二拖一燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組設計特點

徐 清

（廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

二拖一燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組設計特點

徐 清

（廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

本文依托大量二拖一燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組的工程設計實例，對二拖一燃氣機組的系統配置和特點進行分析和總結。

二拖一；聯合循環發電供熱機組；系統配置；系統特點；供熱能力。

隨著國家對環境保護和節能減排的重視，燃氣—蒸汽聯合循環發電供機組熱因其熱效率高、污染低、工程總投資低、建設周期短、占地和用水量少、自動化程度高等一系列優點，已成為國內一線城市區域供熱的必然趨勢。目前，國內采用二拖一燃氣—蒸汽聯合循環機組配置的有北京太陽宮燃氣熱電冷聯供工程、華能北京熱電廠燃氣工程、北京草橋燃氣電廠工程以及天津華電南疆熱電項目二期工程等，通過對多個燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組設計特點的分析，提煉總結了其系統配置和動力島布置方案。本文著重介紹北京周邊地區二拖一多軸燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組的系統配置和特點以及該類型機組動力島典型布置方案。

1　二拖一燃氣機組的系統配置

二拖一多軸燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組由2臺燃氣輪發電機組、2臺余熱鍋爐、1臺蒸汽輪發電供熱機組組成。燃氣輪發電機組與余熱鍋爐在同一中心線上，但與蒸汽輪發電供熱機組不同軸。

二拖一機組燃燒系統與常規一拖一機組相同，均由燃氣輪機和余熱鍋爐的煙氣系統構成。空氣由燃氣輪機進氣裝置引入壓氣機壓縮后，進入環繞在燃機主軸上的燃燒室（器）。天然氣與進入燃燒室的壓縮空氣進行混合燃燒，燃燒后的高溫煙氣進入燃氣輪機膨脹做功，帶動燃氣輪機轉子轉動，拖動發電機發電。對大型F級燃機，做功后的煙氣溫度依然很高，一般在550～640℃。高溫煙氣通過煙道進入余熱鍋爐，加熱鍋爐給水，產出不同品質的過熱蒸汽去汽機做功，煙氣中的熱量在余熱鍋爐中被充分吸收和利用，最后經余熱鍋爐的主煙囪排入大氣。

二拖一機組熱力系統與常規一拖一機組差別較大。每臺余熱鍋爐的給水被燃機排氣加熱后產生的高壓過熱蒸汽由高壓過熱器聯箱出口引出，與另一臺余熱鍋爐的高壓過熱蒸汽匯合后，經母管接至蒸汽輪機高壓缸的主汽門和調節汽門，進入汽輪機高壓缸做功。做功后的蒸汽從高壓缸末級排出經冷再熱蒸汽母管道重新分配后，分別回到兩臺余熱鍋爐，在進入再熱器之前與余熱鍋爐中壓過熱器出來的蒸汽混合，經余熱鍋爐再熱后，一臺余熱鍋爐的再熱蒸汽與另一臺余熱鍋爐的再熱蒸汽再次匯合，通過再熱蒸汽熱段接至蒸汽輪機中壓缸的中壓汽門和中壓調節汽門，進入汽輪機中壓部分做功。余熱鍋爐低壓蒸汽系統流程與高壓主蒸汽流程基本相同，接至汽機低壓缸主汽門和調節汽門。高、中、低壓蒸汽在汽機內做功后，乏汽在凝汽器中被冷卻，凝結水經凝結水泵升壓后重新分配，分別進入兩臺余熱鍋爐的低壓省煤器，至此完成一個完整的汽水循環。

對二拖一燃氣發電供熱機組，汽機中壓缸末級抽汽送至熱網加熱器去加熱熱網循環水，隨后熱網疏水回到凝結水母管，與凝結水一起經過重新分配分別進入兩臺余熱鍋爐尾部低壓省煤器。

2　二拖一燃氣機組系統設計特點

2.1熱力系統特點

對二拖一燃氣—蒸汽聯合循環機組，由于兩臺燃氣輪機對應兩臺余熱鍋爐，而兩臺余熱鍋爐對應同一臺蒸汽輪機，因此整套二拖一聯合循環機組的運行是相互影響、相互制約的。

機組正常運行時，來自兩臺余熱鍋爐的高、中、低壓蒸汽參數（包括壓力、溫度和流量）應相互匹配，壓差一般不超過0.05～0.3 MPa，溫差不超過15℃（以低于5℃為宜），流量相當，才能保證并汽過程安全穩定，管道無振動，機組運行安全。同時，汽機高壓缸排汽（再熱蒸汽冷段）和凝結水在回到余熱鍋爐之前需重新分配，以大致相當的蒸汽量分別回到兩臺余熱鍋爐再熱器和低壓省煤器入口。

由于二拖一機組熱力系統的上述特點，在高中低壓蒸汽系統設計中應有特殊考慮。

圖1中，A、B、C點分別為高壓、再熱熱段和低壓蒸汽的并汽點，D為再熱冷段蒸汽分汽點，E為凝結水分流點。

圖1　二拖一燃氣—蒸汽聯合機組原則性熱力系統圖

由于高壓、再熱熱段和低壓蒸汽來自兩臺余熱鍋爐，當一臺余熱鍋爐運行而另一臺余熱鍋爐停運時，為避免兩臺余熱鍋爐之間相互串汽，在并汽點之前需設置電動關斷閥和止回閥；同理，再熱冷段蒸汽和凝結水在分汽點和分水點之前也應設置電動關斷閥和止回閥。

由于布置的原因，回到兩臺余熱鍋爐的再熱冷段蒸汽管道長度是不同的，因此壓損也不同，為使回流至兩臺余熱鍋爐的蒸汽均勻，在分汽點D后的支管道上還設置了用于粗調流量的電動蝶閥，以保證整個熱力系統的汽量平衡。

2.2蒸汽系統的并汽與退汽

二拖一機組的啟動方式為：一臺燃氣輪機、一臺余熱鍋爐及汽機先期啟動并帶至一定負荷，再啟動另一臺燃氣輪機和余熱鍋爐，后啟動的余熱鍋爐蒸汽參數應與先期啟動的余熱鍋爐蒸汽參數相匹配再并入其中，這是并汽過程。若機組停機或停運一臺燃氣輪機和余熱鍋爐，則先將負荷降至一定值，然后其中一臺余熱鍋爐的高中低壓主蒸汽和再熱蒸汽從熱力系統中退出，這是退汽過程。

機組啟動時，先由一臺燃氣輪機啟動并網，帶動相對應的余熱鍋爐產生蒸汽驅動蒸汽輪機啟動。蒸汽輪機升速過程中，高壓蒸汽進入高壓缸，經高壓排氣通風閥排入凝汽器，同時通過高壓旁路經冷再熱蒸汽管道、余熱鍋爐再熱器、熱再熱蒸汽管道回到蒸汽輪機中壓缸。蒸汽輪機并網后，高壓排氣通風閥關閉，高壓缸內蒸汽做功后從高壓缸末級經冷再熱蒸汽管道回到余熱鍋爐再熱器再熱，然后由熱再熱蒸汽管道進入中壓缸。

并汽過程包括兩臺余熱鍋爐的高壓、再熱熱段、低壓蒸汽并汽進入同一臺汽機和從汽機高壓缸末級排出經再熱冷段蒸汽管道分配重新回到兩臺余熱鍋爐這兩個部分。

并汽的重點在于并汽過程中來自兩臺余熱鍋爐的各級蒸汽壓力和溫度是否匹配，后啟動的余熱鍋爐蒸汽是否能穩定、順暢并入在運行余熱鍋爐蒸汽中。目前對二拖一燃氣聯合循環機組并汽的方案主要有如下兩種：

一是先高壓主蒸汽并汽、后再熱蒸汽并汽的方案（表1）。該方案在高壓主蒸汽具備并汽條件后，用高壓旁路閥控制待并余熱鍋爐的蒸汽壓力略高于在運行余熱鍋爐的主蒸汽壓力，然后逐漸開啟待并余熱鍋爐關斷閥，高壓主蒸汽逐漸并入，同時逐漸開啟待并余熱鍋爐的再熱器入口調節閥，控制返回待并余熱鍋爐的冷再熱蒸汽流量，維持待并余熱鍋爐的蒸汽平衡。高壓主蒸汽并汽完成后，由中壓旁路閥將待并余熱鍋爐的再熱蒸汽壓力控制在略高于運行余熱鍋爐的蒸汽壓力，逐漸開啟待并余熱鍋爐再熱蒸汽關斷閥，同時逐漸關閉待并余熱鍋爐中壓旁路閥，直到并汽完成。

表1　先高壓主汽、后再熱蒸汽并汽方案

二是高壓主蒸汽、再熱蒸汽同時并汽的方案（表2）。高壓主蒸汽、再熱蒸汽同時進行并汽，是通過高壓旁路閥和中壓旁路閥控制兩臺余熱鍋爐的高壓主蒸汽和再熱蒸汽參數符合并汽條件后同時開啟高壓主蒸汽關斷閥和再熱蒸汽關斷閥來實現的。

退汽過程是并汽過程的逆向操作，因沒有蒸汽參數匹配的問題，過程相對簡單，這里不再詳述。

表2　高壓主汽、再熱蒸汽同時并汽方案

2.3三種運行工況

為滿足供熱負荷需求，在裝機容量不變的前提下盡最大可能提高供熱負荷，在汽機高中壓缸和低壓缸之間設置SSS離合器，機組可按純凝、抽凝和背壓三種方式運行，見圖2。

圖2　機組全年運行工況

在非采暖季，外網無熱負荷需求，汽機按純凝方式運行，此時全部蒸汽去往低壓缸繼續做功。

在采暖季初和季末，外網熱負荷需求量少，汽輪機最大抽汽量滿足供熱負荷需要，汽輪機采用抽凝方式運行。

以上兩種運行方式汽機高中壓缸、低壓缸之間的SSS離合器不解列，做功后的乏汽經凝汽器冷卻后進入凝結水系統進入下一次汽水循環。

在采暖季供熱高峰期，外網熱負荷需求量最大，汽輪機最大抽汽量已不能滿足供熱負荷需要，此時需將SSS離合器脫開，低壓缸解列，高中壓缸背壓運行，其排汽及低壓主汽全部用于加熱熱網加熱器。低壓轉子隨轉，凝汽器保持真空備用狀態。凝汽器和凝結水前置泵停運。

在汽機高中壓缸和低壓缸之間利用SSS離合器提高機組冬季供熱能力的設計技術，在國內尚屬首次。該技術的應用，開辟了燃氣—蒸汽聯合循環發電機組提高供熱能力的新途徑。

2.4負荷同升同降

如前所述，二拖一燃氣—蒸汽聯合循環機組兩臺燃氣輪機對應兩臺余熱鍋爐，而兩臺余熱鍋爐對應同一臺蒸汽輪機，因此整套二拖一聯合循環機組的運行是相互影響、相互制約的，這就要求與余熱鍋爐相對應的燃氣輪機的負荷調節保持同升同降，兩臺燃氣輪機的出力應保持基本一致。若電網或熱網對電廠進行電負荷或熱負荷調度，則應對兩臺燃氣輪發電機組同時進行調節，保持負荷同升同降，以確保兩臺余熱鍋爐汽水系統并汽和分流過程平穩安全，而不宜單獨調節其中一臺燃機和余熱鍋爐的負荷。

原則上，當電網或熱網調度的負荷降至50%及以下時，應停運一臺燃機和一臺余熱鍋爐，保持另一臺燃機和另一臺余熱鍋爐滿負荷運行，而汽機則在50%左右負荷下運行，此時若投入整套二拖一聯合循環運行是不經濟的。

2.5汽機事故工況熱力系統設置

當汽機事故時或極端天氣條件下，為保證外網熱負荷供應，來自兩臺余熱鍋爐的主蒸汽經汽機高壓旁路減溫減壓閥后，進入余熱鍋爐再熱器，再熱后經再熱熱段蒸汽管道及中壓旁路減溫減壓閥，送至為汽機事故工況而增設的減溫減壓器，經該事故減溫減壓器減溫減壓后，滿足要求的加熱蒸汽引至熱網加熱器系統對熱網循環水進行加熱。

事故減溫減壓器設置兩臺，分別從兩臺余熱鍋爐再熱管道上引接，見圖3。

圖3　汽機事故工況熱力系統圖

2.6提高蒸汽輪發電機組供熱能力措施

2.6.1選擇F級二拖一聯合循環機組

在投資和占地許可的前提下，選擇熱效率高的F級燃氣—蒸汽聯合循環機組，該等級燃氣聯合循環機組的最大供熱能力可達約650MW。

對比兩套一拖一聯合循環機組和一套二拖一聯合循環機組方案，由于兩套一拖一聯合循環機組配置兩臺汽機，兩臺汽機低壓缸末級葉片冷卻蒸汽量之和大于二拖一聯合循環機組一臺汽機低壓缸的冷卻蒸汽量，因此，兩套一拖一機組汽機中壓缸抽汽量之和小于二拖一機組。所以選擇二拖一聯合循環機組對外供熱能力大。

2.6.2汽機采用SSS離合器

汽機選擇與大型F級燃機相匹配的改型三壓、再熱、雙缸、可背壓運行可純凝運行的蒸汽輪機，汽機高中壓缸與低壓缸之間設置SSS離合器，采暖季外網熱負荷需求量大時，汽機以背壓方式運行，低壓缸和凝汽器解列，從汽機中壓缸末級排出的蒸汽與余熱鍋爐低壓主蒸汽一起供至熱網加熱器去加熱熱網循環水對外供熱。

2.6.3余熱鍋爐尾部設置擴大省煤器

供熱工況時，從余熱鍋爐低壓省煤器出口抽取部分給水至外部熱網水加熱器，加熱熱網循環水后由再循環泵送回余熱鍋爐低壓省煤器入口，以提高余熱鍋爐的供熱能力。

由于該熱網加熱器設置在余熱鍋爐外部，也被稱作擴大省煤器。

2.6.4熱泵技術的應用

循環冷卻水在凝汽器中冷卻汽機排汽后，一般溫度可達25℃，利用電廠余熱回收專用熱泵可從循環冷卻水中提取5℃左右溫差的熱量，將此熱量送至電廠周邊居民區熱力站，可實現能源的綜合利用和回收。

熱泵技術在燃煤電廠設計中已有應用，在二拖一燃氣機組中，目前已有部分電廠正在進行可行性研究，以期提高全廠綜合熱效率。

2.6.5凝結水系統與熱網疏水系統的匹配

二拖一燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組按純凝、抽凝和背壓三種方式運行，凝結水系統和熱網疏水系統需要綜合考慮以上三種工況，設置合理安全的凝結水系統。基于此，在凝結水系統中設置了凝結水前置泵和凝結水主泵，其中凝結水前置泵又分為小流量前置泵和大流量前置泵。

非采暖季，汽機按純凝工況運行，凝汽器為全流量運行，此時開啟大流量凝結水前置泵及主凝結水泵。

采暖季供熱高峰時，汽機按背壓方式運行，此時低壓缸和凝汽器解列，大、小流量凝結水前置泵均停運。熱網疏水接至凝結水前置泵出口，經凝結水主泵升壓送至余熱鍋爐低壓省煤器。

采暖季初及季末，外網供熱需求量較小、汽機抽汽能夠滿足熱負荷需求時，汽機按抽凝方式運行。此時部分蒸汽由中壓缸末級抽出，部分蒸汽去低壓缸繼續做功，該工況下經流凝汽器的凝結水流量小，關閉大流量凝結水前置泵，開啟小流量凝結水前置泵。

以上三種工況經流凝結水主泵的容量均相同。

該系統綜合考慮了機組對外熱負荷需求變化的特點，凝結水系統和熱網疏水系統即相互獨立，又相互依存。凝結水前置泵和凝結水主泵各司其職，泵的容量和揚程均可在合理的范圍內選擇，以保證泵在高效穩定的負荷范圍內運行。

3　結語

綜上所述，二拖一燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組系統有如下特點：熱力系統的設置應防止兩臺余熱鍋爐高、中、低壓蒸汽串汽的可能；啟動和停機時，兩臺余熱鍋爐的高、中、低壓蒸汽參數需滿足并汽和退汽的條件；兩臺燃機和兩臺余熱鍋爐的負荷調節需同升同降；由于對外供熱，機組全年運行工況復雜，需采取多種措施提高機組供熱能力。

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Discussion on Design Features for Gas Turbine 2 on 1 Combined Cycle System of Combined Generation of District Heat and Power Supply

XYU Qing
（Guangdong Eleatric Power Design Institute Co.， Ltd.， Guangzhou5102663， China）

Base on large number of projects of gas turbine 2 on 1 combined cycle system for combined generation of district heat and power supply， this paper analyze and summarize the system configuration and characteristic of gas turbine 2 on 1 combined cycle system， and recommend typical general arrangement of the Island power plant.

gas turbine 2 on 1； combined cycle system for combined generation of district heat and power supply；configuration of system； characteristic of system； heat capacity； layout features.

TM621

B

1671-9913（2016）03-0056-06

2014-05-08

徐清（1966- ），女，江西上饒人，碩士研究生，教授級高級工程師，從事燃氣—蒸汽聯合循環機組的設計咨詢。