燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能效指標(biāo)修正及對標(biāo)管理

朱亞迪，李琛，謝大幸，徐婷婷

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州310030；2.湖北華電武昌熱電有限公司，武漢430061）

0 引言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組因高效、環(huán)保、靈活等優(yōu)勢在我國電力系統(tǒng)中的裝機(jī)容量逐步增加，截至2017 年年底，國內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)75.70 GW［1］，根據(jù)國家有關(guān)規(guī)劃，“十三五”期間，我國燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量將增加50.00 GW［2］。近年來，國家對發(fā)電機(jī)組的節(jié)能減排要求越來越嚴(yán)格，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電企業(yè)也越來越重視機(jī)組的節(jié)能管理工作。

能效指標(biāo)對標(biāo)作為一種實用、有效的節(jié)能管理方法，在我國高耗能企業(yè)節(jié)能管理工作中應(yīng)用比較廣泛［3］。相較于燃煤發(fā)電企業(yè)，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電行業(yè)的能效指標(biāo)對標(biāo)工作仍存在一定的差距，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、方法和規(guī)范仍有所欠缺［4-6］，主要原因如下:（1）我國燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用比較晚，對應(yīng)的能效指標(biāo)體系、邊界因素的修正分析不夠完善，無法有效指導(dǎo)能效指標(biāo)對標(biāo)工作的開展；（2）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組技術(shù)門類比較多，國內(nèi)主流的有GE、西門子和三菱公司的E 級、F 級燃?xì)廨啓C(jī)，裝機(jī)形式包括一拖一、二拖一等，運行方式包括連續(xù)運行、晝夜啟停、供熱和純凝等，導(dǎo)致影響燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組能效指標(biāo)的邊界因素較多，需要深入分析和研究。

關(guān)于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運行特性的分析，國內(nèi)研究人員在理論分析和仿真建模等方面做了大量的研究工作。祖航等［7］針對GE 公司6F 型機(jī)組，分析不同環(huán)境溫度和燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率對其運行特性的影響；李志鑫［8］針對9FA 單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，根據(jù)運行數(shù)據(jù)分析環(huán)境因素、老化以及運行方式對機(jī)組運行特性的影響；吳強(qiáng)等［9］對9E 型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組調(diào)峰運行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性進(jìn)行了分析；何青等［10］針對SGT-4000F 機(jī)型，從熱力學(xué)第一、第二定律出發(fā)，對機(jī)組的供熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入分析；許可等［11］利用Ebsilon 仿真技術(shù)，對三菱M701F4 型燃?xì)夤釞C(jī)組的供熱特性進(jìn)行了分析研究。在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對標(biāo)管理研究方面，國內(nèi)一些發(fā)電企業(yè)主要從生產(chǎn)管理制度、流程等角度進(jìn)行了研究和分析［12-13］。

本文將建立燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組能效指標(biāo)對標(biāo)管理體系，采用仿真計算、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等技術(shù)手段，明確影響對標(biāo)公平性、合理性的邊界因素的修正方法，為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電企業(yè)的能效指標(biāo)對標(biāo)工作奠定基礎(chǔ)。

1 能效指標(biāo)對標(biāo)體系的建立

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能效指標(biāo)較多，在對標(biāo)時應(yīng)選擇反映機(jī)組能源利用狀況和能耗水平、主機(jī)系統(tǒng)能耗水平以及主要系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備運行狀況的指標(biāo)，根據(jù)以上原則建立三級能效指標(biāo)對標(biāo)體系。

第1層級指標(biāo)為供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗，反映燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的整體能耗水平；第2 層級指標(biāo)應(yīng)包括發(fā)電廠用電率、燃?xì)廨啓C(jī)效率、汽輪機(jī)熱耗、余熱鍋爐效率等直接影響供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的能耗指標(biāo)；第3層級指標(biāo)應(yīng)包括輔機(jī)耗電率、燃?xì)廨啓C(jī)運行指標(biāo)、汽輪機(jī)運行指標(biāo)、凝汽器真空度、余熱鍋爐運行指標(biāo)等直接影響第2層級指標(biāo)的能耗指標(biāo)。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能效指標(biāo)對標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能效指標(biāo)對標(biāo)體系Fig.1 Benchmarking system of energy efficiency indicators for gas turbine units

2 能效對標(biāo)邊界因素修正

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運行特性比較復(fù)雜，受環(huán)境溫度的影響較大，運行方式包括調(diào)峰運行、連續(xù)運行，同時還有供熱和純凝之分，機(jī)組所面臨的客觀邊界因素眾多，對能效指標(biāo)對標(biāo)的公平性和合理性產(chǎn)生較大影響，因此，必須通過深入的技術(shù)分析消除這些邊界因素的影響。本文將采用仿真計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法建立相關(guān)因素對供電氣耗的修正計算模型。

2.1 環(huán)境溫度修正

環(huán)境溫度對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的影響可分為3 個方面:環(huán)境溫度變化對燃?xì)廨啓C(jī)的出力和效率產(chǎn)生影響；環(huán)境溫度變化對燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響余熱鍋爐蒸汽參數(shù)，最終對汽輪機(jī)出力和效率產(chǎn)生影響；環(huán)境溫度變化對冷卻水溫度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致凝汽器真空度變化，進(jìn)而影響汽輪機(jī)出力和效率［14］。這3個方面的影響存在很強(qiáng)的耦合性，傳統(tǒng)的熱力計算方法難以確定環(huán)境溫度對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組發(fā)電氣耗的綜合影響，本文采用熱力學(xué)仿真軟件進(jìn)行變工況計算分析。

利 用 Thermoflow 分 別 建 立 GE 公 司 的PG7171E、PG9351FA，西門子公司的SGT-2000E、SGT-4000F 以及三菱公司的M701F4 等國內(nèi)主流機(jī)型的熱力學(xué)仿真計算模型，以ISO 工況（大氣溫度為15 ℃、大氣壓力為101.3 kPa、相對濕度為60%）為基準(zhǔn)進(jìn)行不同環(huán)境溫度下的變工況計算，得到的供電氣耗修正系數(shù)見表1。

從表1 可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度在-4～8 ℃，10～22 ℃，22～40 ℃范圍內(nèi)時修正系數(shù)相差較小，因此，環(huán)境溫度對各容量等級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)氣耗的修正系數(shù)S1如下。

F級機(jī)組

E級機(jī)組

表1 不同環(huán)境溫度下不同機(jī)型供電氣耗修正系數(shù)Tab.1 Correction coefficients for power supply gas consumption of different models at different ambient temperatures

式中:K1為春秋季（10～22 ℃）發(fā)電量占年度總發(fā)電量的比重；K2為夏季（≥22 ℃）發(fā)電量占年度總發(fā)電量的比重；K3為冬季（≤10 ℃）發(fā)電量占年度總發(fā)電量的比重。

一般情況下，春秋季指3，4，5，10，11月；夏季指6，7，8，9月；冬季指1，2，12月。

2.2 燃料成分修正

燃料成分的變化將會影響燃?xì)馔钙健簹鈾C(jī)的運行性能，進(jìn)而影響燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)的運行性能［15］。我國天然氣氣源多樣，包括川氣、西氣以及不同國家進(jìn)口的管道氣和液化天然氣（LNG）等，由于其成分有很大不同，造成機(jī)組運行特性存在不可調(diào)控的差異，因此在能效指標(biāo)對標(biāo)過程中必須考慮燃料成分影響產(chǎn)生的差異。

統(tǒng)計不同設(shè)備廠家提供的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組性能修正曲線，獲得不同機(jī)型不同碳?xì)滟|(zhì)量比（mC/mH）下，燃料低位熱值QLHV（kJ/kg）與聯(lián)合循環(huán)熱耗修正系數(shù)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、制圖、圖表分析、曲線擬合，得出E 級和F 級機(jī)組燃料成分的修正系數(shù)S2，見表2。

表2 天然氣成分對供電氣耗的影響系數(shù)Tab.2 Influence coefficient of power supply gas consumption affected by natural gas composition

2.3 負(fù)荷率修正

燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常參與電網(wǎng)調(diào)峰，負(fù)荷率的變動會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)運行特性發(fā)生變化，燃?xì)廨啓C(jī)排氣參數(shù)發(fā)生波動，進(jìn)而影響聯(lián)合循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性能，因此，負(fù)荷率是影響能效指標(biāo)對標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。

采用對機(jī)組運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的方法獲取負(fù)荷率修正系數(shù)S3的計算模型，所選取的數(shù)據(jù)包括16 臺F 級發(fā)電機(jī)組和12 臺E 級燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，時間范圍為2015—2017年，最終的近似擬合曲線如圖2所示。

由統(tǒng)計結(jié)果可以看出:當(dāng)負(fù)荷率≤0.75 時，F(xiàn) 級機(jī)組修正系數(shù)的函數(shù)為N-0.17（N為機(jī)組負(fù)荷率），E級機(jī)組修正系數(shù)的函數(shù)為N-0.18；當(dāng)負(fù)荷率＞0.75時，F(xiàn) 級機(jī)組修正系數(shù)的函數(shù)為N-0.05，E 級機(jī)組修正系數(shù)的函數(shù)為N-0.07。

圖2 負(fù)荷率對供電氣耗的影響Fig.2 Power supply gas consumption affected by the load rate

2.4 機(jī)組啟停機(jī)次數(shù)修正

為滿足電網(wǎng)負(fù)荷需求，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組啟停比較頻繁，尤其在長三角和珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，電網(wǎng)晝夜負(fù)荷偏差較大，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組經(jīng)常會出現(xiàn)晝啟夜停的情況。頻繁的啟停不僅影響機(jī)組的安全性和可靠性，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性也會造成較大的影響［16］。

啟動次數(shù)主要通過影響機(jī)組發(fā)電廠用電率來影響供電氣耗，因此，首先應(yīng)確定啟動次數(shù)對廠用電率的影響，其修正系數(shù)同樣是通過對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析來確定的。將啟動次數(shù)與廠用電率數(shù)據(jù)擬合出圖3 所示的曲線，可得到廠用電率修正關(guān)系。

（1）400 MW級機(jī)組

式中:y為發(fā)電廠用電率；x為1 000 h內(nèi)的啟動次數(shù)；ξ為基礎(chǔ)發(fā)電廠用電率。

得出修正偏差為5.7×n÷t/100（n為統(tǒng)計期啟動次數(shù)；t為統(tǒng)計期等效利用小時數(shù)）。

（2）200 MW級機(jī)組

可得出修正偏差為6.2×n÷t/100。

通過統(tǒng)計分析，廠用電率每增加1百分點，機(jī)組供電氣耗增加1%，從而可以得出啟動次數(shù)對供電氣耗的修正系數(shù)S4。

圖3 啟動次數(shù)與廠用電率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between the number of startups and the power consumption rate

400 MW級機(jī)組

200 MW及以下機(jī)組

2.5 供熱修正

供熱修正系數(shù)S5的計算方法參照燃煤機(jī)組供熱修正系數(shù)計算方法。

式中:Rpi為機(jī)組全年平時均熱電數(shù)據(jù)比值；Cpi為不同抽汽壓力供熱的供電煤耗調(diào)整系數(shù)，用下列公式計算（pi為供熱抽汽平均壓力）

2.6 冷卻方式修正

國內(nèi)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組冷端系統(tǒng)冷卻方式包括直流冷卻和循環(huán)冷卻，其中循環(huán)冷卻包括自然通風(fēng)塔冷卻和機(jī)械通風(fēng)塔冷卻2 種方式，冷卻方式主要影響機(jī)組廠用電率，冷卻方式影響系數(shù)S6見表3。

表3 冷卻方式修正系數(shù)S6Tab.3 Correction coefficient of cooling methods

通過分析各邊界因素對機(jī)組供電氣耗的影響，可得出供電氣耗的修正量

式中:gxz為供電氣耗修正值，m3/（kW·h）；g為供電氣耗完成值，m3/（kW·h）。

3 廠級能效指標(biāo)對標(biāo)管理系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)所建立的能效指標(biāo)對標(biāo)體系，在某E 級燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)數(shù)字一體化管控平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)了廠級能效指標(biāo)對標(biāo)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了以下功能:綜合能效指標(biāo)和關(guān)鍵運行小指標(biāo)縱向?qū)?biāo)及分析；綜合能效指標(biāo)和運行小指標(biāo)的橫向及縱向?qū)?biāo)。

3.1 能效指標(biāo)縱向?qū)?biāo)及分析

能效指標(biāo)縱向?qū)?biāo)涉及的指標(biāo)包括全廠及單元機(jī)組的發(fā)/供電量、廠用電率、發(fā)/供電煤耗、負(fù)荷率等綜合性能指標(biāo)和單元機(jī)組高壓主蒸汽溫度、真空度、凝汽器端差、6 kV輔機(jī)耗電率等運行小指標(biāo)。

對于全廠指標(biāo)，分析與計劃值和同期值的偏差以及偏差產(chǎn)生的原因。如某月供電煤耗與前一年同期相比下降了18.09 g/（kW·h），通過計算分析可得出:第1 臺套機(jī)組的運行導(dǎo)致供電煤耗降低了86.57 g/（kW·h），第2 臺套機(jī)組的運行導(dǎo)致供電煤耗升高了68.80 g/（kW·h）。

對于單元機(jī)組運行小指標(biāo)，分析每臺套機(jī)組供電煤耗與計劃值和同期值的偏差以及偏差產(chǎn)生的原因。如某臺套機(jī)組與前一年同期相比，供電煤耗升高了28.00 g/（kW·h），其中燃?xì)廨啓C(jī)熱效率降低導(dǎo)致煤耗升高了13.57 g/（kW·h），汽輪機(jī)熱效率對供電煤耗的影響為10.85 g/（kW·h）。

3.2 能效綜合指標(biāo)和運行小指標(biāo)的橫向及縱向?qū)?biāo)

根據(jù)圖1 所示的能效指標(biāo)對標(biāo)體系，以柱狀圖的形式進(jìn)行綜合指標(biāo)和小指標(biāo)的橫向及縱向?qū)?biāo)，如圖4所示。

圖4 綜合指標(biāo)和小指標(biāo)橫向及縱向?qū)?biāo)Fig.4 Horizontal and vertical benchmarking of comprehensive indicators and small indicators

4 結(jié)束語

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能效指標(biāo)對標(biāo)管理是發(fā)電企業(yè)尋找差距、找出自身問題的關(guān)鍵技術(shù)手段。本文根據(jù)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的設(shè)備特征及熱力學(xué)機(jī)理，建立了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能效對標(biāo)指標(biāo)體系，使得指標(biāo)對標(biāo)層次分明；通過對不同廠家、不同形式機(jī)組的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和熱力學(xué)仿真，研究了對供電氣耗影響較大的邊界因素，建立了各邊界因素對供電氣耗影響修正系數(shù)計算模型；在某E 級燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)數(shù)字一體化平臺的基礎(chǔ)上，建立了燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)能效指標(biāo)對標(biāo)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對標(biāo)管理工作的信息化，可為同類型機(jī)組的對標(biāo)管理提供參考。