燃氣輪機性能對聯合循環電站經濟性的影響

伍小云

摘 要：燃氣聯合循環機組因啟停快、運行靈活性好、熱效率高、排放清潔、建造周期短而倍受中國市場青睞。當前，國家在實現燃氣輪機設備制造本土化和國產燃氣輪機技術開發方面取得了良好成果。經濟性研究是推廣燃氣輪機聯合循環電站的重要工作。影響聯合循環電站經濟性的因素主要有燃氣輪機的性能、價格、燃氣價格、入網電力價格等。其中燃氣輪機的價格和維護費用在電站的投資成本和運行維護費用中占有很大的比例。本文對采用不同性能燃氣輪機的聯合循環電站的經濟性進行分析，考察當成本和維護費用增大對聯合循環電站經濟性的影響，希望能為聯合循環電站的運營有所幫助。

關鍵詞：燃氣輪機 聯合循環電站 維護費用 經濟性

引言

隨著我國燃氣資源的大規模開發和利用，以燃氣為燃料的燃氣輪機聯合循環電站也迎來了發展的大好時機。為實現電力工業的可持續發展，減少對環境的影響，我國已經把大幅度提高發電效率、加速發展潔凈發電技術作為可持續發展、節約能源、保護環境的重要措施。燃氣輪機聯合循環電廠因具有效率高、排放清潔、建造周期短和有效的可調電力需求峰值等諸多特點而在世界能源工業中扮演著重要的角色。尤其是近十幾年來，燃氣輪機進入了一個新的發展時期，在單機容量、熱效率以及污染物排放方面具有顯著的技術進步，更大大提高了燃氣輪機在能源與電力領域中的地位和作用。而對于聯合循環電站來說，對燃氣輪機性能的研究分析是保證聯合循環電站經濟性的重點。

1 燃氣輪機的發展歷程

20世紀40年代起燃氣輪機開始進入工業的各個領域并得到了較為迅速的發展。例如：1939年誕生于瑞士BBC公司的燃氣輪機，功率1.5MW，初溫550℃，效率17.3%。進入20世紀80年代后，燃氣輪機單機容量有很大程度的提高，特別是燃氣----蒸汽聯合循環技術日漸成熟。隨著世界范圍內天然氣資源的大力開發，燃氣輪機及其聯合循環在世界電力系統中的地位發生了明顯的變化，不僅可以作為緊急備用電源和調峰機組使用，而且還能用于帶基本負荷機組。經過不斷應用最新的研究成果，提高技術水平，目前正在研究最大功率達460MW、燃氣初溫達1600℃、壓氣機壓縮比約40、單循環效率為43%～44%的重型燃氣輪機，其聯合循環效率將高達65%；同時也在著手研究未來更加先進的燃氣輪機，燃氣初溫的目標是1700℃。目前燃氣輪機單機效率已達36%～41.6%，最大單機功率已達375MW。組成聯合循環機組后，發電效率達55%～60%。日本三菱公司研制的M501J型燃氣輪機組成的聯合循環在50%負荷工況下效率依然可以達到55%。阿爾斯通公司的新GT26在40%負荷工況下NO x的排放依然低于25ppm。

2 燃氣輪機性能對聯合循環電站經濟性影響分析

經濟性研究是推廣燃氣輪機聯合循環電站的重要工作。影響聯合循環電站經濟性的因素主要有燃氣輪機的性能、價格、天然氣價格、入網電力價格等。其中燃氣輪機的價格和維護費用在電站的投資成本和運行維護費用中占有很大的比例。本文用維護費用因子計算的維護費用，對采用不同性能燃氣輪機的聯合循環電站的經濟性進行分析，考察當燃氣輪機初溫提高時，引起的成本和維護費用增大對聯合循環電站經濟性的影響，所得結果可以作為燃氣輪機選型的參考。

燃氣輪機初溫提高使得聯合循環電站效率提高、功率增加，但是提高燃氣輪機的燃氣初溫要求受熱部件采用新的耐熱材料或者更有效的涂層和冷卻技術，新材料或新技術的采用通常會引起制造成本和維護費用的增長。

由于缺乏燃氣輪機維護費用與性能關系的具體數據或經驗公式，三菱重工高砂研究所建議采用“維護費用因子”的方法，即維護費用等于基準值乘以因子。基準取M701F燃氣輪機（燃氣初溫為1400℃，壓比為17）的維護費用因子為1，其它燃氣輪機的維護費用是M701F的維護費用乘以因子。采用兩種維護費用因子來代表不同的性能與維護費用的關系。因子I代表了不同性能燃氣輪機間的維護費用的差別，因子Ⅱ相比因子I是差別更大的情況。這些因子來源于一般的統計數據。對于每個具體情況，由于起動次數、運行模式不同會有差別。

GTPRO軟件可以根據用戶所定義的燃氣輪機的性能參數給出燃氣輪機整機的費用，其數據是根據《Gas Turbine World》提供的燃氣輪機整機成本和性能關系曲線確定的。燃氣輪機整機包括燃氣輪機及其配套的消音設備、冷卻設備、

電子儀器設備、潤滑油和發電機設備等。燃氣初溫為1450℃、壓比為19的燃氣輪機的整機費用比初溫1350℃、壓比17時的費用增加3.6%。取M701F聯合循環電站每年的固定運行和維護費用為20美元kW，可變運行和維護費用為0.002美元kWh。根據以上對燃氣輪機維護費用的假設和燃氣輪機整機的費用數據，對聯合循環電站進行經濟性分析。采用現金流的經濟性分析方法，以投資凈值回收年和年收益支出比作為結果分析的目標參數。投資凈值回收年越短或年收益支出比越大，則聯合循環電站的經濟性越好。

采用維護費用因子I和Ⅱ時，計算得到的聯合循環電站的投資凈值回收年和年收益支出比隨燃氣輪機性能的變化曲線。在燃氣輪機初溫從1250℃提高時，投資凈值回收年下降，年收益支出比提高，電站的經濟性提高。使用維護費用因子I時，投資凈值回收年降幅為8.1%，因子II時降幅減少為6.9%。但是，當燃氣輪機的燃氣初溫提高到某一值時，電站經濟性的提高開始變緩或下降。顯然，經濟性的降低是由燃氣輪機成本和維護費用增大造成的。

從以上結果看，如果從聯合循環電站的經濟性考慮，并不是采用初溫越高的燃氣輪機越好，只有在材料和冷卻技術有新的突破時，開發更高燃氣初溫的燃氣輪機才有可能有更好的經濟性。另外，使用維護費用因子Ⅱ時，電站經濟性轉折點的燃氣初溫低于1450℃。此結果顯示維護費用因子Ⅱ所代表的不同性能燃氣輪機維護費用間的差別偏大。

3 結語

在一般情況下，采用高性能燃氣輪機的聯合循環電站的經濟性更好，但這不是必然的；當燃氣輪機的成本和維護費用都因初溫的提高而增長較大時，經濟性反而會變差。燃料價格較高時，在不影響聯合循環電站經濟性的前提下，燃氣輪機整機成本在燃氣初溫提高時的增長空間大，允許選擇更先進的燃氣輪機，這有利于高性能燃氣輪機的開發。開發更高性能的燃氣輪機是制造商不斷努力的方向，但必須與新材料、新技術的開發和降低維護費用相結合。

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