關于9E級燃氣輪機聯合循環系統冷熱電三聯產經濟性分析

張宗毅

摘 要：基于當前工業領域的快速發展，燃氣輪機聯合循環系統應用逐漸引起了人們關注，尤其是采用冷熱電三聯產方式的聯合循環機組經濟效益顯著。因此，通過對三聯產機組的經濟性分析，來不斷完善運行方式，達到高效運行的目的。本文從冷熱電三聯產經濟性計算入手，闡述了9E燃氣輪機聯合循環系統運行時的具體優化策略。

關鍵詞：9E級燃氣輪機；聯合循環系統；經濟性

在國家產業政策調整的推動下，越來越多的9E燃氣輪機聯合循環得到應用。通過研究其運行經濟性，可不斷改善聯合循環機組的設計和運行方案。以下是對冷熱電三聯產方式的9E燃氣輪機聯合循環系統的經濟性分析。

一、冷熱電三聯產熱經濟性分析計算

（一）主要設備技術參數

某廠在設計、籌建期間，為了順應國家產業調整趨勢，于2014年引進了2套9E燃氣輪機聯合循環機組，總裝機容量為370MW，對外供熱能力為320t/h。每套聯合循環由1臺燃氣輪機、1臺蒸汽輪機、1臺余熱鍋爐組成。其中，燃氣輪機在ISO工況下滿負荷運行出力為125MW，選用燃料為天然氣。正常運行時，一級燃氣透平入口煙溫高達1124℃，排氣溫度為538℃，燃氣輪機氣耗率控制在0.2538Nm3/kWh，即單循環熱效率約為33%。所配套的汽輪機滿負荷運行時主蒸汽壓力5.55MPa，主蒸汽溫度為513℃，進氣流量約為194t/h。余熱鍋爐采用三壓無補燃方式，高、低壓系統運行中的過熱蒸汽壓力分別為5.73MPa、0.853MPa，高、低壓過熱蒸汽溫度分別為515℃、253℃，蒸汽流量分別為195t/h、39t/h。

（二）能源利用情況

9E級燃氣輪機聯合循環系統工作原理，即壓氣機從外界大氣環境吸入空氣，并經過軸流式壓氣機逐級壓縮使之增壓，同時空氣溫度也相應提高；壓縮空氣被壓送到燃燒室與噴入的天然氣混合燃燒生成高溫高壓的燃氣；然后再進入到透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機和發電機轉子一起高速旋轉，實現了氣體燃料的化學能部分轉化為機械功，并輸出電能。通常燃氣透平發出的機械功有1/2到2/3左右用來帶動壓氣機，其余的1/3左右的機械功用來驅動發電機。另外從燃氣透平中排出的廢氣送到余熱鍋爐換熱，將水加熱成高溫高壓過熱蒸汽輸送到汽輪機膨脹做功，最終達到再次發電的目的。

此外，在燃氣輪機聯合循環系統運行時，可以很好的采用能源梯級利用，從汽輪機中抽取品質較低的蒸汽，用于供熱或者制冷，達到能源高效利用，聯合循環機組發電的熱效率與單循環發電熱效率相比，將呈現出明顯的增長趨勢。據相關調查數據顯示，燃氣輪機單循環發電，其發電熱效率為33%-40%，而聯合循環機組發電熱效率為52%-60%，相比之下，其發電熱效率提高約19%-20%[ 2 ]。

除此之外，若采取以燃氣輪機為核心的聯合循環冷熱電三聯產運行方式，將使總熱效率提升至70%-80%，甚至達到90%。因此，為了滿足當前發電、綜合供熱、制冷的需求，需針對9E級燃氣輪機聯合循環系統運行的經濟性進行全面分析。

（三）熱經濟性計算

對于冷熱電三聯產運行方式的9E燃機聯合循環機組，其熱經濟性分析，應從以下幾個方面入手：

首先，為了更好的評估冷熱電三聯產經濟性，需計算純發電的聯合循環機組熱效率，即其發電效率表達式如下：

ηOC=ηGT+（1-ηGT）ηHRST°ηST（%）

其中，ηGT為燃氣輪機發電效率，是33.8%，而ηHRST為余熱鍋爐效率，是82%，ηST為汽輪機發電組發電效率，為33%，從中可知ηOC聯合循環機組發電效率為51.8%，即發電效率明顯高于燃煤機組[ 3 ]。

其次，對于采用冷熱電三聯產運行方式的9E燃氣輪機聯合循環機組，由于一部分能量用于發電的同時，又抽取低品質的蒸汽用于供熱或者制冷，因此，將不會產生冷源損失，那么在蒸汽輪機的發電功率Nn，可用如下公式表示：

Nn=（kW）

將蒸汽輪機有關數據，即i0：3462kJ/kg，in：2910kJ/kg等帶入到公式中，同時，代入系統實際機械效率im和汽輪發電機效率ie，可得出汽機在不同供熱量情況下的發電效率。即當供熱量Dn分別為20×103kg·h-1、40×103kg·h-1、60×103kg·h-1、80×103kg·h-1時，汽輪機發電機組熱效率對應值為34.1%、35.23%、36.5%、37.81%。

再次，若在運行方式中采取冷熱電三聯產，那么聯合循環總效率可用如下公式對其進行修正，即：

ηOC′=ηGT +（1-η）ηHRST°ηcn（%）

從中可知不同供熱量狀態下三聯產熱效率。即當供熱量Dn分別為20×103kg·h-1、40×103kg·h-1、60×103kg·h-1、80×103kg·h-1時，其所對應的熱效率分別為52.31%、52.92%、53.6%、54.71%，與燃氣輪機單循環相比，冷熱電三聯產運行方式經濟性更為明顯。因此，在實際運用中，應優先采用冷熱電三聯產的運行方式，由此達到最佳的經濟效果。

二、計算結果分析

從冷熱電三聯產分析結果可知，當9E級燃氣輪機聯合循環系統處在穩定運行狀態時，采取三聯供方式，其節能效果非常明顯，尤其在冬季供熱時，聯合循環三聯供系統運行將優于分產系統，即由于分產系統需消耗一次能源，而聯合循環三聯供系統則消耗低品質的蒸汽，從而達到較為節能的供熱效果，因此，在注重經濟效益的今天，合理運用三聯供方式是大勢所趨。

此外，當前采用三聯供方式也涉及到供熱設備效率、制冷機效率、投資等多種因素，因而，在系統規劃期間，應從環保、經濟、節能角度出發，科學設定系統運行方案。

三、結論

綜上可知，基于當前社會可持續發展背景下，經濟、節能、環保等問題逐漸引起了人們關注。9E級燃氣輪機聯合循環系統的引進，尤其是采用三聯供方式，在滿足供電需求的同時，發展供熱、供冷，明顯改善了以往耗能高的問題，符合當前社會可持續發展需求，因地制宜，科學發電。

參考文獻：

[1] 宋泓明，王明友，楊智勇，等.燃氣冷熱電三聯供系統發電裝置的選擇[J].建筑電氣，2011，14（07）：29-32.

[2] 劉小軍，李進，曲勇，等.冷熱電三聯供（CCHP）分布式能源系統建模綜述[J].電網與清潔能源，2012，13（07）：63-68.