9E燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)幾種大流量供熱方案的經(jīng)濟(jì)性分析

周 揚(yáng)，侯 飛，王雪飛

(蘇州工業(yè)園區(qū)藍(lán)天燃?xì)鉄犭娪邢薰?，江蘇 蘇州 215126)

某燃?xì)廨啓C(jī)電廠配置2臺S109E聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，采用GE公司制造的PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，自2005年建成開始投入商業(yè)運(yùn)行，以天然氣為燃料，承擔(dān)所在地工業(yè)園區(qū)的所有工業(yè)和商業(yè)供熱。燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)能源利用率高，調(diào)峰能力強(qiáng)，具有明顯的環(huán)境指標(biāo)和土地利用優(yōu)勢[1]。文中闡述了該廠為滿足大幅增長的供熱量需求提出的幾種改造方案，通過分析對比，選擇最優(yōu)方案，既保障運(yùn)行發(fā)電成本及供熱成本，又保障機(jī)組運(yùn)行安全。

1 基本情況

電廠規(guī)模為2×180 MW 9E型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，配置2臺120 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，2臺218 t/h雙壓余熱鍋爐，2臺60 MW抽汽式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，配備額定主蒸汽流量60 t/h的減溫減壓裝置(鍋爐直供熱裝置)，供熱母管最大流量限制為300 t/h。詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)如表1所示[2]。目前電廠實(shí)際單套9E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組最大抽汽供熱能力為130 t/ h[3]，而用熱企業(yè)的用熱量持續(xù)快速增長。目前抽汽供熱量已經(jīng)達(dá)到128 t/h左右。計(jì)劃2019年冬季供熱峰值會達(dá)到260 t/ h，低谷供熱量約為160 t/ h，且未來還有增長空間。供熱缺口最大達(dá)到130 t/h，因此2套9E型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組(最大供熱量為250 t/h)將全部投入運(yùn)行，全廠無供熱備用鍋爐，正常的檢修消缺工作難以進(jìn)行。為保證供熱的穩(wěn)定，保證熱用戶的安全生產(chǎn)，需通過運(yùn)行方式調(diào)整或技術(shù)改造的方式來增加單套機(jī)組的供熱能力。與此同時(shí)還需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，由于天然氣價(jià)格分計(jì)劃量價(jià)格和增量價(jià)格兩種，超過計(jì)劃量的天然氣需支付增量價(jià)格，增量價(jià)格約比計(jì)劃量價(jià)格貴1元/m3，以目前上網(wǎng)電價(jià)發(fā)電將會虧本。而供熱高峰所在的冬季，為保證北方用暖，電廠天然氣計(jì)劃量均較少，不能滿足兩臺燃?xì)廨啓C(jī)連續(xù)供熱運(yùn)行，綜合考慮這些因素，特研究以下幾種供熱方案。

2 幾種供熱方案

可采用的供熱方式有以下幾種。

(1) 兩套機(jī)組抽汽并列供熱

此種工況運(yùn)行時(shí)，兩臺汽輪機(jī)并列抽氣供熱量250 t/h，汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷約32 MW，與純凝工況相比，影響汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷28 MW。該方案優(yōu)勢在于聯(lián)合循環(huán)熱效率高，并且沒有改造升級費(fèi)用。但兩臺機(jī)組連續(xù)運(yùn)行缺少備用機(jī)組，運(yùn)行方式無法調(diào)整，正常的檢修消缺工作難以進(jìn)行。而且此方案天然氣需求量較大，使用增量氣價(jià)格高。

(2) 抽汽供熱+減溫減壓

此種工況運(yùn)行時(shí)，減溫減壓裝置額定主蒸汽流量60 t/h，添加減溫水6 t/h；汽輪機(jī)進(jìn)汽130 t/h，低壓補(bǔ)汽30 t/h；汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷約25 MW，汽輪機(jī)抽汽供熱量約70 t/h，供熱母管添加減溫水10 t/h，單套機(jī)組總供熱能力約150 t/h，與純凝工況相比，影響汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷40 MW。該方案優(yōu)勢在于可以利用現(xiàn)有的減溫減壓裝置，沒有改造升級費(fèi)用。

(3) 抽汽供熱+射流增壓

此種工況運(yùn)行時(shí)，射流增壓裝置消耗主蒸汽流量為70 t/h，低壓補(bǔ)汽30 t/h；汽輪機(jī)進(jìn)汽120 t/h，汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷約20 MW，汽輪機(jī)抽汽供熱量約60 t/h，供熱母管添加減溫水10 t/h，總供熱量可達(dá)170 t/h，與純凝工況相比，影響汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷40 MW。該方案優(yōu)勢在于可以完全利用低壓補(bǔ)氣，但射流增壓裝置運(yùn)行噪聲較大，操作也較為繁瑣。

(4) 抽汽供熱+射流增壓+減溫減壓

此種工況運(yùn)行時(shí)，射流增壓裝置消耗主蒸汽流量為70 t/h，補(bǔ)汽30 t/h；汽輪機(jī)維持抽汽供熱需要消耗主蒸汽約100 t/h，此時(shí)再投用20 t/h的減溫減壓裝置，其經(jīng)濟(jì)性與安全性明顯得不到保證，所以不做分析。

(5) 減溫減壓+汽輪機(jī)解列

此種工況運(yùn)行時(shí)，主蒸汽190 t/h直接通過改造過后的減溫減壓裝置向外供熱，供熱母管添加減溫水20 t/h，汽輪發(fā)電機(jī)解列，供熱量明顯增加，總供熱量可達(dá)210 t/h。但汽輪發(fā)電機(jī)解列帶來了調(diào)節(jié)問題，運(yùn)行中只能通過高壓旁路泄壓或降低燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)供熱壓力，造成熱能浪費(fèi)，為冷凝主蒸汽也將消耗更多冷卻水和廠用電，影響熱效率。同時(shí)由于現(xiàn)在大部分燃?xì)廨啓C(jī)均進(jìn)行了低氮排放改造[4]，調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷時(shí)，在燃燒模式切換點(diǎn)不能停留，并且在低負(fù)荷燃燒模式運(yùn)行時(shí)(非預(yù)混燃燒模式)，氮氧化物和二氧化硫排放超標(biāo)，這限制了燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍并帶來環(huán)保和安全成本。雖然該問題可通過增加燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱裝置(IBH)擴(kuò)大預(yù)混燃燒模式負(fù)荷范圍[5]，但改造費(fèi)用高昂，成本回收周期較長。同時(shí)扣除廠用蒸汽，仍有25 t/h(0.4 MPa，254 ℃)的低壓補(bǔ)汽無法利用，直排凝汽器，同樣帶來熱效率和安全問題。

(6) 減溫減壓+射流增壓+汽輪機(jī)解列

此種工況運(yùn)行時(shí)，射流增壓裝置消耗主蒸汽流量為70 t/h，補(bǔ)汽30 t/h；改造減溫減壓裝置，將其額定主蒸汽流量提升至120 t/h，供熱母管減溫水20 t/h，總供熱量為240 t/h。該方案同樣有汽輪發(fā)電機(jī)解列帶來的調(diào)節(jié)問題(參考方案5)，但射流增壓裝置解決了低壓補(bǔ)氣無法利用的問題，熱效率和安全性均較方案5高。

(7) 抽汽供熱+燃?xì)忮仩t

此種工況運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)抽汽供熱130 t/h，供熱上限受制于燃?xì)忮仩t供熱量及供熱母管流量，擬建設(shè)單臺供熱能力為80 t/h的燃?xì)忮仩t，天然氣消耗量為6 108.47 m3/h，這樣單臺燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)總供熱能力約210 t/h，雖然達(dá)不到峰值時(shí)的供熱要求，但在低谷時(shí)段可以輔助供熱。燃?xì)忮仩t啟停方便快捷，產(chǎn)汽量調(diào)整較快，生產(chǎn)相同數(shù)量和質(zhì)量蒸汽所需天然氣量較少，可以較好地解決增量天然氣價(jià)格貴的問題。

3 供熱成本經(jīng)濟(jì)性分析

按照上述幾種供熱方案，供熱成本將主要由四部分組成：供熱減少發(fā)電量，因供熱增加的調(diào)度考核費(fèi)用，射流增壓裝置、減溫減壓裝置、燃?xì)忮仩t的建設(shè)費(fèi)用以及燃?xì)忮仩t的天然氣費(fèi)用，公式如下。

供熱成本=(調(diào)度考核費(fèi)用+供熱減少發(fā)電量×電價(jià)+分?jǐn)傇O(shè)備建設(shè)費(fèi)用+燃?xì)忮仩t的天然氣費(fèi)用)÷ 24 h供熱量。

調(diào)度考核費(fèi)用主要是調(diào)差能力考核和AGC調(diào)節(jié)范圍考核[6]。

調(diào)差能力考核：10 萬千瓦以上機(jī)組，包括燃煤、供熱燃?xì)?、核電機(jī)組基本調(diào)差能力必須達(dá)到額定容量的100%至50%，達(dá)不到要求的運(yùn)行機(jī)組按每超過1 萬千瓦每天考核1 500 元。由于需要維持大流量抽汽供熱及供熱壓力，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組需要維持滿負(fù)荷運(yùn)行，調(diào)差能力為0。調(diào)差考核為180×0.5×1 500/10=13 500元/天。

AGC調(diào)節(jié)范圍考核：AGC 機(jī)組的可調(diào)范圍必須達(dá)到額定容量的45%，達(dá)不到要求的運(yùn)行機(jī)組按每超過1 萬千瓦每天考核400 元。但已進(jìn)行調(diào)差能力考核的，不進(jìn)行重復(fù)考核。由于調(diào)差能力要求范圍比AGC調(diào)節(jié)范圍大，所以AGC調(diào)節(jié)范圍考核為0元。

經(jīng)招標(biāo)了解到的設(shè)備建設(shè)費(fèi)用：射流增壓裝置約100萬元，減溫減壓裝置約100萬元，燃?xì)忮仩t(1臺)約為1 850萬元，設(shè)計(jì)使用年限均為15年(靜態(tài)投資價(jià)格水平為2019年5月)。

成本核算中規(guī)定低壓補(bǔ)汽將影響機(jī)組發(fā)電負(fù)荷約0.5 MW·h，主蒸汽將影響發(fā)電負(fù)荷60 MW·h，上網(wǎng)電價(jià)按0.5元/kW·h計(jì)，天然氣價(jià)格均按照2.5元/m3計(jì)，不考慮天然氣使用量對天然氣價(jià)格的影響，由于每噸除鹽水的成本是一樣的，故除鹽水費(fèi)用忽略不計(jì)，供熱量按照額定供熱能力連續(xù)穩(wěn)定供熱計(jì)算，不考慮供熱量調(diào)整帶來的影響，具體經(jīng)濟(jì)性比較分析如表2所示。

表2 供熱成本經(jīng)濟(jì)性分析

4 注意事項(xiàng)

無論是哪種供熱方式，除了單套機(jī)組抽汽供熱外，其余均會存在兩個(gè)供熱源并列供熱的情況。實(shí)際嘗試中發(fā)現(xiàn)，雖然兩個(gè)供熱源在物理上并沒有存在直接連接，但是兩個(gè)供熱源的機(jī)械振動(dòng)均會較單獨(dú)運(yùn)行時(shí)上漲，例如在兩套機(jī)組抽汽并列供熱方式中，兩臺汽輪機(jī)振動(dòng)幅度均上漲了10 μm左右，分析可能是由于供熱汽流擾動(dòng)或壓力擾動(dòng)引起。由于供熱流量和壓力的變化，汽流擾動(dòng)或壓力擾動(dòng)隨時(shí)存在，故此情況無可避免。

同時(shí)由于這些擾動(dòng)的存在，需要隨時(shí)調(diào)節(jié)供熱流量與壓力。特別是汽輪機(jī)解列供熱的機(jī)組，需要通過高壓旁路泄壓或調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷來調(diào)節(jié)熱網(wǎng)參數(shù)，目前的控制系統(tǒng)均未能做到自動(dòng)控制，人員配置要求及調(diào)整強(qiáng)度較高。

在并列供熱的設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)，也存在一定的安全隱患，由于汽輪機(jī)抽汽參數(shù)、減溫減壓器出汽參數(shù)、射流增壓裝置出汽參數(shù)和燃?xì)忮仩t產(chǎn)汽參數(shù)均需要單獨(dú)調(diào)整，因此可能由于壓力不均衡產(chǎn)生憋壓。例如在實(shí)際運(yùn)行中，曾發(fā)生汽輪機(jī)抽汽壓力過高，造成燃?xì)忮仩t出口憋壓，雖然由于設(shè)置有逆止閥未產(chǎn)生倒灌現(xiàn)象，但燃?xì)忮仩t鍋筒壓力持續(xù)上升，達(dá)到保護(hù)定值自動(dòng)熄火。超壓對于任何壓力容器都是極為危險(xiǎn)的，嚴(yán)重時(shí)對設(shè)備管道、壓力容器造成永久性損傷。因此在任一設(shè)備投入并列運(yùn)行時(shí)，均需要密切注意，此時(shí)的工況較為復(fù)雜，設(shè)備的振動(dòng)上漲情況也最明顯。因此，在運(yùn)行中應(yīng)盡量減少并列供熱設(shè)備的數(shù)量。

5 供熱運(yùn)行方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較

供熱運(yùn)行方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。

表3 機(jī)組運(yùn)行方式及安全性比較

6 結(jié)語

由于供熱季節(jié)性和時(shí)段性很強(qiáng)，年度供熱峰值一般在冬季氣溫低時(shí)，每天的供熱峰值一般在08:00—17:00的工作時(shí)間段，而且峰值和低谷之間相差很大，根據(jù)實(shí)際經(jīng)營情況，最后選擇了供熱高峰兩臺機(jī)組運(yùn)行抽汽供熱+燃?xì)忮仩t，低谷時(shí)間段單臺機(jī)組運(yùn)行抽汽供熱+燃?xì)忮仩t的供熱方案。若供熱量低于150 t/h，由于減溫減壓器供熱成本較燃?xì)忮仩t低，則執(zhí)行抽汽供熱+減溫減壓方案。該供熱方式可調(diào)節(jié)性很強(qiáng)，同時(shí)安全可靠，供熱低谷時(shí)利用成本較低的抽汽和減溫減壓器供熱，不足時(shí)投入燃?xì)忮仩t增加供熱量，在進(jìn)一步考慮到增量天然氣價(jià)格后，由于燃?xì)忮仩t生產(chǎn)相同數(shù)量和質(zhì)量的蒸汽所需天然氣量較少，其經(jīng)濟(jì)性也有所提升。希望本文對于同類型機(jī)組的電廠有借鑒作用。