燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組能效分析及應(yīng)用

朱亞迪， 蔡 燦， 郝建剛， 謝大幸， 徐婷婷

(1. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2. 湖北華電武昌熱電有限公司，武漢 430061)

近年來(lái)，隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以天然氣為燃料的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的裝機(jī)容量越來(lái)越大。根據(jù)規(guī)劃，在“十三五”期間，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的裝機(jī)容量將增加至1億kW以上[1]。由此可見(jiàn)，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在電力結(jié)構(gòu)中的地位越來(lái)越高。但是，與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組裝機(jī)容量發(fā)展速度不符的是，行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有形成一套完整的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系，因此無(wú)法有效深入開(kāi)展燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

目前，燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)在對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要對(duì)一些綜合性廠級(jí)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如供電氣耗、供電量、發(fā)電氣耗、廠用電率、負(fù)荷率、機(jī)組啟停次數(shù)等，并且基本上是進(jìn)行一些同比或者環(huán)比的統(tǒng)計(jì)分析。這種分析評(píng)價(jià)方法只能在一定程度上掌握機(jī)組的總體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)水平，無(wú)法追蹤影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的因素及其影響程度，難以指導(dǎo)運(yùn)行人員優(yōu)化調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行。主要原因是我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組基本是從國(guó)外進(jìn)口，所掌握的技術(shù)資料相比于燃煤機(jī)組較少，缺乏對(duì)熱力系統(tǒng)的全面優(yōu)化和研究，尤其是對(duì)熱力系統(tǒng)局部變化的經(jīng)濟(jì)性定量分析研究[2]。

以GE公司F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對(duì)象，建立一套完善的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系，對(duì)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行定量分析研究，實(shí)現(xiàn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的節(jié)能診斷，便于判別相關(guān)指標(biāo)變化對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由于系統(tǒng)布置、結(jié)構(gòu)的差異，指標(biāo)數(shù)量可能不相同，但是技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系的基本結(jié)構(gòu)大致相同。根據(jù)設(shè)備和系統(tǒng)的屬性對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)，然后以廠級(jí)綜合指標(biāo)為頂層指標(biāo)，通過(guò)指標(biāo)間機(jī)理關(guān)系逐層分解，直至可以監(jiān)控調(diào)整的運(yùn)行小指標(biāo)。通常燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系大致可以分為五個(gè)層級(jí)指標(biāo)，具體如下。

(1) 第一個(gè)層級(jí)指標(biāo)(一級(jí)指標(biāo))：供電氣耗(供電效率、供電熱耗率)。

(2) 第二個(gè)層級(jí)指標(biāo)(二級(jí)指標(biāo))：直接影響一級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)，如供電量、發(fā)電氣耗(發(fā)電效率、發(fā)電熱耗率)。

(3) 第三個(gè)層級(jí)指標(biāo)(三級(jí)指標(biāo))：直接影響二級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)，如發(fā)電量、廠用電量/廠用電率、燃?xì)廨啓C(jī)效率、余熱鍋爐效率、汽輪機(jī)效率、管道效率、燃料量。

(4) 第四個(gè)層級(jí)指標(biāo)(四級(jí)指標(biāo))：直接影響三級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)，主要包括影響發(fā)電量的相關(guān)指標(biāo)(發(fā)電功率)，影響廠用電量的相關(guān)指標(biāo)(給水泵廠用電量、凝結(jié)水泵廠用電量、燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)廠用電量、非生產(chǎn)廠用電量等)，影響燃?xì)廨啓C(jī)效率的指標(biāo)(壓氣機(jī)效率、燃?xì)馔钙叫实?，影響汽輪機(jī)效率的指標(biāo)(高、中、低壓缸效率等)，影響余熱鍋爐效率的指標(biāo)(余熱鍋爐進(jìn)口煙溫、排氣溫度減溫水量等)，影響管道效率的指標(biāo)(補(bǔ)水率、溫降和壓降等)，影響燃料質(zhì)量的指標(biāo)(天然氣成分、天然氣熱值等)，影響燃料量的指標(biāo)(天然氣處理器損失等)。

(5) 第五個(gè)層級(jí)指標(biāo)(五級(jí)指標(biāo))：生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中可以直接監(jiān)控的指標(biāo)，如環(huán)境參數(shù)，壓氣機(jī)進(jìn)口壓降，壓氣機(jī)排氣溫度和壓力，燃?xì)馔钙脚艢鉁囟取毫土髁?，主蒸汽參?shù)，再熱蒸汽參數(shù)，汽輪機(jī)排汽參數(shù)等。

以上五個(gè)層級(jí)中的指標(biāo)均是火力發(fā)電行業(yè)常規(guī)的能效指標(biāo)，其定義和計(jì)算方法已相對(duì)成熟，筆者將重點(diǎn)對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)的主要能效指標(biāo)進(jìn)行定量的診斷分析。

由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自動(dòng)化程度較高，燃?xì)廨啓C(jī)本身可優(yōu)化調(diào)整空間較小。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的節(jié)能手段主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)反吹、壓氣機(jī)水洗。在節(jié)能診斷分析中，需要分析壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降、壓氣機(jī)效率指標(biāo)。汽輪機(jī)的運(yùn)行基本跟隨燃?xì)廨啓C(jī)，可優(yōu)化調(diào)整的手段較少，運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整基本上圍繞汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)進(jìn)行，重點(diǎn)針對(duì)背壓開(kāi)展節(jié)能分析。余熱鍋爐作為連接燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)的重要系統(tǒng)，其關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響較大。因此，重點(diǎn)開(kāi)展再熱蒸汽壓損、余熱鍋爐煙氣側(cè)壓降(等同于燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓損)、主蒸汽壓力的節(jié)能分析。

2 能效指標(biāo)分析

能效指標(biāo)分析就是通過(guò)定量計(jì)算機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)偏離其基準(zhǔn)值對(duì)機(jī)組熱耗率的影響，確定各運(yùn)行參數(shù)影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的部位和程度，為機(jī)組運(yùn)行調(diào)整和檢修維護(hù)提供參考[3]。相關(guān)的理論體系、技術(shù)體系在燃煤發(fā)電機(jī)組中已得到成熟的應(yīng)用[4-7]，但是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組因其獨(dú)特的特性，相關(guān)的診斷技術(shù)無(wú)法得到應(yīng)用[8]。因此，在借鑒火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能診斷基本理論的基礎(chǔ)上，建立燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組節(jié)能診斷模型，為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能診斷和優(yōu)化調(diào)整提供參考。

供電熱耗率是通過(guò)計(jì)算發(fā)電煤耗與廠用電率獲得的，現(xiàn)實(shí)中由于公用系統(tǒng)、循環(huán)水泵共用等情況的存在，廠用電率無(wú)法分?jǐn)?，發(fā)電企業(yè)很難計(jì)算實(shí)時(shí)供電熱耗率，因此以發(fā)電熱耗率為主要指標(biāo)開(kāi)展節(jié)能診斷分析研究。

根據(jù)節(jié)能診斷理論體系，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電熱耗率偏差可用下式表示：

ΔHR=K(M-Maim)

(1)

式中：ΔHR為機(jī)組發(fā)電熱耗率偏差；M為某參數(shù)的運(yùn)行值；Maim為某參數(shù)的基準(zhǔn)值；K為熱耗率偏差因子。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組節(jié)能診斷分析關(guān)鍵是確定機(jī)組各參數(shù)的基準(zhǔn)值和偏離基準(zhǔn)值對(duì)機(jī)組熱耗率的影響。采用Thermoflow軟件，建立F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組仿真計(jì)算模型，對(duì)機(jī)組運(yùn)行特性進(jìn)行變工況分析，計(jì)算全負(fù)荷穩(wěn)定工況下燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)的基準(zhǔn)值及偏離基準(zhǔn)值的影響。

2.1 仿真計(jì)算模型建立

根據(jù)某電廠F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能保證工況參數(shù)設(shè)計(jì)值(見(jiàn)表1)，利用Thermo-flow軟件建立仿真計(jì)算模型。通過(guò)變工況計(jì)算典型工況下的模型輸出參數(shù)，并且與廠商提供的熱平衡圖進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性。模型搭建主要利用Thermoflow軟件中的GTPro和GTMaster模塊。通過(guò)GTPro模塊，設(shè)定機(jī)組邊界條件和布置方式，選擇PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)，同時(shí)設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)和冷端系統(tǒng)的關(guān)鍵熱力參數(shù)，通過(guò)迭代計(jì)算調(diào)整各部件的屬性參數(shù)，最終可達(dá)到與典型工況下的設(shè)計(jì)參數(shù)一致的模型。將GTPro模型導(dǎo)入至GTMaster模塊中，將模型中各部件的屬性參數(shù)固定，獲取GTMaster模型，再在GTMaster模塊中調(diào)整相關(guān)參數(shù)的數(shù)值，可進(jìn)行詳細(xì)的變工況計(jì)算。

表1 性能保證工況參數(shù)設(shè)計(jì)值

表2為利用Thermoflow軟件計(jì)算的100%、75%和50%負(fù)荷下模型的仿真值與機(jī)組的設(shè)計(jì)值的對(duì)比，可以看出仿真值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)偏差較小，能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。

表2 典型負(fù)荷下主要參數(shù)的仿真值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比

2.2 參數(shù)運(yùn)行基準(zhǔn)值確定

對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行節(jié)能診斷時(shí)，需要先確定各運(yùn)行參數(shù)的基準(zhǔn)值。然而，由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組三大主要設(shè)備之間的耦合性較強(qiáng)，尤其是燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行特性對(duì)下位電站的影響較大，并且燃?xì)廨啓C(jī)自身的運(yùn)行特性受環(huán)境條件的影響比較復(fù)雜，運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值確定的難度高于常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組[9-13]。參考燃煤發(fā)電機(jī)組確定運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值的方法[14]，采用基于仿真計(jì)算模型的變工況計(jì)算，確定在全負(fù)荷工況下的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)特性及其對(duì)下位電站的影響分析[15-16]，各運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值為：

Pref=f(N,ta,pa,RH)

(2)

式中：Pref為運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值；N為機(jī)組負(fù)荷率，%；ta為環(huán)境溫度，℃；pa為大氣壓力，kPa；RH為空氣相對(duì)濕度，%。

由于大氣壓力和空氣相對(duì)濕度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行特性的影響較小[17]，在計(jì)算運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值時(shí)忽略大氣壓力和空氣相對(duì)濕度，因此可將運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值表示為：

Pref=f(N,ta)

(3)

在負(fù)荷率為50%～100%及環(huán)境溫度為-5～40 ℃時(shí)，利用Thermoflow軟件進(jìn)行變工況計(jì)算，獲得相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的基準(zhǔn)值。

確定發(fā)電熱耗率基準(zhǔn)值是進(jìn)行能效分析的基礎(chǔ)，同時(shí)為運(yùn)行人員優(yōu)化調(diào)整機(jī)組提供方向。圖1為機(jī)組發(fā)電熱耗率在不同條件下的基準(zhǔn)值。

圖1 發(fā)電熱耗率基準(zhǔn)值

由圖1可得：隨著環(huán)境溫度的變化，不同負(fù)荷率下的發(fā)電熱耗率先降低后增加，并且不同負(fù)荷率下發(fā)電熱耗率升高的拐點(diǎn)溫度有所差異；隨著負(fù)荷率的降低，拐點(diǎn)溫度逐漸降低?；诖颂匦裕醒芯客ㄟ^(guò)對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行加熱以降低機(jī)組發(fā)電熱耗率[18]。

圖2為主機(jī)設(shè)備綜合指標(biāo)基準(zhǔn)值。由圖2可得：隨著環(huán)境溫度的增加，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電熱效率逐漸降低，余熱鍋爐熱效率逐漸升高，汽輪機(jī)熱效率先升高后降低。主要原因是環(huán)境溫度增加導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度增加，進(jìn)入余熱鍋爐的熱量增加，然而余熱鍋爐排煙溫度的增加幅度小于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的增加幅度，導(dǎo)致余熱鍋爐熱效率增加，同時(shí)影響進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度小于20 ℃時(shí)，汽輪機(jī)背壓增加產(chǎn)生的影響小于蒸汽參數(shù)提升產(chǎn)生的影響，汽輪機(jī)熱效率逐漸增加；當(dāng)環(huán)境溫度大于20 ℃時(shí)，環(huán)境溫度增加導(dǎo)致的汽輪機(jī)背壓增加產(chǎn)生的影響大于蒸汽參數(shù)提升產(chǎn)生的影響，汽輪機(jī)效率開(kāi)始逐漸下降。

圖2 主機(jī)設(shè)備綜合指標(biāo)基準(zhǔn)值

圖3為燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)等設(shè)備主要指標(biāo)基準(zhǔn)值，各指標(biāo)基準(zhǔn)值與負(fù)荷率和環(huán)境溫度存在明顯的函數(shù)關(guān)系。

另外，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度及壓損等部分指標(biāo)與負(fù)荷率和環(huán)境溫度不存在明顯的函數(shù)關(guān)系(見(jiàn)表3)。

表3 部分特殊指標(biāo)基準(zhǔn)值

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)等設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值

2.3 節(jié)能診斷分析

根據(jù)式(1)，在確定全負(fù)荷工況范圍內(nèi)指標(biāo)基準(zhǔn)值后，需要進(jìn)一步明確參數(shù)偏離基準(zhǔn)值引起的發(fā)電熱耗率變化，即確定熱耗率偏差因子。熱耗率偏差因子的獲取是建立在運(yùn)行指標(biāo)與機(jī)組能耗之間特性關(guān)系的基礎(chǔ)上。利用Thermoflow軟件建立的仿真計(jì)算模型，定量分析主要運(yùn)行指標(biāo)與機(jī)組發(fā)電熱耗率之間的特性關(guān)系，進(jìn)而確定熱耗率偏差因子。

圖4為不同負(fù)荷下壓氣機(jī)效率與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱耗率的特性關(guān)系。由圖4可得：隨著壓氣機(jī)效率的降低，機(jī)組發(fā)電熱耗率近似呈線性增加的趨勢(shì)，并且隨著負(fù)荷率的降低，壓氣機(jī)效率的降低對(duì)機(jī)組發(fā)電熱耗率的影響逐漸增加。

圖4 壓氣機(jī)效率與機(jī)組發(fā)電熱耗率的特性關(guān)系

圖5為機(jī)組主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)偏離基準(zhǔn)值時(shí)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。

由圖5可得：各指標(biāo)的影響程度從大到小依次為主蒸汽壓力、汽輪機(jī)背壓、壓氣機(jī)效率、燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓損、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降、再熱蒸汽壓損，進(jìn)一步驗(yàn)證了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整的主要技術(shù)手段為壓氣機(jī)水洗和冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化[19-20]，而主蒸汽壓力、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓損、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降和再熱蒸汽壓損等指標(biāo)的性能提升需要結(jié)合機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行。

2.4 能效指標(biāo)在線分析系統(tǒng)

在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系和主要能效指標(biāo)分析模型的基礎(chǔ)上，以某電廠F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為應(yīng)用對(duì)象，開(kāi)發(fā)出一套在線能效監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)模式開(kāi)發(fā)，采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)。該系統(tǒng)可從電廠歷史數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，并且將其輸送至系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器中，通過(guò)能效指標(biāo)計(jì)算模型、基準(zhǔn)值計(jì)算模型和熱耗率偏差因子計(jì)算模型，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)組當(dāng)前工況下的能效指標(biāo)。該系統(tǒng)的主要功能包括能效指標(biāo)監(jiān)測(cè)、能效指標(biāo)分析和對(duì)標(biāo)分析(見(jiàn)圖6)。

圖6 在線能效監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

建立燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系，并且利用Thermoflow軟件搭建F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組仿真計(jì)算模型，進(jìn)行變工況計(jì)算，同時(shí)對(duì)機(jī)組運(yùn)行特性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)能效分析，其特點(diǎn)為：

(1) 建立了五個(gè)層級(jí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系，分析運(yùn)行因素對(duì)核心指標(biāo)的影響程度與規(guī)律，掌握、分析機(jī)組各系統(tǒng)、設(shè)備的技術(shù)性能。

(2) 建立燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組能效分析模型，通過(guò)仿真計(jì)算不同邊界條件和負(fù)荷工況下的機(jī)組能效特性，確定主要運(yùn)行指標(biāo)的基準(zhǔn)值，以及指標(biāo)偏離對(duì)機(jī)組發(fā)電熱耗率的影響曲線。通過(guò)該曲線，生產(chǎn)運(yùn)行人員可快速獲取對(duì)應(yīng)運(yùn)行邊界條件下的基準(zhǔn)值，以及運(yùn)行值偏離基準(zhǔn)值造成的聯(lián)合循環(huán)熱耗率的增加量，為運(yùn)行調(diào)整提供方向。

(3) 通過(guò)研究得出主要指標(biāo)對(duì)機(jī)組發(fā)電熱耗率的影響程度從大到小依次為主蒸汽壓力、汽輪機(jī)背壓、壓氣機(jī)效率、燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓損、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓降、再熱蒸汽壓損，為機(jī)組節(jié)能提效提供了方向。

(4) 基于研究結(jié)果，以某電廠F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為應(yīng)用對(duì)象，開(kāi)發(fā)一套能效指標(biāo)在線分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全廠、機(jī)組全流程的能效指標(biāo)監(jiān)測(cè)和分析，為運(yùn)行優(yōu)化和檢修維護(hù)提供參考。