燃氣電廠性能加熱器配置方案研究

鄭 昀，余建中，鄭 敏

(福建省電力勘測設計院，福建 福州 350003)

燃氣電廠性能加熱器配置方案研究

鄭 昀，余建中，鄭 敏

(福建省電力勘測設計院，福建 福州 350003)

介紹了燃氣電廠天然氣性能加熱器配置方案，通過GT-PRO軟件模擬，分析性能加熱器對機組熱耗、效率及出力的影響，并對是否設置性能加熱器的經濟性進行簡單的比較。

燃氣電廠；性能加熱器；配置方案。

燃氣—蒸汽聯合循環電站是以天然氣等為主要燃料，其燃料價格對機組的運營成本有重要的影響。由于燃料價格較高，且呈上漲趨勢，所以合理利用天然氣性能加熱器，正確選擇性能加熱器的熱源，提高燃氣輪機入口天然氣溫度，減少天然氣消耗量，從而達到整體提高燃氣—蒸汽聯合循環機組的效率顯得尤為重要。

1 燃氣輪機入口對天然氣溫度的要求

目前國內燃氣－蒸汽聯合循環電站以F級的重型燃機為主，分別是上海電氣(西門子)的SGT5-4000F；東方電氣(三菱)的M701F3、M701F4；哈爾濱電氣(GE)的PG9351FA、PG9371FB。不同型號的燃機對入口天然氣溫度的要求也各不相同，詳見表1。

表1 燃機入口天然氣溫度要求

2 性能加熱器的型式

根據加熱熱源不同，天然氣性能加熱器型式主要有熱水加熱器、空/煙氣加熱器和電加熱器等。熱水加熱器的優點是加熱穩定，可調性好。熱水加熱器的形式有多種，主要采用管殼式，熱水的水源取自余熱鍋爐的中壓給水。空/煙氣加熱器的加熱介質來自于燃機壓氣機的冷卻空氣或余熱鍋爐的尾部煙氣。電加熱器較少在實際工程中運用，主要是其運行安全性相對較低，且增大了電廠的廠用電率，節能效果不明顯。

3 性能加熱器及其加熱熱源的選擇

不同廠家不同型號燃機對入口天然氣溫度的要求不盡相同，在實際工程中是否在天然氣系統中設置性能加熱器及如何選擇性能加熱器的熱源也不盡相同。下面通過廠家提供的資料利用GT-PRO軟件進行模擬，簡要介紹分析國內幾個燃氣電廠的性能加熱器設置的情況，并以燃氣聯合循環機組年運行2000 h、燃料(天然氣)價格取4200元/t、保證機組的年發電量相同等為主要條件，對天然氣系統性能加熱器的配置進行經濟性分析。

3.1 上海電氣(西門子)燃機

根據上海電氣(西門子)燃機入口天然氣的溫度要求，在實際的工程中，其天然氣系統既有設置性能加熱器，也有未設置性能加熱器的情況。

以蕭山電廠5號機為例，選取ISO工況下的邊界條件，通過GT-PRO軟件分別模擬機組設置性能加熱器(方案一)和未設置性能加熱器(方案二)，并根據熱平衡，分析性能加熱器對機組熱耗、效率及出力的影響。

燃機天然氣前置模塊由上海電氣電站集團供貨。天然氣低位發熱量：47468 kJ/kg(環境溫度15℃、大氣壓力0.10135 MPa、大氣相對濕度60%)。

3.1.1 方案一 設置天然氣性能加熱器

天然氣系統中設置有性能加熱器，其加熱熱源采用余熱鍋爐中壓給水。

根據機組ISO條件下100%負荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側入口天然氣溫度為15℃、流量為54.34 t/h，經過性能加熱器后，天然氣溫度上升至127.7℃進入燃機。

(2)性能加熱器水側入口給水為144.4℃、流量為81 t/h，經過性能加熱器后，其水側出口的溫度為104.4℃。

(3)聯合循環機組出力為420762 kW，熱耗為6133 kJ/kWh，效率為58.7%。

3.1.2 方案二 未設置天然氣性能加熱器

天然氣系統中未設置有性能加熱器，根據機組ISO條件下100%負荷工況熱平衡，可得：

(1)燃機入口處天然氣溫度為15℃、流量為54.64 t/h。

(2)聯合循環機組出力為421118 kW，熱耗為6162 kJ/kWh，效率為58.42%。

3.1.3 方案比較

根據GT-PRO軟件模擬的熱平衡，方案一與方案二的對比見表2。

表2 (西門子)燃機性能加熱器設置方案性能參數對比

從表2中可以看出，上海電氣(西門子) SCC5-4000F聯合循環機組，在機組100%的負荷條件下，天然氣系統設置性能加熱器較未設置性能加熱器，其機組出力減少了356 kW，熱耗減小29 kJ/kWh，效率提高0.28%。

3.1.4 經濟性比較

根據上述熱平衡數據，對上海電氣(西門子)SCC5-4000F聯合循環機組天然氣系統性能加熱器的配置進行經濟性分析。

表3 (西門子)燃機性能加熱器設置方案經濟性對比

由表3可見，上汽SCC5-4000F型聯合循環機組，天然氣系統設置性能加熱器的方案雖然初投資增加了510萬元，但是由于機組效率提高，每年可節省燃料費用213.2萬元，3年內就可以收回初投資。

3.2 東方電氣(三菱)燃機

根據東方電氣(三菱)燃機入口天然氣的溫度要求，在實際的工程中，其天然氣系統一般都設置有性能加熱器，但其加熱熱源有兩種，分別是壓氣機引出的轉子冷卻空氣、余熱鍋爐的中壓給水。

以大唐紹興電廠為例，選其ISO工況下的邊界條件，通過GT-PRO軟件分別模擬機組未設置性能加熱器(方案一)、設置空氣性能加熱器(方案二)和設置熱水性能加熱器(方案三)，并根據熱平衡，分析性能加熱器對機組熱耗、效率及出力的影響。

天然氣TCA和FGH模塊由東方電氣股份有限公司配供。天然氣低位發熱量：47971 kJ/kg (環境溫度15℃、大氣壓力0.10135 MPa、大氣相對濕度60%)。

3.2.1 方案一 未設置天然氣性能加熱器

天然氣系統中未設置有性能加熱器，根據機組ISO條件下100%負荷工況熱平衡，可得：

(1)未設置性能加熱器，燃機入口處天然氣溫度為15℃、流量為60.1 t/h。

(2)燃氣—蒸汽聯合循環機組熱耗為6192 kJ/kWh，效率為58.14%，出力為465843 kW。

3.2.2 方案二 設置空氣性能加熱器

天然氣系統中設置有性能加熱器，其加熱熱源采用壓氣機引出的轉子冷卻空氣。

根據機組ISO條件下100%負荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側入口天然氣溫度為15℃、流量為59.52 t/h，經過性能加熱器后，天然氣溫度上升至200℃進入燃機。

(2)聯合循環機組出力為465594 kW，熱耗為6135 kJ/kWh，效率為58.68%。

3.2.3 方案三 設置熱水性能加熱器

天然氣系統中設置有性能加熱器，其加熱熱源采用余熱鍋爐中壓給水。

根據機組ISO條件下100%負荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側入口天然氣溫度為15℃、流量為59.52 t/h，經過性能加熱器后，天然氣溫度上升至200℃進入燃機。

(2)性能加熱器水側入口給水為247.6℃、流量為32.21 t/h，經過性能加熱器后，其水側出口的溫度為60℃。

(3)聯合循環機組出力為472457 kW，熱耗為6046 kJ/kWh，效率為59.54%。

表6 (三菱)燃機性能加熱器設置方案經濟性對比

3.2.4 方案比較

根據GT-PRO軟件模擬的熱平衡，方案一、方案二和方案三的對比見表4。

表4 (三菱)燃機性能加熱器設置方案性能參數對比

由表4可知，東方電氣(三菱)M701F4燃機組成的聯合循環機組，在機組100%的負荷條件下，天然氣系統設置以中壓給水為加熱熱源的性能加熱器比未設置性能加熱器，其機組出力增加6614 kW，熱耗減小146 kJ/kWh，效率提高1.4%；比以壓縮空氣為加熱熱源，其機組出力增加6863 kW，熱耗減小89 kJ/kWh，效率提高0.86%。

3.2.5 經濟性比較

根據上述熱平衡數據，對東方電氣(三菱) M701F4聯合循環機組天然氣系統性能加熱器的配置進行經濟性分析，見表5、表6。

表5 (三菱)燃機性能加熱器設置方案經濟性對比

由表5可知，東方M701F4型聯合循環機組，天然氣系統設置性能加熱器，加熱熱源為中壓給水的方案與壓縮空氣的方案相比較，雖然初投資增加了650萬元，但是由于機組效率提高，每年可節省燃料費用737萬元，1年內就可以收回初投資。

由表6可知，東方M701F4型聯合循環機組，天然氣系統設置以中壓給水為加熱熱源的性能加熱器方案與未設置性能加熱器的方案，雖然初投資增加了1150萬元，但是由于機組效率提高，每年可節省燃料費用1204萬元，1年內就可以收回初投資。

3.3 哈爾濱電氣(GE)燃機

根據哈爾濱電氣(GE)入口天然氣的溫度要求，在實際的工程中，其天然氣系統一般都設置有性能加熱器。

以晉江燃氣電廠為例，選其ISO工況下的邊界條件，通過GT-PRO軟件分別模擬機組設置性能加熱器(方案一)和未設置性能加熱器(方案二)，并根據熱平衡，分析性能加熱器對機組熱耗、效率及出力的影響。

燃機天然氣前置模塊由哈爾濱動力設備股份有限公司供貨。天然氣低位發熱量：49509 kJ/kg(環境溫度15℃、大氣壓力0.10135 MPa、大氣相對濕度60%)。

3.3.1 方案一 設置天然氣性能加熱器

天然氣系統中設置有性能加熱器，其加熱熱源選擇余熱鍋爐中壓給水。

根據機組ISO條件下100%負荷工況熱平衡，可得：

(1)性能加熱器氣側入口天然氣溫度為15℃、流量為49.73 t/h，經過性能加熱器后，天然氣溫度上升至185℃進入燃機；

(2)性能加熱器水側入口給水為220℃、流量為24.54 t/h，經過性能加熱器后，其水側出口的溫度為54.8℃；

(3)聯合循環機組出力為395288 kW，熱耗為6232 kJ/kWh，效率為57.77%。

3.3.2 方案二 未設置天然氣性能加熱器

天然氣系統中未設置有性能加熱器，根據機組ISO條件下100%負荷工況熱平衡，可得：

(1)未設置性能加熱器，燃機入口處天然氣溫度為15℃、流量為50.17 t/h。

(2)聯合循環機組出力為396816 kW，熱耗為6262 kJ/kWh，效率為57.49%。

3.3.3 方案比較

根據GT-PRO軟件模擬的熱平衡，方案一和方案二的對比見表7。

表7 (GE)燃機性能加熱器設置方案性能參數對比

由表7由可知，哈爾濱電氣(GE) STAG109FASS聯合循環機組，在機組100%的負荷條件下，天然氣系統設置性能加熱器較未設置性能加熱器，其機組出力減少了1528 kW，熱耗減小30 kJ/kWh，效率提高0.28%。

3.3.4 經濟性比較

根據上述熱平衡數據，對哈爾濱電氣(GE) STAG109FASS聯合循環機組天然氣系統性能加熱器的配置進行經濟性分析，見表8。

表8 (GE)燃機性能加熱器設置方案經濟性對比

由表8可知，哈汽STAG109FASS型聯合循環機組，天然氣系統設置性能加熱器的方案雖然初投資增加了450萬元，但是由于機組效率提高，每年可節省燃料費用207.3萬元，3年內就可以收回初投資。

4 結語

通過以上分析比較可知，燃氣—蒸汽聯合循環機組的天然氣系統設置性能加熱器時，雖然增加了設備的初投資，但可有效的減少機組熱耗，提高機組的運行效率。面對日益增長的天然氣價格，性能加熱器對燃氣—蒸汽聯合循環機組的作用就顯得更為突出。

在燃氣—蒸汽聯合循環發電廠中，天然氣系統是最重要的系統之一，它關系到機組的安全穩定運行。在保證機組安全、穩定運行的前提下，合理選擇天然氣性能加熱器，優化加熱系統的配置，提高機組運行的經濟性，達到最大程度的節能降耗。

[1] 華浩磊．燃氣輪機天然氣系統配置方案的探討[J]．發電設備，2010，(4)．

The Configuration Scheme of the Performance Heater in the Gas Power Plant

ZHENG Yun, YU Jian Zhong, ZHENG Min
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fujian 350003, China)

The configuration scheme of the performance heater in the gas power plant was introduced. And the influences of the performance heater on the unit heat consumption, efficiency and output were analysed by the simulation of the GT-PRO software. Also the economical performance to set up the performance heater was compared simply.

gas power plant; performance heater; configuration scheme.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0038-04

2015-04-29

鄭昀(1983- )，男，福建仙游人，工程師，主要從事發電廠熱機專業設計工作。