基于單軸M701F4聯(lián)合循環(huán)的主廠房布置優(yōu)化方案

馬 悅，李江波，董 舟，李 智

（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050031）

與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電機(jī)組相比，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組具有高效率、低投資、環(huán)保、建設(shè)周期短等顯著優(yōu)勢(shì)［1］。主廠房是聯(lián)合循環(huán)電廠的核心建筑，各種重要的設(shè)備、管道、電纜和控制系統(tǒng)密集地布置在主廠房?jī)?nèi)。近年來(lái)，節(jié)約工程投資和降低工程造價(jià)是發(fā)電廠建設(shè)的基本方針和趨勢(shì)，也是大多數(shù)業(yè)主的期盼。為了使建成后的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主廠房占地面積最少、單位投資最省、建設(shè)速度最快，主廠房方案至關(guān)重要［2］。何語(yǔ)平明確了F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)作為聯(lián)合循環(huán)基本機(jī)型的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)不同型號(hào)、不同配置的E級(jí)、F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的主機(jī)島的占地情況進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比［3－4］。同時(shí)指出，多套并列F 級(jí)單軸機(jī)組是建設(shè)大型聯(lián)合循環(huán)電廠的最佳布置形式。張軍分析了各種型號(hào)的單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組布置占地情況，也得出了多套并列的單軸機(jī)組作為大型聯(lián)合循環(huán)電廠布置方案有利于管理和維護(hù)［5］。張海凌提出了M701F單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的主廠房的長(zhǎng)度、寬度和運(yùn)轉(zhuǎn)層高度均可以進(jìn)一步優(yōu)化，但是并未進(jìn)一步展開(kāi)詳細(xì)分析［6］。黃軍軍等對(duì)F 級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組露天布置方案需要考慮的問(wèn)題進(jìn)行了較為全面的分析，研究表明在噪聲敏感地區(qū)和多雨水或沙塵的區(qū)域，推薦室內(nèi)布置，而在噪聲要求不高的區(qū)域，燃機(jī)兩種布置方案均可，但文中并未對(duì)發(fā)電機(jī)露天方案展開(kāi)討論［7］。孫永斌等對(duì)PG9171E 燃機(jī)露天布置方案進(jìn)行了介紹［8］。張壯等則探討了F 級(jí)1＋1多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)露天布置方案，論述了燃機(jī)轉(zhuǎn)子采用移動(dòng)式吊車檢修的可行性，并初步計(jì)算了所需吊車的噸位［9］。

綜上所述，前人的研究均肯定了F 級(jí)單軸配置的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的重要性，認(rèn)為其主廠房的尺寸和標(biāo)高能夠適當(dāng)優(yōu)化，并且有可能實(shí)現(xiàn)露天布置。基于此，本文以某M701F4單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為依托，在不影響其性能的前提下，對(duì)主廠房露天布置方案進(jìn)行分析和實(shí)施，并對(duì)主廠房的大小和各層標(biāo)高進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)約主廠房投資的目的。

1 M701F4燃?xì)廨啓C(jī)

大型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組應(yīng)用廣泛，E／F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的主要生產(chǎn)廠家有美國(guó)GE、德國(guó)Siemens、日本Mitsubishi、法國(guó)Alstom 等幾家公司。早在2001年至2007年6年間，中國(guó)以3次“打捆招標(biāo)、市場(chǎng)換技術(shù)”的方式，引進(jìn)了GE，MHI，Siemens公司的E／F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)50余套共20 000 MW，目前，除主要本體熱部件以及重要閥門必須依靠進(jìn)口外，國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到70%。

哈爾濱動(dòng)力設(shè)備公司、上海電氣集團(tuán)、東方電氣集團(tuán)分別與GE，Siemens，Mitsubishi公司進(jìn)行合作，引進(jìn)其F級(jí)機(jī)組技術(shù)。Alstom 也是重型燃機(jī)的著名生產(chǎn)商之一，但其沒(méi)有在第一批F 級(jí)燃機(jī)打捆招標(biāo)中進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，因而其F 級(jí)燃機(jī)并沒(méi)有進(jìn)入國(guó)產(chǎn)化名單。

M701F4燃機(jī)是Mitsubishi公司在M701F3基礎(chǔ)上，采用了部分G 型燃機(jī)的技術(shù)改進(jìn)得到。其改進(jìn)的措施主要體現(xiàn)在壓氣機(jī)葉片葉型、轉(zhuǎn)子冷卻空氣系統(tǒng)、燃燒器、排氣擴(kuò)散段等多個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。與M701F3相比，M701F4 性能有了較大的提高，ISO 工況聯(lián)合循環(huán)效率由57%提高到了59%，單循環(huán)出力由270.3 MW 提升到了312.0 MW。因此，綜合各型號(hào)燃機(jī)的性能指標(biāo)以及國(guó)產(chǎn)化情況，M701F4燃機(jī)在性能和特點(diǎn)上較出色，受到中國(guó)國(guó)內(nèi)眾多用戶的青睞［10－14］。

2 M701F4機(jī)組常規(guī)主廠房方案

2.1 主廠房方案的影響因素

燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)電廠的主廠房方案與主機(jī)型號(hào)、進(jìn)氣方式、機(jī)組配置等因素密切相關(guān)。對(duì)于M701F4燃?xì)廨啓C(jī)，其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組配置形式有單軸和多軸兩種，進(jìn)氣方式有上進(jìn)氣、下進(jìn)氣和側(cè)進(jìn)氣，如圖1—圖3所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)低位上進(jìn)氣Fig.1 Low－layout gas turbine with up air inlet

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)高位側(cè)進(jìn)氣Fig.2 High－layout gas turbine with side air inlet

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)高位下進(jìn)氣Fig.3 High－layout gas turbine with lower air inlet

當(dāng)機(jī)組多軸配置時(shí)，主機(jī)的布置形式較為靈活，燃機(jī)3種進(jìn)氣方式均能夠?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)機(jī)組為單軸配置時(shí)，燃機(jī)、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)同軸布置，蒸汽輪機(jī)具有軸向排氣和下排氣2種方式，軸向排氣的機(jī)組整體低位布置，下排氣的機(jī)組則需要考慮凝汽器空間，整體高位布置。由于三菱M701F4燃機(jī)所配置的蒸汽輪機(jī)推薦下排氣方式，因此需要考慮蒸汽輪機(jī)向下排氣的空間要求，此時(shí)的燃機(jī)可以采用下進(jìn)氣和側(cè)進(jìn)氣方式。其中，下進(jìn)氣方式為燃機(jī)房、汽機(jī)房形成聯(lián)合廠房提供了條件，在運(yùn)轉(zhuǎn)層形成大平臺(tái)，視野開(kāi)闊，干凈整潔，利于檢修；側(cè)進(jìn)氣方式則需要考慮進(jìn)氣裝置的凈距離要求，不利于機(jī)組的連續(xù)建設(shè)，而且在主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層進(jìn)風(fēng)道區(qū)域形成隔離，對(duì)通行和檢修維護(hù)工作造成一定影響，通常建設(shè)單套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的工程中會(huì)考慮該方案。因此，本文將重點(diǎn)分析M701F4燃機(jī)下進(jìn)氣方式的單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的主廠房布置方案。

2.2 單軸M701F4機(jī)組的主廠房布置方案

單軸配置的燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)電站的主廠房布置有單跨和雙跨2 種方案，如圖4和圖5所示。其中，雙跨結(jié)構(gòu)具有布置緊湊、空間利用充分、檢修條件良好、施工難度小等優(yōu)點(diǎn)，因此工程中常以雙跨方案為首選方案。雙跨主廠房的常規(guī)布置形式如下。

圖4 單跨方案主廠房斷面圖Fig.4 Section drawing of single－span main building

圖5 雙跨方案主廠房斷面圖Fig.5 Section drawing of twin－span main building

主廠房的平面布置，跨度方向從外向內(nèi)依次設(shè)置A，B，C三列柱，其中發(fā)電機(jī)位于A－B列，蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)位于B－C列。主廠房總跨度為63m，其中A－B列跨度為23m，B－C列跨度為40m。

主廠房的高度方向從下到上依次為0m 層、中間層、運(yùn)轉(zhuǎn)層。主廠房的0m 層內(nèi)主要布置蒸汽輪機(jī)的凝汽器、燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣裝置及燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的輔助設(shè)備；主廠房的中間層標(biāo)高為6.5m，主要布置有軸封蒸汽冷卻器及主要汽水管道；主廠房的運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為13.00m，從A 列柱至C 列柱依次布置有：發(fā)電機(jī)、蒸汽輪機(jī)低壓缸、蒸汽輪機(jī)高中壓缸、燃?xì)廨啓C(jī)。

主廠房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)行車，A－B列跨度設(shè)置1臺(tái)75／20t行車，用于檢修維護(hù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、電氣設(shè)施以及A－B列跨度內(nèi)的輔機(jī)；B－C列跨度設(shè)置1臺(tái)105／20t行車，用于檢修維護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)以及附屬設(shè)施。

3 存在的問(wèn)題

根據(jù)上述常規(guī)雙跨單軸M701F4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主廠房方案的描述，其主廠房主要有以下待優(yōu)化點(diǎn)。

1）主廠房A 列柱所在的墻體至發(fā)電機(jī)之間設(shè)置有發(fā)電機(jī)檢修空間，從0m 層至運(yùn)轉(zhuǎn)層均需留出檢修空間，導(dǎo)致A－B 列跨度增大，廠房占地面積和體積增大，初建成本增加。

2）目前，M701F4 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的蒸汽輪機(jī)為150 MW 級(jí)，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，該等級(jí)蒸汽輪機(jī)主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高通常為9～11m，表1列出了不同等級(jí)蒸汽輪機(jī)主廠房的運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高。單軸機(jī)組受到進(jìn)氣裝置和凝汽器檢修抽管空間的限制，運(yùn)轉(zhuǎn)層的標(biāo)高設(shè)置在13 m，與300 MW 等級(jí)的蒸汽輪機(jī)相當(dāng)。因此，主廠房?jī)?nèi)有較多空間未得到充分利用，增加了主廠房的體積，同時(shí)也增加了部分汽水管道和電纜用量。

表1 不同規(guī)模電廠的主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高Tab.1 Operation floor elevation in different size power plants

3）A－B列行車的主要任務(wù)是檢修發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及0m 層和中間層布置于A－B列的輔助設(shè)備，無(wú)需預(yù)留過(guò)多的行車提升空間。因此，主廠房?jī)?nèi)A－B 列運(yùn)轉(zhuǎn)層以上的空間實(shí)際作用不大，使得主廠房體積增加。

4 工程實(shí)例

本節(jié)中，結(jié)合上述主廠房方案的描述以及對(duì)所存在問(wèn)題的分析，以某2×400 MW 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工程為依托，提出了解決措施，并對(duì)優(yōu)化后的主廠房方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

4.1 工程概況

某燃機(jī)電廠建設(shè)規(guī)模為2×400 MW 級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，根據(jù)主機(jī)最終招標(biāo)結(jié)果，配置2套F 級(jí)“一拖一”單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。主設(shè)備（包括2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、2臺(tái)蒸汽輪機(jī)、2臺(tái)發(fā)電機(jī)、2臺(tái)余熱鍋爐）由東方電氣集團(tuán)整體供貨。燃機(jī)、汽機(jī)和發(fā)電機(jī)為單軸高位布置，燃機(jī)型號(hào)為M701F4，下進(jìn)氣，蒸汽輪機(jī)純凝運(yùn)行，余熱鍋爐為三壓、再熱、無(wú)補(bǔ)燃、臥式布置，帶脫硝裝置。

4.2 優(yōu)化措施

針對(duì)所存在的問(wèn)題分析，本文提出了以下優(yōu)化措施。

4.2.1 主廠房A－B列跨度

減小A－B列跨度，主要影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢修空間和部分輔助設(shè)備的布置。輔助設(shè)備的位置是可以調(diào)整的，主要是考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢修的空間。所以，計(jì)算A－B列最小跨度的方法是：以發(fā)電機(jī)檢修抽轉(zhuǎn)子時(shí)，其重心在行車吊鉤極限范圍內(nèi)為出發(fā)點(diǎn)，保證行車的主鉤在極限位置處仍能夠起吊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重心。

M701F4單軸機(jī)組所配發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度約14 m，發(fā)電機(jī)中心線至轉(zhuǎn)子抽出后的極限位置19.1 m。如圖6所示，燃?xì)廨啓C(jī)在排氣端的封閉位置是確定的，因此C 列的位置相對(duì)主機(jī)是固定的，同時(shí)，為了保證蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的起吊和安裝，B列的位置也相對(duì)固定。因此，根據(jù)單軸機(jī)組燃機(jī)、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)的連接尺寸可以推算出A－B 列廠房的最優(yōu)尺寸。經(jīng)過(guò)計(jì)算，A－B 列優(yōu)化后的尺寸為19m。

4.2.2 主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高

運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高降低，主要考慮燃機(jī)進(jìn)氣裝置和凝汽器抽管檢修2個(gè)制約因素。

圖6 A－B列跨度計(jì)算示意圖Fig.6 Schematic drawing of A－B span calculation

進(jìn)氣裝置布置在燃機(jī)的排氣過(guò)渡段下方，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高降低，機(jī)組中心線隨之降低，排氣段可能會(huì)影響到燃機(jī)的進(jìn)氣裝置，同時(shí)，燃機(jī)進(jìn)氣裝置需要考慮下部排水、檢修等空間要求。此外，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高降低后，中間層標(biāo)高隨之降低，需要保證凝汽器的抽管檢修空間不受影響。

經(jīng)細(xì)致計(jì)算分析，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高可以考慮降低800mm，降低后的運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高12.2m，中間層標(biāo)高6.1m。通過(guò)采取以下措施保證上述方案實(shí)施。

1）機(jī)組中心線降低后，為了保證進(jìn)氣裝置與排氣過(guò)渡段之間的距離要求，可以局部調(diào)整進(jìn)氣口的長(zhǎng)度和高度，保證吸氣裝置的進(jìn)風(fēng)面積，從而保證燃機(jī)的進(jìn)氣量。

2）適當(dāng)降低C 列外廠區(qū)地坪標(biāo)高200～300 mm，以保證進(jìn)氣裝置內(nèi)的積水順利排出。

3）凝汽器結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，使抽管空間均處于0 m 以上。

4.2.3 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組露天布置

為了進(jìn)一步減小主廠房體積，降低主廠房造價(jià)，可以考慮聯(lián)合循環(huán)機(jī)組露天布置［7，14］。

對(duì)于雙跨結(jié)構(gòu)的主廠房，B－C 列為燃機(jī)、汽機(jī)房。首先，B－C 列0m 層和中間層需要檢修起吊的輔助設(shè)備較多，如主汽閥、旁路閥、主油泵等，運(yùn)轉(zhuǎn)層開(kāi)孔較多，露天布置后不僅影響美觀，又增加防雨水等費(fèi)用。此外，由于主機(jī)均為高位布置，行車噸位較大，露天布置后，無(wú)法設(shè)置常規(guī)的行車，對(duì)設(shè)備的日常維護(hù)和大修工作均造成較大的影響［8］。因此本文中不建議考慮B－C列露天。

A－B列為發(fā)電機(jī)房，其行車的主要任務(wù)是檢修發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和位于A－B列范圍內(nèi)的輔助設(shè)備，如凝結(jié)水泵。因此，A－B 列運(yùn)轉(zhuǎn)層以上的廠房空間實(shí)際作用不大，可以考慮露天。同時(shí)，可以省去A 列運(yùn)轉(zhuǎn)層以上立柱，進(jìn)一步節(jié)省投資。在該工程中，充分考慮了露天布置后檢修維護(hù)工作的便利性，引入了半門式行車，如圖7所示。同時(shí)，發(fā)電機(jī)安裝防雨罩，既保證了主廠房的美觀性，又可以有效保護(hù)發(fā)電機(jī)免受風(fēng)吹日曬等。

圖7 A－B列半門式行車示意圖Fig.7 Schematic drawing of semi－portal crane utilized in A－B span

4.3 主廠房方案對(duì)比

通過(guò)上述優(yōu)化措施的實(shí)施，形成了新的主廠房布置方案，如圖8所示。壓縮A－B 列跨度后，原布置在A 列附近0m 層和中間層的輔助設(shè)備或電氣配電間，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，均可以布置在優(yōu)化后的場(chǎng)地內(nèi)，其他主廠房各層的輔助設(shè)備布置基本無(wú)變化。同時(shí)，A 列與主機(jī)基座之間仍然可以保留2m 的檢修維護(hù)通道。主要參數(shù)對(duì)比和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表2和表3所示。通常，發(fā)電廠主廠房的單位體積造價(jià)按200～300元／m3考慮。但是，本工程中由于所節(jié)省的體積部分均在運(yùn)轉(zhuǎn)層以上，實(shí)際只節(jié)省了部分屋架和立柱，因此節(jié)約費(fèi)用與減少的體積數(shù)之間并非線性關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，實(shí)際節(jié)省費(fèi)用約395萬(wàn)元。考慮發(fā)電機(jī)加裝防雨罩、運(yùn)轉(zhuǎn)層防水、額外降噪措施等共增加費(fèi)用約150 萬(wàn)元，實(shí)際節(jié)省費(fèi)用約為245萬(wàn)元。

圖8 優(yōu)化后的主廠房斷面布置圖Fig.8 Section drawing of the optimized main building

表2 優(yōu)化前后主廠房指標(biāo)對(duì)比表Tab.2 Comparison of parameters of main building before and after optimization

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程，從跨度、運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高、露天3個(gè)方面對(duì)M701F4單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主廠房方案進(jìn)行了優(yōu)化，提出了具體的解決措施。上述優(yōu)化措施以及為發(fā)電機(jī)安裝防雨罩和半門式行車均為首次應(yīng)用于實(shí)際工程中。與常規(guī)方案相比，優(yōu)化后的主廠房體積減小了約39 600m3，節(jié)約了主廠房投資約245萬(wàn)元。

表3 優(yōu)化前后的主廠房投資對(duì)比Tab.3 Comparison of investment of main building before and after optimization

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