考慮中東地區(qū)資源特點的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠系統(tǒng)配置研究

（上海電氣電站集團(tuán)工程公司，上海 201199）

0 引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)與傳統(tǒng)燃煤燃油發(fā)電相比，具有以下技術(shù)優(yōu)勢：聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電效率較高，配置最新H 級燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)電廠，發(fā)電凈效率可以達(dá)到60%以上[1-2]；燃?xì)廨啓C(jī)工作時過量空氣系數(shù)較高，因而污染物排放濃度相對也較低；由于燃?xì)廨啓C(jī)可以承受較快的負(fù)荷變化率，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組調(diào)峰性能好。但同時，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組存在燃料成本高、燃?xì)廨啓C(jī)維護(hù)成本高、機(jī)組運(yùn)行易受環(huán)境條件影響等不足。

中東地區(qū)指從地中海東部南部到波斯灣沿岸的1 500 多萬km2土地，包含了約23 個國家和地區(qū)。中東地區(qū)擁有豐富的石油天然氣資源，截至2017 年底，中東地區(qū)石油探明可采儲量1 091 億t，天然氣探明可采儲量79.1 萬億m3，分別占全球石油和天然氣總儲量的47.6%和40.9%[3]，資源稟賦優(yōu)異。同時，中東多數(shù)地區(qū)氣候炎熱，干旱少雨，屬熱帶沙漠氣候。低廉的燃料價格和惡劣的環(huán)境條件使本地區(qū)聯(lián)合循環(huán)電廠中常存在一些特殊系統(tǒng)配置和技術(shù)要求。本文基于中東地區(qū)多個燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)項目投標(biāo)、執(zhí)行經(jīng)驗，總結(jié)、梳理并探討該地區(qū)聯(lián)合循環(huán)項目中常出現(xiàn)的特殊系統(tǒng)配置和技術(shù)要求。

中東地區(qū)作為“一帶一路”戰(zhàn)略的重要地理節(jié)點，也是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目開發(fā)建設(shè)的熱點地區(qū)。越來越多的中資企業(yè)在中東地區(qū)承接燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目。希望通過本文的總結(jié)梳理，對后續(xù)中東地區(qū)項目投標(biāo)和執(zhí)行提供一定的借鑒。

1 余熱鍋爐補(bǔ)燃系統(tǒng)

常規(guī)聯(lián)合循環(huán)電廠中，余熱鍋爐僅相當(dāng)于換熱器，通過吸收燃?xì)廨啓C(jī)高溫排煙中的熱量產(chǎn)生蒸汽，供給蒸汽輪機(jī)發(fā)電。當(dāng)需要蒸汽輪機(jī)額外增加出力時，余熱鍋爐可以配置補(bǔ)燃系統(tǒng)，通過燃燒新燃料增加余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量。

補(bǔ)燃系統(tǒng)分內(nèi)補(bǔ)燃和外補(bǔ)燃2 種形式[4]。其中，外補(bǔ)燃是指將補(bǔ)燃燃燒室設(shè)置在余熱鍋爐外，燃燒生成的煙氣通入余熱鍋爐。這種配置投資高，運(yùn)行維護(hù)也更復(fù)雜，一般適合于補(bǔ)燃量較大的情況。內(nèi)補(bǔ)燃則是將補(bǔ)燃燃燒器布置在余熱鍋爐進(jìn)口煙道的位置，運(yùn)行時向余熱鍋爐爐膛內(nèi)噴入新燃料，利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙中的殘氧燃燒。內(nèi)補(bǔ)燃系統(tǒng)形式簡單，維護(hù)方便，但由于不補(bǔ)入新空氣，補(bǔ)燃量的設(shè)計需要考慮燃機(jī)排氣中的殘氧量，如果補(bǔ)燃系統(tǒng)噴入燃料過多而氧量不足的話是無法正常穩(wěn)燃的。內(nèi)補(bǔ)燃系統(tǒng)的組成如圖1所示，補(bǔ)燃燃燒器設(shè)多個噴嘴，水平排列于鍋爐進(jìn)口煙道，另輔以相應(yīng)的燃料輸送、分配管道和控制閥門。

圖1 尾氣補(bǔ)燃裝置示意

由于設(shè)計補(bǔ)燃系統(tǒng)時通常不改變蒸汽側(cè)熱力參數(shù)，在增大蒸汽產(chǎn)量，提升蒸汽輪機(jī)出力的同時，往往會降低整個聯(lián)合循環(huán)的電效率[5-6]。效率降低的原因簡要分析如下：

一個帶補(bǔ)燃的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)總電效率η 可由式（1）表示：

式中：ηc為聯(lián)合循環(huán)電效率；ηl為蒸汽側(cè)朗肯循環(huán)電效率；Q 為該系統(tǒng)所消耗燃料的總熱量，分為2 個部分，第一個部分為直接進(jìn)入燃機(jī)的熱量Qg，第二部分為進(jìn)入補(bǔ)燃系統(tǒng)的熱量為Qs。

聯(lián)合循環(huán)中汽輪機(jī)通常參數(shù)低，容量小且不設(shè)給水回?zé)嵯到y(tǒng)[7]，朗肯循環(huán)效率ηl遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聯(lián)合循環(huán)效率ηc。因此，帶補(bǔ)燃系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)總電效率η 要小于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率ηc。通俗來講，進(jìn)入補(bǔ)燃系統(tǒng)的燃料沒有參與高效的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，而是直接參與了較低效的蒸汽側(cè)朗肯循環(huán)，導(dǎo)致整個系統(tǒng)效率下降。

全球范圍內(nèi)天然氣燃料價格通常較高，設(shè)置補(bǔ)燃系統(tǒng)，以降低效率為代價提升出力一般是不經(jīng)濟(jì)的。但在中東地區(qū)，油氣資源豐富，燃料價格低廉。如中東某F 級聯(lián)合循環(huán)二拖一項目，按業(yè)主要求，該項目蒸汽輪機(jī)基于不補(bǔ)燃工況設(shè)計，但2 臺余熱鍋爐需配置補(bǔ)燃燃燒器，必要時可補(bǔ)入天然氣燃料提高蒸汽輪機(jī)出力。據(jù)主機(jī)設(shè)備廠家校核計算，隨著補(bǔ)燃量提高，蒸汽輪機(jī)出力和聯(lián)合循環(huán)毛效率變化趨勢如圖2，3 所示。

圖2 補(bǔ)燃量與蒸汽輪機(jī)出力關(guān)系

由圖2，3 可知，隨著每臺鍋爐補(bǔ)燃燃料量從0.1 kg/s 提高到0.6 kg/s，蒸汽輪機(jī)出力從257.08 MW 逐漸提升至275.80 MW，聯(lián)合循環(huán)毛效率則從57.93%逐漸降低至56.88%。由于本項目燃料來自業(yè)主自有油田的伴生氣，燃料免費(fèi)供應(yīng)。項目售電價格約2 美分/kWh。結(jié)合電廠年運(yùn)行小時數(shù)考慮，補(bǔ)燃系統(tǒng)增加的出力每年可以為業(yè)主帶來超過200 萬美元的電費(fèi)收益。

圖3 補(bǔ)燃量與聯(lián)合循環(huán)毛效率關(guān)系

煙道補(bǔ)燃系統(tǒng)運(yùn)行時會提升補(bǔ)燃器后的煙氣溫度。在提高聯(lián)合循環(huán)出力的同時，也會對余熱鍋爐的設(shè)計、材料選擇及壽命帶來影響。本例中補(bǔ)燃器的補(bǔ)燃量較小，補(bǔ)燃器前后煙溫分別為584 ℃和614 ℃，主蒸汽溫度也沒有進(jìn)行調(diào)整，因此增加補(bǔ)燃器對本例中余熱鍋爐的影響不明顯。在中東另一聯(lián)合循環(huán)項目中，合同要求的補(bǔ)燃量很高，補(bǔ)燃器后煙溫高達(dá)745 ℃。長期在這種補(bǔ)燃工況下運(yùn)行可能會產(chǎn)生以下問題：

（1）如果選擇提高主蒸汽溫度到600 ℃以上，則超過了P91 材料耐受范圍。鍋爐過熱器需選擇不銹鋼材料，成本和焊接加工難度均有增加。

（2）煙溫增加導(dǎo)致過熱器平均壁溫上升，長期看來會影響鍋爐受熱面壽命。

（3）燃機(jī)排煙中的殘氧量是一定的，補(bǔ)燃量越大，對燃燒器的設(shè)計、均流板的布置要求越高，以確保燃燒的穩(wěn)定和補(bǔ)燃器后煙氣溫度場的均勻。

2 極端氣候下主、輔機(jī)冷卻系統(tǒng)選型

聯(lián)合循環(huán)電廠主、輔機(jī)冷卻系統(tǒng)分為濕式水冷和干式空冷兩大類[8]。通常而言，水冷系統(tǒng)占地小、電耗低，冷卻效果好，在水資源不緊張的地區(qū)，主、輔機(jī)冷卻系統(tǒng)常選用水冷形式。中東地區(qū)主要為熱帶沙漠氣候，降水稀少。受制于水資源緊張，空冷系統(tǒng)在該地區(qū)應(yīng)用廣泛。同時，空冷系統(tǒng)以空氣為換熱介質(zhì)，中東地區(qū)氣候炎熱，環(huán)境溫度較高，這也給空冷系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行帶來更高的要求。

2.1 初期設(shè)計考慮

以中東地區(qū)某F 級聯(lián)合循環(huán)“二拖一”項目為例，該項目位于沙漠戈壁地區(qū)，原水由附近城鎮(zhèn)管網(wǎng)供給，水資源緊張。結(jié)合表1 項目設(shè)計溫度條件，本項目主、輔機(jī)冷卻均采用空冷形式。

表1 某聯(lián)合循環(huán)項目設(shè)計溫度條件

用于發(fā)電廠的主機(jī)空冷系統(tǒng)主要分為直接空冷和間接空冷兩類共3 種形式，即ACC（機(jī)械通風(fēng)直接空冷方式），帶混合式凝汽器的間接空冷（海勒式間接空冷）以及帶表面式凝汽器的間接空冷（哈蒙式間接空冷）。其中，直接空冷為一次冷卻方式，汽輪機(jī)排汽直接進(jìn)入空冷島被空氣冷卻。間接空冷為二次冷卻，汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器被循環(huán)水冷卻，循環(huán)水則在空冷塔內(nèi)被空氣冷卻。直接空冷與間接空冷相比有占地小、初投資低的優(yōu)勢，但也有換熱易受環(huán)境條件影響，汽輪機(jī)背壓偏高且受環(huán)境風(fēng)影響較大的缺陷[9-10]。隨著技術(shù)的發(fā)展，直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性不斷提高，應(yīng)用業(yè)績也較間接空冷更多。

經(jīng)分析比選，本項目主機(jī)冷卻采用ACC 形式，設(shè)計點取在環(huán)境溫度25.4 ℃，ACC 設(shè)計ITD為25 ℃，設(shè)計背壓12.7 kPa。為滿足設(shè)計條件，ACC 島按6×6 布置36 個換熱單元，機(jī)島布置從俯視角度如圖4 所示。為考察ACC 性能，假設(shè)汽機(jī)側(cè)排汽參數(shù)不變。經(jīng)校核計算，如圖5 所示，隨環(huán)境溫度升高，ACC 換熱能力逐漸下降。環(huán)境溫度達(dá)到40 ℃以上時，蒸汽輪機(jī)背壓逐漸升高至約30 kPa，但仍低于蒸汽輪機(jī)的背壓報警值。該ACC 設(shè)計可滿足蒸汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

發(fā)電廠輔機(jī)空冷設(shè)備一般采用機(jī)力通風(fēng)間冷塔[11]。因間冷塔換熱器管道配置有翅片，這種間冷塔往往被稱為FFC（干式翅片風(fēng)扇塔）。針對本項目，輔機(jī)空冷系統(tǒng)的設(shè)計還受以下邊界條件和要求的影響：

（1）根據(jù)本項目主機(jī)設(shè)備供應(yīng)商提供數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)及對應(yīng)發(fā)電機(jī)、蒸汽輪機(jī)及對應(yīng)發(fā)電機(jī)要求的冷卻水進(jìn)水溫度不應(yīng)大于38 ℃。

圖4 ACC 布置（俯視）

圖5 環(huán)境溫度與蒸汽輪機(jī)背壓關(guān)系

（2）項目所在地用電負(fù)荷缺口大，不能因冷卻能力不足限制燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的出力。需配置噴淋系統(tǒng)強(qiáng)化干式空冷塔換熱能力。

（3）項目所在地水資源緊張，噴淋系統(tǒng)只有在環(huán)境溫度超過40 ℃的情況下才能投運(yùn)。

（4）輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)配置上需考慮20%余量，確保單塔檢修時全廠不降負(fù)荷。

由于干式空冷系統(tǒng)出塔水溫僅由當(dāng)?shù)馗汕驕囟群蛽Q熱器端差決定。換熱器換熱面積不可能無限增加，換熱端差不可能無限縮小。因此，當(dāng)環(huán)境溫度接近38 ℃時，冷卻水出塔水溫必然已經(jīng)高于主機(jī)設(shè)備要求的38 ℃限值。此時，噴淋系統(tǒng)還未達(dá)到合同要求的40 ℃起噴點，為了保證機(jī)組安全，必須考慮降負(fù)荷運(yùn)行。但這樣又和合同中不允許因冷卻能力不足降低主機(jī)負(fù)荷的要求相違背。

2.2 后期優(yōu)化措施

為了最大程度滿足合同要求，本項目針對輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)實施以下優(yōu)化措施：

（1）項目主機(jī)設(shè)備供應(yīng)商對各自供貨范圍內(nèi)的冷卻器，換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將冷卻水進(jìn)水溫度要求調(diào)整至不高于44 ℃。

（2）優(yōu)化空冷系統(tǒng)設(shè)計，確保環(huán)境溫度40 ℃時空冷系統(tǒng)出塔水溫低于44 ℃，滿足主機(jī)設(shè)備要求。

（3）說服項目業(yè)主，輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)20%余量要求僅適用于設(shè)計工況，高溫工況輔機(jī)冷卻塔可以全開。

最終，本項目輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)采用母管制，共配置7 臺FFC 冷卻塔，含2 臺備用。冷卻塔布置如圖6 所示。FFC 冷卻塔設(shè)計點取環(huán)境溫度25.4 ℃，設(shè)計冷卻水量2 800 t/h，換熱量22.5 MWt。設(shè)計點5 運(yùn)2 備，進(jìn)塔水溫39 ℃，出塔水溫32 ℃。高溫工況時，7 臺全開，確保40 ℃環(huán)境溫度時出塔水溫低于44℃。冷卻塔性能曲線如圖7所示，其中實線為5 運(yùn)2 備工況，虛線為7 臺全部投運(yùn)工況。

圖6 FFC 布置（俯視）

圖7 環(huán)境溫度與FFC 出塔水溫關(guān)系

干式空冷系統(tǒng)配有噴霧冷卻模塊，環(huán)境溫度超過40 ℃時啟動噴水。環(huán)境溫度達(dá)到極端高溫45℃時噴水量為9.17 kg/s，噴霧用水溫度為25℃，可以將冷卻塔出水溫度控制低于40 ℃。通過上述輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計最終滿足主機(jī)設(shè)備安全穩(wěn)定不降負(fù)荷運(yùn)行的要求。

3 主機(jī)島“三拖二”配置形式

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組按燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的數(shù)量可分為“一拖一”“二拖一”“三拖一”等形式，即分別由1 臺、2 臺或3 臺燃?xì)廨啓C(jī)拖動1 臺蒸汽輪機(jī)運(yùn)行。通?！耙煌弦弧焙汀岸弦弧毙问奖容^常見，業(yè)內(nèi)也對2 種配置方式進(jìn)行了對比[12]?？偟膩碚f，“一拖一”配置勝在運(yùn)行靈活，而“二拖一”配置則在效率上稍有優(yōu)勢。

對于多臺燃機(jī)拖動1 臺蒸汽輪機(jī)的配置方式，存在多臺鍋爐并汽、退汽[13]，機(jī)組負(fù)荷分配和協(xié)調(diào)控制[14]，旁路系統(tǒng)控制[15]等問題，系統(tǒng)設(shè)計更為復(fù)雜。因此，“三拖一”及以上的配置形式在聯(lián)合循環(huán)項目中并不多見。然而，在中東地區(qū)聯(lián)合循環(huán)項目招標(biāo)過程中，包括卡塔爾Ras Laffan，阿聯(lián)酋Mirfa IWPP 等的多個項目均要求機(jī)島按“三拖二”形式進(jìn)行配置，即由3 臺燃?xì)廨啓C(jī)拖動2 臺蒸汽輪機(jī)運(yùn)行。因“三拖二”的配置要求較為特殊，為探究其優(yōu)劣性，基于GT pro 平臺對3 套“一拖一”，1 套“三拖一”和1 套“三拖二”3 種配置形式進(jìn)行了模擬計算和對比。

模擬計算中采用3 臺西門子SGT5-4000F 型燃?xì)廨啓C(jī)作為主機(jī)，3 種配置燃機(jī)側(cè)的性能完全一致，性能差距完全由汽輪機(jī)的差距導(dǎo)致。為確保計算結(jié)果便于對比，3 種配置余熱鍋爐均為三壓再熱形式，冷端均采用直接空冷。主蒸汽參數(shù)和蒸汽輪機(jī)背壓均一致。汽輪機(jī)形式均設(shè)置為高中壓合缸。因“三拖一”汽輪機(jī)容量最大，為選擇合適的末級葉片，低壓缸設(shè)置為雙流程。項目部分邊界條件按表2 考慮。

表2 “三拖二”配置對比計算邊界條件

經(jīng)模擬計算，汽輪機(jī)側(cè)性能對比結(jié)果如表3所示。

表3 “三拖二”配置對比計算結(jié)果

由以上對比可知，3 種配置方式中，1 套“三拖一”性能最好，1 套“三拖二”配置性能次之，3套“一拖一”配置方式性能最差。其主要原因在于大容量蒸汽輪機(jī)效率更高，體現(xiàn)在“三拖一”配置汽輪機(jī)軸功率最高。同時，大容量水氫冷發(fā)電機(jī)的效率也更高。兩相疊加，1 套“三拖一”配置汽輪機(jī)出力較1 套“三拖二”配置高約3 000 kW，較3 套“一拖一”配置高約9 000 kW。

運(yùn)行靈活性方面，3 套“一拖一”配置含3 套獨立的汽輪發(fā)電機(jī)組，靈活性最高。1 套“三拖一”配置僅設(shè)置1 套汽輪發(fā)電機(jī)組，一旦汽輪發(fā)電機(jī)組停運(yùn)，全廠3 臺燃?xì)廨啓C(jī)只能單循環(huán)運(yùn)行，靈活性最低。1 套“三拖二”配置含2 套獨立的汽輪發(fā)電機(jī)組，主蒸汽以母管制的形式來源于3 臺余熱鍋爐，任何一套汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)時不會影響另一臺運(yùn)行，和“三拖一”配置相比，具備一定的運(yùn)行靈活性。

另從成本角度考慮，3 套“一拖一”配置含3套高參數(shù)低容量蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，主機(jī)數(shù)量多，成本最高?！叭弦弧迸渲脙H含1 套大容量蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，主機(jī)數(shù)量最少，成本最低?！叭隙迸渲煤? 套蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，成本居中。

綜上，“三拖二”配置是在性能、成本和運(yùn)行靈活性上較為平衡的主機(jī)配置形式。當(dāng)聯(lián)合循環(huán)項目對運(yùn)行靈活性和性能都設(shè)置了一定要求時，“三拖二”配置是一種合理的選擇。

4 結(jié)論

基于中東地區(qū)聯(lián)合循環(huán)項目投標(biāo)及執(zhí)行工作經(jīng)驗，梳理了該地區(qū)聯(lián)合循環(huán)項目中出現(xiàn)的特殊配置和技術(shù)要求，并分別進(jìn)行簡要分析和探討，結(jié)論如下：

（1）中東地區(qū)聯(lián)合循環(huán)項目大多要求配置補(bǔ)燃系統(tǒng)。通過向余熱鍋爐爐膛噴入額外燃料燃燒增加余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量，進(jìn)一步提升蒸汽輪機(jī)出力。增加補(bǔ)燃系統(tǒng)可以提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)出力，代價則是聯(lián)合循環(huán)整體電效率下降。該地區(qū)油氣資源豐富，燃料價格低廉，同時電力供應(yīng)緊張，電價較高，配置補(bǔ)燃系統(tǒng)增加的出力可以為項目業(yè)主帶來電費(fèi)收益。

（2）中東地區(qū)氣候炎熱干旱，水資源緊缺，空冷系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。主機(jī)冷卻方面，隨著技術(shù)的不斷完善，ACC 的應(yīng)用較間接空冷更多。輔機(jī)冷卻方面，F(xiàn)FC 被廣泛應(yīng)用。根據(jù)不同的邊界條件和合同要求，必要時還會增加濕式噴淋裝置強(qiáng)化輔機(jī)冷卻系統(tǒng)換熱效果。

（3）聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主機(jī)配置以“一拖一”“二拖一”形式為主。但在中東地區(qū)，某些項目要求采用“三拖二”的配置形式。根據(jù)對比，“三拖二”配置形式較3 套“一拖一”可節(jié)省造價，較1 套“三拖一”運(yùn)行更為靈活。是一種較為平衡的主機(jī)配置形式。當(dāng)然，和1 套“三拖一”配置相比，除了需要考慮3 臺余熱鍋爐并汽和退汽，還需要考慮主蒸汽在2 套汽輪發(fā)電機(jī)組之間的分配和協(xié)調(diào)控制，汽水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計更為復(fù)雜。