论文部分内容阅读
摘要：某热电厂煤改气搬迁工程为了对主机选型，对E、F系列燃机的技术性和经济性进行了比较，确定了在不同燃气气价和不同维修费用下的机型选择方案。在确定了使用F型燃机后，又对F型燃气-蒸汽联合循环机组的“单轴”和“双轴”布置方案进行了综合比较，最后建议该热电厂煤改气搬迁工程采用F型二拖一多轴机组方案。
关键词：燃气-蒸汽联合循环电厂；燃气轮机；主机选型
1. 该热电厂概况
随着城市的发展，地处外环线内的该热电厂与中心城区的整体环境和功能提升明显不协调，无法满足周边区域长远发展对能源的需求；同时为减少污染物在人口集中的市中心区排放，解决煤炭在市中心区运输带来的交通、噪音等问题，2010年7月，市政府决定启动该热电厂煤改气搬迁工程。
2. 项目建设的必要性
随着国家节能减排政策的实施和城市经济建设迅猛发展，以及人民生活水平不断提高，对集中供热的寻求增长迅速，城市的能源结构正在向有利于环保和高效的趋势发展。建设清洁、高效、低污染、低排放的天然气联合循环热电联产电厂，符合低碳经济的本质，通过建设燃气热电联产项目，既满足了集中供热需求，又提高了地区电网的供电可靠性，使能源利用效率得到提高，避免了燃煤锅炉带来的煤炭运输和环境污染等问题，对改善城市环境质量，实现节能减排和建设低碳城市产生积极影响，对城市的能源结构的调整和经济的可持续发展起着重要的作用。
3. 燃气轮机机型分析
3.1 概述
本燃气-蒸汽联合循环机组为供热、调峰机组。燃气-蒸汽联合循环电厂具有运行灵活，启、停迅速，调峰性能优越，热效率高，低污染，用水少等优点。目前，大型燃气轮机的单机容量已超过250MW，热效率超过36%；所组成的联合循环功率已达390MW，热效率已达56.7%～58.5%。我国煤炭价格相对较低，天然气价格相对较高。为了使联合循环电厂的上网电价具有竞争力，在投资合理的前提下，机组选型应力求大容量、高效率。
3.2 F型燃气轮机的优越性
F型燃气轮机是200MW级燃气轮机的通称，单机容量为255.6～270.0MW，燃烧室出口燃气温度为1255～1400℃，效率为36.9%～38.5%，组成联合循环的效率为56%～58%。与F型燃机相比，不论是单机容量，还是热效率，E型燃机均属低端产品，其单机容量为100～190MW，效率为33.8%～35.8%，组成联合循环的效率约为52.4%。
E型燃机功率小，组成300 MW联合循环需要应用2台100 MW级燃气轮机的排气产生的蒸汽拖动一台100 MW级蒸汽轮机（二拖一）方案，由于燃机数量多，工程单位千瓦造价高；由于透平入口燃气温度较低，单循环及联合循环效率较低，运行维护成本也较低。F型功率大，组成300 MW联合循环可应用1台200 MW级燃气轮机拖动1台100 MW级蒸汽轮机（一拖一）方案；由于透平入口的燃气温度升高，单循环及联合循环效率较高，运行维护成本也较高。
对于F型燃机，其能源利用效率优于E型燃机，F型燃机联合循环机组的供热能力也远大于E型机组。同时F型燃机的技术成熟，业绩多，国产化程度高。F型燃气轮机效率高，适合于气价相对偏高的地区，尤其是当电厂运行小时数增加时，由于燃料成本所占权重相对增加，更能体现其性能上的优越。
E型燃机技术可靠，国产化程度高，业绩多，但是E型燃机单机容量小，其性能、出力和供热能力等均不如F型燃机。
综上，根据本工程的热负荷容量，初步选择F型燃机进行机组配置。
3.3 机组配置方案比较
热电厂燃气蒸汽联合循环机组选型的主要原则是“以热定电”，根据采暖负荷的需求选择装机容量。要求燃气-蒸汽联合循环机组具有约1300MW的供热能力，考虑到F型燃机供热能力，需要建设4套F型联合循环机组才能满足本工程的供热需要。
对于4套F型燃机方案，有2套“二拖一”和4套“一拖一”方案可供比较选择。
1）主机参数
本阶段主机主机未招标，本阶段暂按照东方电气集团的主机设备的参数，最终通过招标确定主机厂。
A、方案一（2套“二拖一”）：
机组型号： 东方电气/日本三菱公司（M701F4）
机组配置型式： 2套二拖一分轴机组4+4+2（4台燃气轮发电机组、4台余热锅炉、2台汽轮发电机）
机组频率： 50Hz
2套联合循环机组毛出力：2×827.08MW （供热工况）
2×923.42MW （年均纯凝工况）
机组总供热出力： 2×650MW=1300MW（供热性能保证工况，含烟气加热器）
B、方案二（4套“一拖一”）：
机组型號： 东方电气/日本三菱公司（M701F4）
机组配置型式： 4套一拖一分轴机组4+4+4（4台燃气轮发电机组、4台余热锅炉、4台汽轮发电机）
机组频率： 50Hz
单台联合循环机组毛出力： 413.54MW （供热工况）
461.71MW （年均纯凝工况）
机组总供热出力： 4×325MW=1300MW（供热性能保证工况，含烟气加热器）
2）两种方案分析比较
A、“一拖一”方案的主要优点在于：
4台单元机组，系统相对简单独立，运行控制方便；机组启动、负荷变化快；4台汽轮机分别供热，供热可靠性较高。
B、“一拖一”单轴方案的缺点在于：
主厂房占地大；设备投资大；由于受燃机控制系统的限制，余热锅炉与机组的控制不易实现一体化，除非采用与燃机相同的控制系统；控制系统相对复杂。 C、“二拖一”方案的优点在于：
设备投资小；供热出力与“一拖一”方案相当；主厂房占地较小；燃气机组和蒸汽机组可以分别采用不同的控制系统；控制系统相对简单。
D、“二拖一”方案的缺点在于：
由于共用汽轮机，非采暖期机组运行时，当一台燃机停运或者燃机低负荷运行，汽轮机组运行经济性略差；余热锅炉需并汽运行；带负荷时燃机之间需协调运行；运行操作相对复杂。
3） 热经济性指标比较
按上述两个配置方案，机组主要热经济性指标结果如下表：
4）启动和控制性能的比较
二拖一机组和单轴机组的启动方式不同。单轴配置的燃气-蒸汽联合循环机组由于主机共1根轴，启动时间大于多轴机组。因为机组一旦启动后，燃气轮机的排气全部通过余热锅炉，为防止余热锅炉汽包的温度变化率过高，燃气轮机负荷升速不能过快。在余热锅炉启动过程中，根据蒸汽参数及汽轮机预热和启动曲线，逐步使汽轮机与燃气轮机同轴驱动发电机承担负荷。二拖一汽轮机组的燃机和汽机分别带有各自的发电机，一般设有烟气旁路装置，在汽机不运行的情况下，燃机的排烟可以通过旁通烟道排入大气而不进入余热锅炉。这样，燃气轮机可以不考虑蒸汽系统的影响，其从单独启动至负荷并网，一般仅需10～20min。当燃气轮机并网运行之后，再逐次启动蒸汽系统。在以调峰为主，电力负荷变动很快的地区，燃机可以脱离汽机和余热锅炉快速起动并带上负荷，可防止快速升高速率引起锅炉管束产生过大热应力。根据不同的启动工况，2种主机配置方式启动所需时间不同。二拖一多轴机组由于汽轮机要接受2台余热锅炉的蒸汽，且采用再热蒸汽系统，而2台燃汽轮机启动顺序有先后，余热锅炉产汽存在并管问题，延长了启动时间，启动时间相对较长，但燃气轮机的启动速度一样。
4. 结论
结合前述装机方案比较和热经济指标计算分析可知：供热能力、机组效率和熱电比等指标上基本相当，方案一在初投资、占地等方面优于方案二，方案一在供热、供电的灵活性和可靠性低于方案二。结合现有 “二拖一”燃机工程的实际运行工况，考虑到蒸汽轮机的供热可靠性，同时通过余热锅炉的运行方式切换，可以满足供热负荷要求，综合权衡技术经济各方面的利弊，本工程本阶段推荐方案一，采用2套“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组。
关键词：燃气-蒸汽联合循环电厂；燃气轮机；主机选型
1. 该热电厂概况
随着城市的发展，地处外环线内的该热电厂与中心城区的整体环境和功能提升明显不协调，无法满足周边区域长远发展对能源的需求；同时为减少污染物在人口集中的市中心区排放，解决煤炭在市中心区运输带来的交通、噪音等问题，2010年7月，市政府决定启动该热电厂煤改气搬迁工程。
2. 项目建设的必要性
随着国家节能减排政策的实施和城市经济建设迅猛发展，以及人民生活水平不断提高，对集中供热的寻求增长迅速，城市的能源结构正在向有利于环保和高效的趋势发展。建设清洁、高效、低污染、低排放的天然气联合循环热电联产电厂，符合低碳经济的本质，通过建设燃气热电联产项目，既满足了集中供热需求，又提高了地区电网的供电可靠性，使能源利用效率得到提高，避免了燃煤锅炉带来的煤炭运输和环境污染等问题，对改善城市环境质量，实现节能减排和建设低碳城市产生积极影响，对城市的能源结构的调整和经济的可持续发展起着重要的作用。
3. 燃气轮机机型分析
3.1 概述
本燃气-蒸汽联合循环机组为供热、调峰机组。燃气-蒸汽联合循环电厂具有运行灵活，启、停迅速，调峰性能优越，热效率高，低污染，用水少等优点。目前，大型燃气轮机的单机容量已超过250MW，热效率超过36%；所组成的联合循环功率已达390MW，热效率已达56.7%～58.5%。我国煤炭价格相对较低，天然气价格相对较高。为了使联合循环电厂的上网电价具有竞争力，在投资合理的前提下，机组选型应力求大容量、高效率。
3.2 F型燃气轮机的优越性
F型燃气轮机是200MW级燃气轮机的通称，单机容量为255.6～270.0MW，燃烧室出口燃气温度为1255～1400℃，效率为36.9%～38.5%，组成联合循环的效率为56%～58%。与F型燃机相比，不论是单机容量，还是热效率，E型燃机均属低端产品，其单机容量为100～190MW，效率为33.8%～35.8%，组成联合循环的效率约为52.4%。
E型燃机功率小，组成300 MW联合循环需要应用2台100 MW级燃气轮机的排气产生的蒸汽拖动一台100 MW级蒸汽轮机（二拖一）方案，由于燃机数量多，工程单位千瓦造价高；由于透平入口燃气温度较低，单循环及联合循环效率较低，运行维护成本也较低。F型功率大，组成300 MW联合循环可应用1台200 MW级燃气轮机拖动1台100 MW级蒸汽轮机（一拖一）方案；由于透平入口的燃气温度升高，单循环及联合循环效率较高，运行维护成本也较高。
对于F型燃机，其能源利用效率优于E型燃机，F型燃机联合循环机组的供热能力也远大于E型机组。同时F型燃机的技术成熟，业绩多，国产化程度高。F型燃气轮机效率高，适合于气价相对偏高的地区，尤其是当电厂运行小时数增加时，由于燃料成本所占权重相对增加，更能体现其性能上的优越。
E型燃机技术可靠，国产化程度高，业绩多，但是E型燃机单机容量小，其性能、出力和供热能力等均不如F型燃机。
综上，根据本工程的热负荷容量，初步选择F型燃机进行机组配置。
3.3 机组配置方案比较
热电厂燃气蒸汽联合循环机组选型的主要原则是“以热定电”，根据采暖负荷的需求选择装机容量。要求燃气-蒸汽联合循环机组具有约1300MW的供热能力，考虑到F型燃机供热能力，需要建设4套F型联合循环机组才能满足本工程的供热需要。
对于4套F型燃机方案，有2套“二拖一”和4套“一拖一”方案可供比较选择。
1）主机参数
本阶段主机主机未招标，本阶段暂按照东方电气集团的主机设备的参数，最终通过招标确定主机厂。
A、方案一（2套“二拖一”）：
机组型号： 东方电气/日本三菱公司（M701F4）
机组配置型式： 2套二拖一分轴机组4+4+2（4台燃气轮发电机组、4台余热锅炉、2台汽轮发电机）
机组频率： 50Hz
2套联合循环机组毛出力：2×827.08MW （供热工况）
2×923.42MW （年均纯凝工况）
机组总供热出力： 2×650MW=1300MW（供热性能保证工况，含烟气加热器）
B、方案二（4套“一拖一”）：
机组型號： 东方电气/日本三菱公司（M701F4）
机组配置型式： 4套一拖一分轴机组4+4+4（4台燃气轮发电机组、4台余热锅炉、4台汽轮发电机）
机组频率： 50Hz
单台联合循环机组毛出力： 413.54MW （供热工况）
461.71MW （年均纯凝工况）
机组总供热出力： 4×325MW=1300MW（供热性能保证工况，含烟气加热器）
2）两种方案分析比较
A、“一拖一”方案的主要优点在于：
4台单元机组，系统相对简单独立，运行控制方便；机组启动、负荷变化快；4台汽轮机分别供热，供热可靠性较高。
B、“一拖一”单轴方案的缺点在于：
主厂房占地大；设备投资大；由于受燃机控制系统的限制，余热锅炉与机组的控制不易实现一体化，除非采用与燃机相同的控制系统；控制系统相对复杂。 C、“二拖一”方案的优点在于：
设备投资小；供热出力与“一拖一”方案相当；主厂房占地较小；燃气机组和蒸汽机组可以分别采用不同的控制系统；控制系统相对简单。
D、“二拖一”方案的缺点在于：
由于共用汽轮机，非采暖期机组运行时，当一台燃机停运或者燃机低负荷运行，汽轮机组运行经济性略差；余热锅炉需并汽运行；带负荷时燃机之间需协调运行；运行操作相对复杂。
3） 热经济性指标比较
按上述两个配置方案，机组主要热经济性指标结果如下表：
4）启动和控制性能的比较
二拖一机组和单轴机组的启动方式不同。单轴配置的燃气-蒸汽联合循环机组由于主机共1根轴，启动时间大于多轴机组。因为机组一旦启动后，燃气轮机的排气全部通过余热锅炉，为防止余热锅炉汽包的温度变化率过高，燃气轮机负荷升速不能过快。在余热锅炉启动过程中，根据蒸汽参数及汽轮机预热和启动曲线，逐步使汽轮机与燃气轮机同轴驱动发电机承担负荷。二拖一汽轮机组的燃机和汽机分别带有各自的发电机，一般设有烟气旁路装置，在汽机不运行的情况下，燃机的排烟可以通过旁通烟道排入大气而不进入余热锅炉。这样，燃气轮机可以不考虑蒸汽系统的影响，其从单独启动至负荷并网，一般仅需10～20min。当燃气轮机并网运行之后，再逐次启动蒸汽系统。在以调峰为主，电力负荷变动很快的地区，燃机可以脱离汽机和余热锅炉快速起动并带上负荷，可防止快速升高速率引起锅炉管束产生过大热应力。根据不同的启动工况，2种主机配置方式启动所需时间不同。二拖一多轴机组由于汽轮机要接受2台余热锅炉的蒸汽，且采用再热蒸汽系统，而2台燃汽轮机启动顺序有先后，余热锅炉产汽存在并管问题，延长了启动时间，启动时间相对较长，但燃气轮机的启动速度一样。
4. 结论
结合前述装机方案比较和热经济指标计算分析可知：供热能力、机组效率和熱电比等指标上基本相当，方案一在初投资、占地等方面优于方案二，方案一在供热、供电的灵活性和可靠性低于方案二。结合现有 “二拖一”燃机工程的实际运行工况，考虑到蒸汽轮机的供热可靠性，同时通过余热锅炉的运行方式切换，可以满足供热负荷要求，综合权衡技术经济各方面的利弊，本工程本阶段推荐方案一，采用2套“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组。