吳敏杰，湯明峰

(杭州華電下沙熱電有限公司，杭州　310018)

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燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱調(diào)峰機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化

吳敏杰，湯明峰

(杭州華電下沙熱電有限公司，杭州310018)

為提高6FA聯(lián)合循環(huán)供熱調(diào)峰機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性，通過投用減溫減壓裝置，將不符合汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)的蒸汽能量利用起來，用于對(duì)外供熱。經(jīng)濟(jì)性分析表明，優(yōu)化后可有效降低機(jī)組的運(yùn)行成本。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；供熱調(diào)峰；熱態(tài)啟動(dòng)；經(jīng)濟(jì)性

0　引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以效率高、污染少、啟動(dòng)快、調(diào)峰能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在世界上廣泛使用，且往往在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰的作用，因此，日開夜停成了目前燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的常態(tài)[1]。

某2×100 MW級(jí)多軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱調(diào)峰機(jī)組采用“2+2+1”方式，即由2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)余熱鍋爐和1臺(tái)抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組組成。#11，#12燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組分別由1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)與1臺(tái)發(fā)電機(jī)單軸串聯(lián)運(yùn)行，2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)排氣經(jīng)2臺(tái)余熱鍋爐后，再帶動(dòng)#10汽輪發(fā)電機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)出口不設(shè)置旁路煙道，余熱鍋爐進(jìn)口煙道膨脹節(jié)直接與燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段法蘭相連。燃?xì)廨啓C(jī)是GE公司生產(chǎn)的PG6111FA型燃?xì)廨啓C(jī)，采用18級(jí)軸流式壓氣機(jī)、DLN2.6燃燒器和3級(jí)透平[2]。汽輪機(jī)為南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的LCZ75-7.1/1.27/0.59型雙壓、沖動(dòng)、單排汽、單軸、可調(diào)整抽汽凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組對(duì)外供熱負(fù)荷最高為40 t/h左右，為防止供熱中斷，減少事故的發(fā)生，機(jī)組還配置了1套減溫減壓裝置，由主蒸汽管路配合減溫水，通往供熱管路。

機(jī)組通常采用“1拖1”形式運(yùn)行，即由1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)1臺(tái)汽輪機(jī)運(yùn)行，一般在01:00左右停役，06:00左右啟動(dòng)。通過一段時(shí)間的觀察與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱調(diào)峰機(jī)組的熱態(tài)啟動(dòng)還存在許多需要優(yōu)化的地方。

1　現(xiàn)狀調(diào)查與數(shù)據(jù)分析

聯(lián)合循環(huán)供熱調(diào)峰機(jī)組的熱態(tài)啟動(dòng)共有5個(gè)過程，分別為燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)、余熱鍋爐的升溫升壓、汽輪機(jī)的沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)、抽汽的投入及燃?xì)忮仩t的停運(yùn)。

6FA燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷<20 MW時(shí)，其燃燒模式為擴(kuò)散燃燒， NOx排放超標(biāo)[3]，但當(dāng)負(fù)荷≥20 MW時(shí)，燃燒模式切換為預(yù)混燃燒， NOx排放符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，故燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)初期，其負(fù)荷一般設(shè)定為20 MW左右，等待余熱鍋爐升溫升壓。

由圖1可知：燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20 MW時(shí)，余熱鍋爐蒸發(fā)量為80 t/h；夏天燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷一般最高為65 MW左右，余熱鍋爐蒸發(fā)量為110 t/h。

圖1　燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐蒸發(fā)量

2　優(yōu)化措施及產(chǎn)生的影響

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)初期，余熱鍋爐仍在升溫升壓階段，不符合汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)條件的蒸汽通過旁路系統(tǒng)直接回到凝汽器，這一部分蒸汽的能量就被浪費(fèi)了?？紤]到是供熱調(diào)峰機(jī)組，又配有減溫減壓裝置，可將這一部分蒸汽的能量利用起來，用于對(duì)外供熱，從而達(dá)到節(jié)能的目的。優(yōu)化后的熱態(tài)啟動(dòng)流程如圖2所示，具體操作流程如圖3所示。

這一優(yōu)化措施的施行，主要產(chǎn)生以下4個(gè)方面的影響。

2.1對(duì)供熱的影響

之前的供熱負(fù)荷都由燃?xì)忮仩t承擔(dān)，如改用減溫減壓裝置，其前提條件是，余熱鍋爐的蒸發(fā)量必須大于供熱流量。燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20 MW時(shí)，余熱鍋爐蒸發(fā)量為80 t/h，足夠用于對(duì)外40 t/h的供熱流量。

圖2　優(yōu)化后的熱態(tài)啟動(dòng)流程

圖3　具體操作流程

2.2對(duì)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的影響

一部分主蒸汽通過減溫減壓裝置用于對(duì)外供熱，剩余的主蒸汽必須能夠保證汽輪機(jī)的正常沖轉(zhuǎn)，即保證汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)的蒸汽壓力和溫度符合要求，同時(shí)可根據(jù)高壓旁路閥的開度來判斷主蒸汽流量是否充足。

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)需要一定的蒸汽流量，熱態(tài)時(shí)為10 t/h左右。燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20 MW時(shí)，余熱鍋爐蒸發(fā)量為80 t/h，減去用于對(duì)外供熱的40 t/h流量，剩余的40 t/h足夠用于沖轉(zhuǎn)。就地試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，能夠保證2.5 MPa的沖轉(zhuǎn)蒸汽壓力，且旁路仍有50%開度。

2.3對(duì)投入抽汽的影響

汽輪機(jī)中間抽汽的投入需要汽輪機(jī)負(fù)荷達(dá)到19 MW以上，一部分主蒸汽被用于對(duì)外供熱，剩余的蒸汽必須能夠保證抽汽正常投入。表1為燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)供熱調(diào)峰機(jī)組夏季“1拖1”運(yùn)行工況下的各項(xiàng)參數(shù)(表中，排汽干度為0.92)。

表1　機(jī)組夏季“1拖1”運(yùn)行工況下的各項(xiàng)參數(shù)

汽輪機(jī)負(fù)荷計(jì)算公式為

式中：Δh為焓降；qV為主蒸汽流量；η為汽輪機(jī)效率，92%。

(1)當(dāng)供熱流量為15 t/h時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20 MW，對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐蒸發(fā)量為80 t/h，代入上式可得P=(3 520-2 380)×(80-15)×92%×106÷3 600×10-6≈19 (MW) ，汽輪機(jī)負(fù)荷滿足投入抽汽的條件。

(2)當(dāng)供熱流量為40 t/h時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為65 MW，對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐蒸發(fā)量為110 t/h，代入上式可得P=(3 520-2 380)×(110-40)×92%×106÷3 600×10-6≈20 (MW)>19MW，汽輪機(jī)負(fù)荷滿足抽汽投入條件。

投用減溫減壓裝置的邊界條件為：當(dāng)供熱流量小于15 t/h時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷20 MW，余熱鍋爐蒸發(fā)量80 t/h就能滿足抽汽投用的要求；當(dāng)供熱流量等于40 t/h時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷65 MW，余熱鍋爐蒸發(fā)量110 t/h才能滿足抽汽用的條件。

因此，雖然不存在抽汽無法投入的可能，但當(dāng)供熱流量過大時(shí)，抽汽會(huì)不可避免地推遲投入，對(duì)經(jīng)濟(jì)性會(huì)有影響。

3　經(jīng)濟(jì)性分析

3.1時(shí)間點(diǎn)分析

減溫減壓裝置(1.0 MPa，280 ℃)允許投入的時(shí)機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)后8～10 min，熱態(tài)燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)到汽輪機(jī)并網(wǎng)的時(shí)間間隔一般為30～35 min，假設(shè)減溫減壓有效投用時(shí)間為20 min。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)5 MW/min的升負(fù)荷速率，以夏季燃?xì)廨啓C(jī)最高負(fù)荷為65 MW計(jì)算，最長影響時(shí)間為9 min，汽輪機(jī)調(diào)門開度及負(fù)荷調(diào)節(jié)大致需要6 min，抽汽投入推遲時(shí)間為15 min。

3.2計(jì)算過程

當(dāng)供熱流量為15 t/h時(shí)，燃?xì)忮仩t耗氣量為1 200 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，以天然氣價(jià)格為3.08 元/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))計(jì)算，停運(yùn)燃?xì)忮仩t所節(jié)約的天然氣成本為1 200÷60×20×3.08=1 232 (元) 。

由于供熱流量為15 t/h時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷達(dá)20 MW就能順利投入抽汽，故不會(huì)產(chǎn)生推遲抽汽投入的損失，即凈收益就是節(jié)約的成本。

當(dāng)供熱流量為40 t/h時(shí)，燃?xì)忮仩t耗氣量為3 500 m3/h，停運(yùn)燃?xì)忮仩t所節(jié)約的天然氣成本為3 500÷60×20×3.08≈3 593 (元) 。

由于供熱流量為40 t/h，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷必須達(dá)到65 MW才能投入抽汽，總推遲時(shí)間為15 min左右。這段時(shí)間內(nèi)，使用減溫減壓裝置供熱時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷與供熱流量均與使用燃?xì)忮仩t供熱時(shí)相同，唯一的區(qū)別是汽輪機(jī)的負(fù)荷，即推遲抽汽投入的損失就是汽輪機(jī)發(fā)電量的差別導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

圖4表明：當(dāng)供熱負(fù)荷為40 t/h時(shí)，在使用燃?xì)忮仩t供熱時(shí)，可直接投入抽汽，不受外部供熱負(fù)荷影響；在使用減溫減壓裝置供熱時(shí)，需要燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為65 MW時(shí)，方可投入抽汽。圖中的陰影面積表示使用燃?xì)忮仩t供熱比使用減溫減壓裝置多進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽量，折合成發(fā)電量即可計(jì)算出抽汽推遲投入所產(chǎn)生的損失。

式中：t為時(shí)間；D(t)為兩種供熱方式下，進(jìn)入汽輪機(jī)主蒸汽流量的差值隨時(shí)間變化的函數(shù)。

圖4　抽汽推遲投入分析

由上式可精確計(jì)算得到汽輪機(jī)發(fā)電量的損失，但由于此函數(shù)十分復(fù)雜，可采用估算的方法，即將兩者的最大汽輪機(jī)負(fù)荷差值乘以時(shí)間，估算得出最大的汽輪機(jī)發(fā)電量損失。

供熱流量為40 t/h，在使用燃?xì)忮仩t供熱時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20 MW，對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐蒸發(fā)量為80 t/h時(shí)即可投入抽汽，加入抽汽比焓，計(jì)算得出汽輪機(jī)負(fù)荷為

[(80-40)×(3 520-2 380)×92%+40×

(3 520-3 215)×92%]×106÷

3 600×10-6≈15 (MW) 。

當(dāng)使用減溫減壓裝置供熱時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20 MW，對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐蒸發(fā)量為80 t/h，還不能投入抽汽，汽輪機(jī)負(fù)荷為

(80-40)×(3 520-2 380)×92%×106÷

3 600×10-6≈12 (MW) 。

汽輪機(jī)負(fù)荷相差3 MW左右，時(shí)間為15 min，以上網(wǎng)電價(jià)為0.67 元/(kW·h)[4]計(jì)算，會(huì)損失503元左右，從而得到凈收益為3 090元。

機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)1次的收益分析結(jié)果見表2。如果按照全年運(yùn)行1 000 h(2拖1)計(jì)算，每次熱態(tài)啟動(dòng)晝開夜停(1拖1)運(yùn)行16 h，可以計(jì)算得到全年熱態(tài)啟動(dòng)125次左右，即全年可直接節(jié)約機(jī)組運(yùn)行成本15 400～38 600元。如發(fā)電運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)一步增加，其收益也將呈線性增加。

表2　機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)1次的收益分析

4　結(jié)束語

通過減溫減壓裝置，將不符合汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)的蒸汽能量利用起來，用于對(duì)外供熱，從而降低了機(jī)組的運(yùn)行成本，提高了其經(jīng)濟(jì)性。

由于該方案是以40 t/h為最大供熱流量，當(dāng)供熱流量超過40 t/h時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)無法投入抽汽的情況，故在保持燃?xì)忮仩t低負(fù)荷運(yùn)行的基礎(chǔ)上，再投用減溫減壓裝置，從而可以分擔(dān)一部分供熱負(fù)荷，保證即使供熱負(fù)荷超過40 t/h，也能順利投入抽汽，且不會(huì)出現(xiàn)推遲抽汽的問題，在保證機(jī)組安全性的前提下，還兼顧了經(jīng)濟(jì)性。

[1]曾榮鵬，鄭淑芳，謝李兵.大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱電站選型分析[J].華電技術(shù)，2013，35(4):10-13.

[2]周屹民.F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)配置對(duì)比[J].華電技術(shù)，2014，36(11):52-54.

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(本文責(zé)編：劉芳)

2016-03-25；

2016-06-12

TM 611.31

B

1674-1951(2016)07-0025-03

吳敏杰(1990—)，男，浙江紹興人，助理工程師，從事發(fā)電廠運(yùn)行方面的工作(E-mail:zjsxwmj470@126.com)。

湯明峰(1977—)，男，浙江杭州人，技師，從事發(fā)電廠運(yùn)行方面的工作(E-mail:103591602@qq.com)。