一種燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠基準熱耗計算方法

陳志超，卞韶帥，田志亮，章正俊，陳 鑫

(1.馬耳他D3發(fā)電有限責任公司，馬薩 1571；2.上海明華電力科技有限公司,上海 200082;3.馬耳他能源公司，馬薩 1000)

近年來，在“一帶一路”合作共贏倡議的推動下，越來越多的國內(nèi)企業(yè)開始走出國門，投資海外電源項目建設(shè)。電廠與電網(wǎng)的購售電協(xié)議(PPA)明確了上網(wǎng)電價機制、機組性能要求等內(nèi)容，是項目中的核心。在PPA中，國際電力市場上廣泛采用的是兩部制上網(wǎng)電價[1-2](即基于可用率的容量電費和基于熱耗考核的電量電費),而基準熱耗的計算方法是兩部制上網(wǎng)電價的關(guān)鍵部分，直接影響投資收益。所謂基準熱耗即根據(jù)電廠實際運行狀態(tài)實時計算的熱耗達標水平，電廠實際考核熱耗不得超過此基準熱耗。

燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠具有占地面積小、清潔、熱效率高、能夠快速并網(wǎng)和升降負荷以及操作靈活等優(yōu)點，非常適合由于負荷波動需要靈活性調(diào)峰的電網(wǎng)系統(tǒng)，在國際上具有廣泛的市場[3-5]。然而由于其內(nèi)燃機數(shù)量多、內(nèi)燃機和汽輪機的組合運行方式多，如何對其進行合理的基準熱耗計算及性能評估是一個難題。

目前在燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠基準熱耗計算方面的研究與應(yīng)用較少。文獻[6-7]提到了一種常規(guī)的有補燃和無補燃的燃氣輪機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)熱效率的計算關(guān)系式，但其即沒有考慮燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中實際存在的與內(nèi)燃機冷卻水換熱、輔助系統(tǒng)用汽等相關(guān)的能量損耗；也沒有考慮內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠靈活多變的運行方式。如用于PPA協(xié)議，對電廠不利，可能造成投資收益的損失。

本文從燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠的能量平衡出發(fā)給出了一種燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠全廠基準熱耗的計算方法，該方法即考慮了系統(tǒng)中實際存在的與內(nèi)燃機冷卻水換熱、輔助系統(tǒng)用汽等相關(guān)的能量損耗，真實的反映了燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠的基準熱耗水平，又針對燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠內(nèi)燃機數(shù)量多、內(nèi)燃機和汽輪機的組合運行方式多的特點給出了解決方案，保證了購售電協(xié)議的有效執(zhí)行和電費的準確結(jié)算。

1 燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)供電效率的計算模型

1.1 燃氣內(nèi)燃機的能量平衡

根據(jù)燃氣內(nèi)燃機的能量平衡關(guān)系，同時忽略燃氣物理顯熱的微量影響，可得

(1)

(2)

式中Q1——進入燃機循環(huán)的空氣所含能量；

Qar——燃料的低位發(fā)熱量總量；

ηr——內(nèi)燃機燃燒效率,按制造廠提供的數(shù)據(jù)；

Pengine——內(nèi)燃機發(fā)電機端的做功功率；

ηmgt——內(nèi)燃機的機械傳動效率,按制造廠提供的數(shù)據(jù)；

ηG——燃氣發(fā)電機的效率；按制造廠提供的數(shù)據(jù)或性能試驗；

Qc1——內(nèi)燃機進入余熱鍋爐的煙氣所攜帶的能量；

Qc2——內(nèi)燃機冷卻水攜帶能量、各種散熱損失等。

1.2 余熱鍋爐的能量平衡

根據(jù)余熱鍋爐的能量平衡關(guān)系，可得

Qc1+Qhfw+Qlfw=Qst1+Qst2+Qpy

(3)

式中Qhfw——高壓給水所攜帶能量；

Qlfw——低壓給水所攜帶能量；

Qst1——余熱鍋爐產(chǎn)生高壓主蒸汽所攜帶的能量；

Qst2——余熱鍋爐產(chǎn)生低壓輔助蒸汽所攜帶的能量；

Qpy——余熱鍋爐排煙所攜帶的能量。

1.3 蒸汽循環(huán)的能量平衡

根據(jù)蒸汽輪機及其循環(huán)的能量平衡關(guān)系，可得

(4)

式中Pstg——汽輪發(fā)電機做功功率；

Qnq——汽輪機凝氣器排向外界的能量；

Qaux——低壓蒸汽排向外界的能量；

ηsmgt——汽輪機的機械傳動效率,按制造廠提供的數(shù)據(jù)；

ηsG——汽輪發(fā)電機的效率,按制造廠提供的數(shù)據(jù)或性能試驗。

1.4 內(nèi)燃機的循環(huán)效率

(5)

1.5 汽輪機的循環(huán)效率

(6)

1.6 余熱鍋爐的當量效率

(7)

1.7 燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)供電效率

聯(lián)立(1)～(7)式，可得聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電效率

(8)

定義：

式(8)可變換為

ηstgηegbηc2-ηstgηaux

(9)

定義能量損耗系數(shù)

ηloss=ηstgηegbηc2+ηstgηaux

可見能量損耗系數(shù)是理論推導結(jié)果的一部分，表征系統(tǒng)中實際存在的與內(nèi)燃機冷卻水、輔助系統(tǒng)用汽等相關(guān)的能量損耗。

式(8)可進一步變換為

(10)

2 燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)全廠基準熱耗的計算

2.1 全廠聯(lián)合循環(huán)機組和非聯(lián)合循環(huán)機組的基準發(fā)電效率

對于按聯(lián)合循環(huán)方式運行的機組,由式(10)可得其發(fā)電效率

(11)

對于任何一臺內(nèi)燃機，考慮為聯(lián)合循環(huán)模式的條件是：余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽進汽輪機的蒸汽閥門狀態(tài)為開或余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽進汽輪機的蒸汽閥門開度大于50%。

而對于非聯(lián)合循環(huán)方式運行的機組,這些單循環(huán)方式運行的內(nèi)燃機發(fā)電效率可計算為

(12)

則全廠的基準發(fā)電效率

(13)

式中MWhCC——聯(lián)合循環(huán)機組的總出力；

MWhEN——非聯(lián)合循環(huán)機組的總出力;

全廠的基準供電效率

(14)

2.2 全廠基準供電熱耗

(15)

2.3 內(nèi)燃機基準熱耗及基準效率

內(nèi)燃機基準熱耗=制造廠保定熱耗值×K1×K2

(16)

內(nèi)燃機基準效率=3 600/內(nèi)燃機基準熱耗

(17)

式中 負荷率修正系數(shù)K1——依據(jù)制造商提供或性能試驗獲得的熱耗隨負荷變化的修正;

老化修正系數(shù)K2——依據(jù)制造商提供的內(nèi)燃機熱耗隨運行小時數(shù)而變化的老化修正。

2.4 全廠余熱鍋爐的平均基準效率

(18)

式中Tin——余熱鍋爐的進口煙溫；

Tout——余熱鍋爐的出口煙溫；

Ta——環(huán)境溫度。

按上式[8]計算各性能試驗工況的各臺余熱鍋爐的效率，采用內(nèi)燃機功率加權(quán)得出全廠余熱鍋爐的平均效率。

2.5 基準能量損耗系數(shù)的確定

能量損耗系數(shù)代表系統(tǒng)中真實存在的各種能量損失，一般不能直接測量。可通過性能試驗數(shù)據(jù)來量化

(19)

其中

汽輪機熱耗的計算方法[9]

(20)

式中Dmain——主蒸汽流量；

Hmain——主蒸汽焓值；

Dhfw——高壓給水流量；

Hhfw——高壓給水焓值；

STGMWh——汽輪機毛出力。

汽輪機的負荷率對其熱耗影響較大，負荷率降低，汽輪機熱耗增加。因此，需要對汽輪機基準熱耗進行負荷率修正。可根據(jù)最近的性能試驗工況得出汽輪機熱耗的負荷率修正系數(shù)。

3 應(yīng)用實例

某燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠有8臺燃氣內(nèi)燃機及發(fā)電機，配8臺余熱鍋爐和1臺蒸汽輪機及發(fā)電機。如圖1所示。其日常運行方式可分為：

圖1 某內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠系統(tǒng)示意圖

(1)全廠按內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)方式運行;

(2)部分內(nèi)燃機按旁路模式運行，其對應(yīng)的余熱鍋爐停運；其余內(nèi)燃機按聯(lián)合循環(huán)方式運行;

(3)所有內(nèi)燃機按旁路模式運行，其對應(yīng)的余熱鍋爐停運,汽輪機停運;

(4)部分內(nèi)燃機帶余熱鍋爐運行，但余熱鍋爐出口主蒸汽旁路模式運行。其余內(nèi)燃機按旁路模式或聯(lián)合循環(huán)方式運行。

可見每套內(nèi)燃機組或聯(lián)合循環(huán)可以各自單獨開關(guān)。電廠具有采用多臺機組實現(xiàn)快速同步和升降負荷以及操作靈活等特點[10]，使得電廠非常適合由于日負荷波動需要靈活性的電網(wǎng)系統(tǒng)，內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠的運行方式十分靈活多變，但其復雜性也為全廠基準熱耗的計算帶來困難。

某電廠與電網(wǎng)公司的購售電協(xié)議明確了基于可用率的容量電費和基于熱耗考核的電量電費，可見基準熱耗的計算方法是兩部制上網(wǎng)電價中關(guān)鍵部分，直接影響電廠收益，然而PPA中基準熱耗的計算方法的技術(shù)細節(jié)空白，僅規(guī)定全廠實際熱耗不能超過基準熱耗的1.25%。

通過上文方法可得到基準能量損耗系數(shù)ηloss值隨全廠出力的曲線，如圖2所示。

圖2 能量損耗系數(shù)

可見，能量損耗系數(shù)ηloss在1.5%～2.5%左右，其約占聯(lián)合循環(huán)全廠發(fā)電效率的3%～5%，如不考慮該能量損耗系數(shù)，基準熱耗將減少3%～5%。

本文開發(fā)了一套基于該方法的軟件系統(tǒng)用于基準熱耗的在線監(jiān)測。某電廠最近一年的月度全廠實際熱耗和基準熱耗計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 全廠實際熱耗和基準熱耗

從實際運行結(jié)果來看，全廠的實際熱耗和基準熱耗的偏差率在-1.1%～+0.3%，可見本文提出的方法確保了基準熱耗的準確計算，保證了電廠與電網(wǎng)購售電協(xié)議的有效執(zhí)行和電費的準確結(jié)算。

同時通過在線實時計算內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠的實際和基準性能，有利于電廠運行和維護人員及時掌握電廠的熱耗水平和變化趨勢，一方面，運行人員可及時調(diào)控電廠機組的優(yōu)化運行方式、節(jié)約燃料成本；另外，維護人員也可及時調(diào)整設(shè)備的維護計劃并消除設(shè)備缺陷、確保設(shè)備運行在高效率。因此，該方法可有效提高電廠的經(jīng)濟性和安全性。

4 結(jié)論

(1)針對燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠內(nèi)燃機數(shù)量多、內(nèi)燃機和汽輪機的組合運行方式多,全廠基準熱耗計算及性能評估難題，給出了一種能正確合理的計算燃氣內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠基準熱耗的方法。

(2)通過電廠的實際應(yīng)用表明本文計算方法真實的反映了電廠的基準熱耗水平，具有一定工程應(yīng)用價值。