燃氣-蒸汽聯合循環機組供熱期調峰能力研究進展

王 坤張 利張應田王梓越李國豪屈 斌

（1國網天津市電力公司電力科學研究院 天津 300384 2天津市電力科技發展有限公司 天津 300384）

燃氣-蒸汽聯合循環機組供熱期調峰能力研究進展

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（1國網天津市電力公司電力科學研究院 天津 300384 2天津市電力科技發展有限公司 天津 300384）

近年來，受到節能減排、空氣污染控制等環保要求的影響，燃氣-蒸汽聯合循環機組在我國電力裝機中所占的比例逐年增加。燃氣-蒸汽聯合循環機組具有熱效率高、三廢排放少、占地面積小、水資源消耗少、運行維護方便和啟動快等優點。本文首先總結了燃氣-蒸汽聯合循環機組調峰能力的研究現狀，針對機組供熱運行模式多樣和啟動速度快兩方面進行了詳細的介紹。然后，基于國內燃氣-蒸汽聯合循環機組的應用現狀，提出聯合循環機組在供熱期電網調峰的研究方向，對聯合循環機組的供熱調峰性能進行優化。

燃氣-蒸汽聯合循環機組；供熱；運行模式；調峰

1 前言

隨著經濟和社會的發展，熱負荷需求不斷增長，大力發展熱電聯產是滿足熱負荷需求，提高能源綜合利用效率和環保水平的重要舉措。近年來，受到節能減排、空氣污染控制等環保要求的影響，燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組在我國電力裝機中所占的比例逐年增加。燃氣-蒸汽聯合循環機組具有熱效率高、三廢排放少、占地面積小、水資源消耗少、運行維護方便和啟動快等優點。特別是在北方地區，采暖需求量大且集中、空氣質量要求嚴格，燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組的這些優勢表現的更為顯著。

以往為保證聯合循環機組供熱和穩定運行，一定比例的燃機聯合循環供熱機組按“以熱定電”方式運行，無法參與系統調峰。在電網峰谷差日益加大、供熱裝機容量所占比重日益提高的情況下，整個電網的調峰能力受到越來越大的制約。以天津電網為例，2014年天津電網平均峰谷差率達到29.04%，受惡劣天氣的影響造成日負荷劇烈變化、冬季供熱對機組出力調節范圍明顯限制、日益凸顯的風電反調峰問題等諸多因素對電網的調峰運行造成極大困難。因此，通過對供熱機組不同供熱工況下調峰能力進行研究，對電網和熱網更好的協調調控有著重要的意義。

2 燃氣-蒸汽聯合循環機組及熱電聯產簡介

燃氣輪機是一種以氣體作為工質、內燃、連續回轉的、葉輪式熱能動力機械，它主要由壓氣機、燃燒室和燃氣透平三大部件和其他輔助系統設備組成，常用的燃氣輪機的發電效率為45-52%之間。然后，采用高溫燃機循環與發電系統常用的郎肯循環聯合的方式，將燃氣輪機高溫排氣引入余熱鍋爐，產生過熱蒸汽驅動汽輪發電機組對外發電，形成燃氣-蒸汽聯合循環機組，提高了機組的熱效率，目前最大容量的燃氣-蒸汽聯合循環機組的熱效率可以達到60%[1]。

根據燃氣輪機的出力劃分：B級燃氣輪機出力小于等于100MW；E級燃氣輪機出力介于100MW-200MW之間；F級燃氣輪機出力介于200MW-300MW之間；而更高等級的G級和H級則在300MW-400MW之間。目前，國內應用較多的為E級和F級燃氣輪機組，例如在天津地區，天津陳塘熱電有限公司配置M701F4型F級燃氣輪機、華能臨港（天津）燃氣熱電有限公司配置PG9371FB03型F級燃氣輪機和天津華電福源熱電有限公司配置PG9171E型E級燃氣輪機。通常，E級機組運行方式多為“一拖一”運行，即一臺燃氣輪機帶動一臺蒸汽輪機運行，而F級機組的運行有“一拖一”和“二拖一”兩種模式，如果機組配有SSS離合器的話，每種模式又有背壓和冷凝兩種運行方式，可見聯合循環機組的運行方式靈活多變，適用于不同的需求。

燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組就是在原有機組的基礎上，在汽機側設有抽汽口，抽取適當的蒸汽品質相對較低的蒸汽，用于對外供應蒸汽或者供應熱水，從而實現燃氣機組熱電聯產運行方式，使熱效率進一步提高。

3 燃氣-蒸汽聯合循環機組供熱調峰研究現狀

由于燃氣-蒸汽聯合循環機組的總裝機容量占總發電容量的比例逐年增加，大量聯合循環機組的接入直接影響了電網調峰的運行安全。因此，研究并網運行的燃氣-蒸汽聯合循環機組的運行特性，了解機組并網運行時的供熱、調峰特性，分析影響燃氣-蒸汽聯合循環機組最大、最小技術出力的主要因素，研究聯合循環機組供熱對調峰性能影響的規律，對確保電網的安全穩定運行具有重要的意義。近年來，許多學者就聯合循環機組的供熱調峰特性展開了廣泛的研究。

不同于傳統的燃煤機組，從聯合循環機組的運行特點可知，它具有靈活多變的運行方式，以裝有SSS離合器F級聯合循環機組為例，由于F級機組的運行通常有“一拖一”和“二拖一”兩種模式，并且SSS離合器可以使汽輪機在背壓和冷凝兩種運行方式下運行，這樣就可以得到聯合循環機組具有四種供熱運行模式，這對供熱期的電網調峰也提供了更多的選擇。吳華[1]以北京太陽宮燃氣熱電廠的燃氣-蒸汽聯合循環機組為研究對象，基于現場實際運行參數，通過比例法和焓值法計算了聯合循環機組在抽凝工況“一拖一”和“二拖一”運行模式下的供熱調峰熱電曲線，為北京市未來聯合循環機組的供熱調峰提供了參考。劉慧珍等[2]同樣以北京電網某F級聯合循環機組為例，先通過試驗確定了背壓工況下聯合循環機組在“一拖一”和“二拖一”運行模式下的熱電曲線，并以此為基礎通過建立抽凝工況下的機組群負荷和供熱量的數學模型，得到了聯合循環機組的供熱性能和調峰性能。結果表明，在抽凝模式下，隨著供熱量的增大，機組群的最大負荷與最小負荷只差越來越小，聯合循環機組的調峰能力變差。

聯合循環機組除了在運行方式多樣方面對供熱期調峰有較大的影響外，它的啟停性能也對電網調峰有一定的影響。趙冬雯等[3]研究了京津唐電網一套F級現役聯合循環機組參與電網調峰的可行性，首先分析了該機組啟動時間和機組深度調峰特性，然后根據機組啟停調峰的實際情況，探討了聯合循環機組參與電網調峰的方式。趙楊等[4]針對北京電網峰谷差日益增大的現狀，研究了聯合循環機組的實際啟動時間以及煙氣旁路對機組快速啟動性能的影響，結果表明，聯合循環機組啟停時間段，增大了處理調節范圍，在極端條件下，無煙氣旁路的聯合循環機組可按簡單循環啟動應對調峰緊急需求。

4 燃氣-蒸汽聯合循環機組供熱調峰研究方向

通過以上的總結，可以發現由于聯合循環機組在在我國電力裝機中所占的比例日益增加，關于其供熱調峰可能性的研究越來越多，主要集中在北方地區。然而，這些研究基本處于初步研究的階段，研究內容多為基礎性的內容，還沒有形成系統的研究方法和行業標準。因此，本文基于國內燃氣-蒸汽聯合循環機組的應用現狀，提出以下幾點關于聯合循環機組在供熱期電網調峰的研究方向，對聯合循環機組的供熱期調峰性能進行優化。

（1）研究燃氣-蒸汽聯合循環機組在多種供熱運行模式下的調峰能力特性及模型。聯合循環機組由于運行模式多樣，對供熱期的調峰也提供了更多的選擇，總結每種運行模式下的供熱期調峰能力特性，利用設計參數、歷史數據和數學模型得到每種運行模式下的供熱期調峰能力模型是十分必要的。

（2）研究單套機組和廠級機組多種供熱運行模式下的調峰能力綜合分析方法。在供熱期電廠實際運行過程中，一般有兩個條件的限制：熱網調度限制熱負荷和電網調度限制電負荷。結合這兩個限制和得到的每種運行模式下的供熱調峰模型，討論單套機組和廠級機組在多種供熱運行模式下的調峰能力綜合分析方法，可以適用于電廠的各種運行情況，為電網調度提供更大的負荷調控空間。

（3）結合電廠的效益，優化建立的調峰能力綜合分析方法，得到經濟效益最優的供熱調峰能力模型。在調峰過程中，在固定供熱量的不同模式下，機組具有不同的負荷，如果考慮機組的效率和發電負荷的限制，使電廠在滿足供熱和供電負荷的前提下得到最高的機組效率，即得到最高的效益。

[1]吳華.燃氣熱電廠供熱調峰的運行優化研究 [D].華北電力大學,2012.

[2]劉慧珍,李明憶,周作春等.F級燃氣－蒸汽聯合循環機組供熱性能分析[J].汽輪機技術,2013,55(6):423-426.

[3]趙冬雯,栗向鑫,張碩等.燃氣-蒸汽聯合循環機組參與電網調峰可行性研究[J].發電技術.2014,17(6):60-64.

[4]趙楊,沙立成,雷一鳴等.北京電網燃氣-蒸汽聯合循環機組調峰運行特性[J].華北電力技術.2015,2:60-65.

王坤（1990-），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向熱經濟計算與節能。