國際小型聯(lián)合循環(huán)電站項目系統(tǒng)設計和性能優(yōu)化研究

張如意，蔡喜冬，李漢臣，李平波，蔣志武

國際小型聯(lián)合循環(huán)電站項目系統(tǒng)設計和性能優(yōu)化研究

張如意1，蔡喜冬2，李漢臣1，李平波1，蔣志武1

（1.中國能源建設集團東北電力第一工程有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

在日益復雜的工藝流程與嚴峻的經(jīng)濟形勢下，不同小型自備電站既要滿足各自不同耦合程度的熱負荷與電負荷，又要都實現(xiàn)清潔高效，因此合理選擇裝機方案，以滿足個性化的負荷需求是一項重要的工作?；谝酝椖拷?jīng)驗，從熱力系統(tǒng)設計和系統(tǒng)性能優(yōu)化兩個角度，深入探討某自備聯(lián)合循環(huán)電站的裝機方案，最終確定采用補燃式余熱鍋爐聯(lián)合機組，對于個性化特點明顯的電站如何確定裝機方案具有較強的技術借鑒意義。

自備電站；補燃；聯(lián)合循環(huán)；性能優(yōu)化

2002年中國加入世貿(mào)組織（WTO），接下來的十幾年里，中國境外非金融類直接投資和對外承包工程業(yè)務開始飛速發(fā)展，2019-01—2019-11，中國企業(yè)在“一帶一路”沿線的61個國家新簽對外承包工程項目合同6 055份，新簽合同額1 276.7億美元，占同期中國對外承包工程新簽合同額的61.2%，同比增長41.2%；完成營業(yè)額746.1億美元，占同期總額的55.3%，同比增長1.3%。從2010年至今的10年里，國內(nèi)電力工程市場持續(xù)萎縮，電力工程企業(yè)迅速開拓海外市場，并取得了諸多成績。

國際電力EPC工程業(yè)主來自各行業(yè)，對電負荷與熱負荷的的需求各不相同，因此較少采用國內(nèi)火力發(fā)電廠的典型設計理念，而是量體裁衣，既不過分追求機組出力余量又要保證指標一流造價便宜。在招標過程中，業(yè)主往往對核心主機設備的選型、系統(tǒng)配置沒有明確的要求，而是提出機組凈出力、供熱量、發(fā)電熱耗、機組可利用率等性能指標的最低要求。為了在競爭對手中脫穎而出，EPC承包商技術標核心的內(nèi)容就是，在規(guī)定時間內(nèi)完成機組的選型與系統(tǒng)的設計，并提出更好的性能指標。本文以某國際電力EPC工程開發(fā)為背景，闡述國際小型聯(lián)合循環(huán)電站項目的熱力系統(tǒng)設計和性能優(yōu)化。

1 項目背景和技術要求

項目位于溫帶某國海濱城市，為熱法海水淡化工廠的自備電廠，需同時考慮工藝流程的蒸汽需求和用電需求。本項目擬建設燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，以LNG為燃料。

業(yè)主對主機類型與數(shù)量無具體要求，僅以壽命周期內(nèi)機組的性能指標和項目的總體造價為評價指標擇優(yōu)選擇承包商。業(yè)主對標書的要求為，在溫度31 ℃、大氣壓1.01×105Pa、相對濕度63%的環(huán)境條件下，電站能提供71 t/h、0.55 MPa.a、156 ℃的蒸汽時，凈出力不低于64 MW，發(fā)電熱耗不高于 8 800 kJ/kWh。本項目當?shù)丨h(huán)境參數(shù)和LNG特性參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 項目廠址環(huán)境參數(shù)

序號項目數(shù)據(jù) 1平均氣壓/hPa1 016.8 2平均氣溫/℃12.3 3極端最高氣溫/℃41.1 4極端最低氣溫/℃﹣20.7 5平均相對濕度/（%）62 6海水冷卻溫度/℃20

表2 燃料熱值

序號項目數(shù)據(jù) 1LHV 25 ℃/低位熱值/（kJ·kg﹣1）49 958 2HHV 25 ℃/高位熱值/（kJ·kg﹣1）55 432

注：1.013 bar、25 ℃，低位發(fā)熱量32 820 kJ/m3。

2 項目熱力系統(tǒng)設計和優(yōu)化

2.1 熱力系統(tǒng)設計

根據(jù)項目的熱負荷需求與電負荷需求，擬在ISO出力范圍為30～60 MW的小型工業(yè)燃機進行選擇對比。目前該出力范圍內(nèi)可供選擇的燃機品牌有西門子、通用、普惠等，它們都大量應用于單循環(huán)發(fā)電與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目中。余熱鍋爐擬采用雙壓、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐。國內(nèi)多家知名余熱鍋爐廠家均有與此等級燃機配套的產(chǎn)品，如杭州鍋爐廠、無錫鍋爐廠、東方菱日鍋爐有限公司等。同時，考慮到蒸汽負荷波動幅度較大，汽輪機擬采用抽凝式機組，方便安全靈活運行。

基于項目周邊環(huán)境的現(xiàn)實條件，企業(yè)能便利地從網(wǎng)上購電來滿足生產(chǎn)需求，但無法從附近購買汽源，因此本工程還是應以供熱為主、發(fā)電為輔，還是優(yōu)先按照“以熱定電”原則規(guī)劃機組容量。綜合考慮蒸汽量和用電量的需求，基于經(jīng)驗初步估算，如選擇二拖一聯(lián)合循環(huán)模式，燃機ISO功率應在30 MW左右，如選擇一拖一聯(lián)合循環(huán)模式，燃機ISO功率應在50 MW左右。基于以上分析，采用以下兩種裝機方案進行初步熱力計算。

方案一：兩臺西門子燃氣輪機SGT700，配兩臺國產(chǎn)余熱鍋爐和一臺抽凝式國產(chǎn)汽輪機，即2×2×1（二拖一）方案。

方案二：一臺通用燃氣輪機6F.01，配一臺國產(chǎn)余熱鍋爐和一臺抽凝式國產(chǎn)汽輪機，即1×1×1（一拖一）方案。

經(jīng)設計院與燃機廠和汽機廠以及余熱鍋爐廠配合，兩種裝機方案的技術性能指標如表3所示。

表3 裝機方案參數(shù)對比分析

序號項目方案一方案二 1工業(yè)供熱負荷/（t·h﹣1）7157.2 2額定供熱工況全廠機組功率/MW70.83359.404 3燃機功率/MW2×27.96847.064 4汽機功率/MW14.89712.340 5額定供熱工況全廠熱效率/（%）72.0279.91 6燃機效率/（%）34.7436.87 7熱電比/（%）63.7771.72

通過上面計算結果可知，采用方案一即可以滿足用戶的熱負荷需求又可以滿足電負荷需求，而方案二的功率與目標值64 MW差約4.6 MW，供汽量與目標值71 t/h差約13.8 t/h。但是根據(jù)業(yè)主的熱負荷曲線與電負荷曲線，只是在極少的時間段需要同時滿足71 t/h與64 MW。由于二拖一方案成本遠高于一拖一方案成本，如果僅僅為了滿足極少數(shù)時段的尖峰熱電負荷而采用二拖一方案，將不可避免地浪費投資。同時，30 MW等級燃機的效率明顯比50 MW等級的要低，不綠色節(jié)能。因此，基于工程總投資與綜合效率兩方面，本工程優(yōu)選一拖一方案。

2.2 主機選型

對于一拖一方案50 MW等級燃機，除了通用6F.01可供選擇外，還有西門子SGT800。由于燃機的結構特點，無論是6F.01還是SGT800，無法同時滿足業(yè)主要求的供汽量和凈出力。但如果選擇容量高一檔的燃機，又過于浪費。為了解決該矛盾，本工程擬采用補燃式余熱鍋爐，以最小的成本投入來滿足業(yè)主的考核要求，且能保持良好的綜合效率。本文分別對6F.01和SGT800兩款燃機進行初步的聯(lián)合循環(huán)帶補燃性能計算，計算結果如表4所示。根據(jù)表4的初步計算可以看出：在同等外部條件下，一拖一方案燃機采用SGT800的全廠熱耗比6F.01低91 kJ/kWh，且凈出力高 0.824 MW，主要原因是SGT800的單機效率較高，原有聯(lián)合循環(huán)效率就比6F.01要好，且其單機功率較大，補燃量小，對系統(tǒng)的性能削弱較小。因此，本項目從滿足業(yè)主特定要求的角度來看，SGT800更加適合。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化

從理論上分析，聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率遠遠高于燃氣鍋爐的發(fā)電效率，因為聯(lián)合循環(huán)通過布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)的共同作用實現(xiàn)了能源的梯級利用。單純補燃在熱力系統(tǒng)的模型可等價于燃氣鍋爐，僅實現(xiàn)在朗肯循環(huán)層級上的能量利用，所以補燃將削弱全廠總效率。在熱力系統(tǒng)中，應盡量提升聯(lián)合循環(huán)的占比且降低補燃占比，才能優(yōu)化系統(tǒng)效率，因此補燃量的確定是研究的重點。

表4 聯(lián)合循環(huán)性能指標計算對比分析

序號項目6F.01SGT800備注 1燃機功率/kW47 06448 561 2汽機功率/kW21 70021 027 3毛功率/kW68 76469 588 4凈出力/kW66 70167 500廠用電率3% 5燃機效率/（%）36.8737.91 6全廠供電效率/（%）42.58443.573 7全廠供電熱耗/（kJ·kWh﹣1）8 4548 262 8可供蒸汽量/（t·h﹣1）7171 9全廠總熱耗/（kJ·kWh﹣1）5 0614 970

由于在表4的相關計算中，沒有對聯(lián)合循環(huán)的凈出力進行精確校準，因此在選定SGT800作為本項目的燃機主設備后需要聯(lián)合電力設計院、燃機廠、余熱鍋爐廠與汽機廠進行全廠綜合性能優(yōu)化與計算，尋找在業(yè)主指定熱電負荷需求下的最少補燃量。

為了能夠提高全廠效率，本文在工程投標過程中做出以下幾方面工作：①合理選擇全廠的輔助設備，減小不必要的裕量系數(shù)，避免選型過大造成廠用電浪費，將廠用電率由原來的3%優(yōu)化為2%；②不響應業(yè)主標書中分體式除氧器的要求，建議其修改為一體式除氧器，進一步提高系統(tǒng)效率； ③經(jīng)過多方多次計算的配合，將聯(lián)合循環(huán)機組在性能保證工況下的毛出力設定為65.45 MW，此時凈出力為64.141 MW，使補燃量降低最低，確保全廠性能達到最優(yōu)。經(jīng)優(yōu)化后，全廠的性能參數(shù)指標如表5所示。

表5 聯(lián)合循環(huán)性能保證

序號項目數(shù)值 1聯(lián)合循環(huán)功率/MW65.45 燃機功率/MW48.957 汽機功率/MW16.493 2綜合廠用電率/（%）2 3聯(lián)合循環(huán)凈出力/MW64.141 4供熱出力/MW45.125 5供熱蒸汽量/（t·h﹣1）71 6全廠天然氣耗量/（kg·s﹣1）2.93 燃機天然氣耗量/（kg·s﹣1）2.59 補燃天然氣耗量/（kg·s﹣1）0.34 7全廠熱效率（供熱+供電）/（%）75.67 8全廠供電熱耗率/（kJ·kWh﹣1）8 038

3 總結

基于本文的技術思路，總承包商、電力設計院、設備廠商通力配合，完成主機選型和系統(tǒng)優(yōu)化，提供了最佳的性能保證值，在投標競爭中脫穎而出，成為本項目的最優(yōu)解決方案，并贏得業(yè)主的青睞。

回顧項目的歷程，可以總結三條經(jīng)驗：①對于國際電力工程，特別是業(yè)主要求不明確的EPC工程，可憑借創(chuàng)新性的理念來兼顧項目造價與性能指標；②EPC承包商要與電力設計院、設備供貨商緊密配合，利用各家所長把技術理念變?yōu)榭蓪崿F(xiàn)的技術方案；③EPC承包商要與業(yè)主做好技術解釋，一方面要做好技術方案的保密工作，建立短期技術優(yōu)勢，另一方面要讓業(yè)主了解技術特點，增強業(yè)主對承包商能力的認可度。

［1］施延洲，王智微，楊東.電網(wǎng)火電機組在線節(jié)能發(fā)電調(diào)度方法和策略探討［J］.熱力發(fā)電，2010（10）：7-11.

［2］李俊朋，王停戈，崔春暉.影響火電機組冷端性能的因素分析及對策［J］.設備管理與維修，2019（5）：70-71.

2095－6835（2020）10－0052－02

TM62

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.021

張如意（1983—），男，吉林榆樹人，碩士研究生，工程師，研究方向為電力工程技術和企業(yè)風險管理。

〔編輯：王霞〕