/m3計算，年節(jié)省燃料費350萬元以上。本技術(shù)在9E級機(jī)組上實施改造的總體費用約為1 000萬元(根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)布置情況及現(xiàn)場條件有20%左右差異)，靜態(tài)投資收益期不超過3年，具有客觀的節(jié)能提效潛力和應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

1) 通過對9E燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組實際運行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)機(jī)組處于不同部分負(fù)荷工況時燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度提升能夠不同程度地提高燃?xì)廨啓C(jī)及機(jī)組整體運行效率。

2) 通過仿真分析計算，當(dāng)9E燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組處于110～180 MW的部分負(fù)荷工況時，采用進(jìn)氣加熱方式能夠顯著提升聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率。

3) 燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)工程應(yīng)用中宜采用余熱鍋爐熱水作為加熱熱源。同時需在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一套換熱器裝置。經(jīng)過計算分析，換熱器阻力對于機(jī)組運行影響很小。

4) 通過對燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷進(jìn)氣加熱提效技術(shù)示范應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用效果。在聯(lián)合循環(huán)120 MW負(fù)荷(60%負(fù)荷)時，能夠提高機(jī)組發(fā)電效率0.75%，年節(jié)省燃料費350萬元以上，靜態(tài)投資收益期不超過3年，具有極強(qiáng)的技術(shù)推廣價值。