燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組停機間隔時間分析

蘆利生

（中海海南發(fā)電有限公司，海南 洋浦 578201）

0　前言

某廠裝設有兩套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，單套容量220MW，其中燃氣輪機容量140MW，蒸汽輪機容量80MW。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組和常規(guī)燃煤電廠機組相比，具有啟停快、調峰能力強等特點。然而目前該區(qū)域電網(wǎng)機組裝機容量出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，電網(wǎng)負荷低谷時，只能保證燃氣電廠一套組用于調峰運行，即每天一套機組早上開機、晚上停機，而另一套機組當天一直處于備用狀態(tài)，這樣就產(chǎn)生了一個問題，每天應該選擇哪一套機組運行，備用機組停機間隔時間多久才算合適。

1　情況介紹

某廠兩套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組：一套機組是GT11+ST13機組，這套機組之前一直帶基本負荷，運行時間多，運行當量小時已達98000小時；另一套機組是GT12+ST14機組，這套機組一直調峰運行，運行時間少，但啟機次數(shù)多，啟機次數(shù)已達2900次。西門子規(guī)定：該型號機組的壽命周期是運行當量小時達100000小時或啟機次數(shù)達3000次，也是說如果機組達到這兩個條件任何一條，必須進行延壽大修處理。

由于冷態(tài)啟機影響機組的經(jīng)濟效率，電網(wǎng)會對電廠進行一定的經(jīng)濟補償費用，具體規(guī)定是：停機冷備用機組額定容量與冷備用時間的乘積，按照2.5（元/兆瓦時）的標準補償。冷備用時間為火力發(fā)電機組解列至再次并網(wǎng)的時間減去72小時。也就是如果機組備用時間超出3天后中調會給一定的補償費用，時間越長補償費用越多。

2　提出問題

公司決定兩個月后準備對GT11+ST13機組進行延壽大修，因而目前考慮主要的問題是GT12+ST14機組啟機次數(shù)差100次就達到3000次的壽命周期了，所以應該減少GT12+ST14機組的啟機次數(shù)。那么如果單從經(jīng)濟方面考慮，GT12+ST14機組間隔多久啟一次才算合適？

圖1　中調補償費用和啟機經(jīng)濟性示意圖

中調的冷備用補償費用是停機備用時間越長補償費用越多。但備用時間不能超過7天，因為如果超過7天，機組停機前必須進行鍋爐保養(yǎng)。此外，停機備用時間長短對下次機組啟動時有影響的。機組啟機過程是經(jīng)濟性最差的時候，因為啟機時需要消耗一定量的天然氣燃料，然而此時機組帶的負荷是很低的。停機備用時間短，中調的冷備用補償費用少，但機組啟動快，啟機過程經(jīng)濟性好；停機備用時間長，中調的冷備用補償費用多，可是啟機過程經(jīng)濟性差了。在中調的冷備用補償費用和機組啟機過程經(jīng)濟性這兩者之間必定存在一個臨界值（如圖1）。如果通過各項數(shù)據(jù)能計算出這個臨界值，就能確定GT12+ST14機組的停機間隔時間。這也就解決了“單從經(jīng)濟方面考慮，GT12+ST14機組間隔多久啟一次才算合適？”這一問題。

3　分析問題

中調的冷備用時間是按機組解列和機組下次并網(wǎng)的時間差值來計算，而冷備用補償費用是冷備用時間乘以機組容量再乘以2.5，這樣就可以得出具體的冷備用補償費用，非常明確。

3.1　啟機過程節(jié)點的選擇

啟機開始節(jié)點的選擇：燃氣輪機組啟機開始節(jié)點的選擇爭議不大，以燃氣輪機并網(wǎng)發(fā)電這一時間點作為啟機開始節(jié)點。

啟機結束節(jié)點的選擇：啟機過程的結束節(jié)點的選擇存在爭議，因為蒸汽輪機要達到正常加載負荷要求參數(shù)比較多，對脹差值、左右缸脹值、軸向位移都有要求，只有這些條件達到允許值時，燃氣輪機才能繼續(xù)加負荷，才算啟機過程結束。正常情況下燃氣輪機負荷達到60MW后，蒸汽輪機的各項參數(shù)已經(jīng)在正常范圍內了。最后經(jīng)過綜合對比分析，決定將燃氣輪機負荷到60MW這一時間點作為啟機結束節(jié)點。

3.2　啟機經(jīng)濟性的影響因素

燃氣輪機啟機經(jīng)濟性的影響因素：由于燃氣輪機的自動化程度比較高，一般情況下燃氣輪機由程序自動控制依次完成停盤車、升速、定速、并網(wǎng)、切換廠用電、帶初始負荷的啟機全過程，每次啟機在這一環(huán)節(jié)差別不大，可以忽略不計。此外還有壓氣機、燃燒室、透平的裝置效率，環(huán)境溫度對燃氣輪機效率的影響，這些影響因素短時間內相對較小，為了使問題簡單化和具有可計算性，以上影響因素均可忽略不計。我們只考慮燃氣輪機在啟機開始節(jié)點到結束節(jié)點所產(chǎn)生的發(fā)電量和消耗的天然氣，再將發(fā)電量、天然氣折算成費用，在加上中調冷備用補償費用進行比較。

蒸汽輪機啟機經(jīng)濟性的影響因素：蒸汽輪機自動化程度低，啟機過程的操作都是手動操作，由于人員操作存在差異，在汽機步驟的時間也略有不同，當然也有一些人為不可控因素，如蒸汽管道疏水時間的長短要根據(jù)具體情況決定，但相對蒸汽輪機的冷態(tài)、熱態(tài)而言，這種差異較小，可以忽略不計。我們只考慮蒸汽輪機并網(wǎng)至啟機結束節(jié)點這段時間內的發(fā)電量，當然這段時間燃氣輪機加負荷要根據(jù)蒸汽輪機的脹差值、左右缸脹值來決定加負荷的快慢，最終將燃氣輪機負荷加到60MW，即完成燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的整個啟機過程。

圖2　停機間隔時間與蒸汽輪機高壓內缸金屬溫度關系

3.3　停機間隔時間對機組啟機的影響

雖然停機間隔時間對燃氣輪機啟機基本沒有影響，但燃氣輪機加負荷是受蒸汽輪機啟機影響的，蒸汽輪機脹差值、左右缸脹值不允許時，燃氣輪機不能隨意加負荷，也就是說蒸汽輪機的啟機時間越長，燃氣輪機負荷加到60MW所需的時間就越長。查詢歷史參數(shù)得出GT12+ST14機組停機間隔時間與蒸汽輪機高壓內缸金屬溫度的關系（如圖2）。

所以停機間隔時間對蒸汽輪機的影響較大，主要是因為停機間隔時間的長短對蒸汽輪機高壓內缸金屬溫度的影響，而高壓內缸金屬溫度又是決定蒸汽輪機冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)的參數(shù)，也就是說決定蒸汽輪機啟機過程的長短（如表 1）。

表1　內缸溫度、啟機狀態(tài)、啟機時間三者關系

4　解決問題

根據(jù)停機間隔時間分別對燃氣輪機在啟機開始節(jié)點到結束節(jié)點所消耗的天然氣量、發(fā)電量以及蒸汽輪機的發(fā)電量、還有在此期間從中調所獲得的冷備用補償費用，目前用的天然氣是 LNG，單價是 2.2元/m3，電價按0.6元/kW·h計算，最后得出了合計費用，然后根據(jù)各個數(shù)據(jù)繪制出了圖3，清楚的得到了停機間隔時間與下次啟機過程中合計虧損費用的走勢，便于合理安排GT12+ST14機組的停機間隔時間。

圖3　停機間隔時間與合計虧損費用關系

根據(jù)圖3得出以下結論：

（1）停機間隔時間在100-120小時出現(xiàn)最大合計虧損費用。

（2）停機間隔時間在 100-120小時后，由于基本都屬于冷態(tài)啟機，啟機過程已經(jīng)基本無差別，然而停機時間越往后中調冷備用補償費用是不斷增加的。

（3）GT12+ST14機組盡量避開停機后第 5天啟機，如果選擇第1-3天啟機，啟機總次數(shù)一年后會超出3000次，所以最佳選擇是第4天和第6天啟機。

5　結語

通過分析燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組停機間隔時間對機組經(jīng)濟性的影響，結合中調冷備用補償費用，找出了最大合計虧損費用所對應的停機間隔時間，對該廠GT12+ST14機組合理安排停機間隔時間具有一定的指導意義。

【參考文獻】

［1］焦樹健.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M].北京：中國電力出版社，2007：580-583.