燃氣輪機聯合循環熱電聯產供熱供電量優化分配研究

宋曉瑋，張國強，李永毅，楊勇平，王 俊

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燃氣輪機聯合循環熱電聯產供熱供電量優化分配研究

宋曉瑋1，張國強1，李永毅1，楊勇平1，王 俊2

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206； 2.神華國華（北京）分布式能源科技有限責任公司，北京 102206）

為研究燃氣-蒸汽聯合循環機組額定熱電任務下的經濟運行模式問題，本文運用模塊化建 模方法對機組各部件建模，基于以熱定電的熱電比關系，分析了4種供熱負荷的5種運行模式的盈利能力。結果表明：純發電情形下，不同運行模式之間的盈利差值最大值可達到6.04%；隨著機組供熱負荷的不斷增大，與純發電情況相比，好處歸電法發電效率的變化趨勢發生改變，不同運行模式間的盈利差值最大值1.52%出現在供熱負荷1 388.89 GJ/h機組，幾種模式盈利能力差別較小。建議在滿足發電量、供熱量的前提下，特別是在純發電和高供熱負荷情況下，機組盡可能以高電負荷與低電負荷組合的效率運行模式1運行。

燃氣輪機聯合循環；熱電比；熱電聯產；變工況；盈利能力；運行模式；熱電分配

燃氣輪機發電是一種清潔能源、綠色電力，具有高效、節能、環保等特點[1]。與燃煤機組相比，燃氣-蒸汽聯合循環機組最大程度實現了能源的梯級利用，發電熱效率高達55%[2]，且運行靈活，調峰能力強[3]。

燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組經濟性的常規分析方法有熱量法（好處歸電法）、實際焓降法（好處歸熱法）、?方法、損失功率法[4-6]。何青等[7]建立燃氣輪機聯合循環熱電聯產的熱量法正反平衡模型與?方法模型，對比了2種經濟性評價方法的差異。武小兵[8]應用損失功率法，基于供熱量增大以發電量減少為代價，分別針對固定電價與分時電價找出熱電聯產的經濟平衡點，確定有利于熱電聯產的熱價與電價。李麗萍等[9]通過比較燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組在不同的年發電利用小時數的情況下的運行模式、供熱能力、熱經濟性指標與調峰能力來分析供熱機組的經濟性。針對熱電廠，吳龍等[10]改進熱電分離、以熱定電的熱電負荷方案，考慮了熱化做功系數的變化，以總熱耗最小作為電負荷分配指標，有效降低機組的總熱耗。

供熱機組的熱電分配問題是近年來研究的熱點問題之一。但目前研究多限于燃煤機組，燃氣-蒸汽聯合循環機組熱電分配問題研究基本處于空白。雖然機組總發電量與供熱量確定，但分配到每個基本運行時間單元的發電量、供熱量可規劃。分配不同，盈利能力不同。因此，在保證月發電量和供熱量的前提下，如何優化分配每個小時的發電計劃與供熱計劃，使機組消耗天然氣量達到最低，對提高機組經濟效益具有重要的意義。

1 方法與模型

1.1 機組概述

本文選用西門子公司生產的型號為V94.3A機組，燃氣輪機由1臺15級軸流式壓比為17的壓氣機、1臺4級透平和燃燒室及其燃氣輪機輔助系統組成。燃氣輪機采用運行策略為等燃氣輪機排氣溫度（4）調節方式，即調節壓氣機可轉導葉（IGV）維持4不變至IGV調至最大；底循環的運行策略為滑壓調節，即汽輪機負荷在45%~100%時采用滑壓運行方式。聯合循環系統的壓氣機、透平、余熱鍋爐、蒸汽輪機熱力參數取自北京京橋熱電有限責任公司熱平衡圖。聯合循環系統如圖1所示，主要參數見表1[11-12]。

C—壓氣機；CC—燃燒室；GT—燃氣透平；HP—高壓缸；IP—中壓缸；LP—低壓缸；HPSH、IPSH、LPSH—高壓、中壓、低壓過熱器；RH—再熱器；HPEV、IPEV、LPEV—高壓、中壓、低壓蒸發器；HPEC、IPEC、LPEC—高壓、中壓、低壓省煤器。

表1 聯合循環機組主要參數

Tab.1 Main parameters of the combined cycle unit

1.2 經濟性盈利模型

本文采用Java對燃氣-蒸汽聯合循環系統的各個主要設備進行建模和模擬分析。

針對壓氣機模塊，首先基于V94.3A型機組的結構數據對壓氣機進行設計計算[13]，再在設計工況參數的前提下采用逐級疊加法[14]計算其變工況參數；對于燃燒室模塊，僅考慮必要的燃燒效率和壓力損失；對于透平模塊，考慮冷卻空氣量的影響，采用簡化的Flügel公式描述透平進口壓力、溫度與流量之間的關系；針對余熱鍋爐模塊，首先根據余熱鍋爐與蒸汽輪機機組熱力參數進行設計工況的模擬，從而獲得所需的各個換熱面的設計參數，然后根據能量守恒和換熱平衡的原則進行編程，計算余熱鍋爐各個受熱面以及汽輪機高、中、低壓缸變工況熱力參數。基于以上聯合循環變工況的模型，在給定供熱量、發電量、運行小時數及其環境參數的前提下，計算發電負荷與供熱負荷。具體經濟性盈利計算流程如圖2所示。利潤計算公式為

式中：n為利潤，元；為供熱量，GJ；r為熱價，元/GJ；為發電量，kW·h；e為電價，元/(kW·h)；為總耗氣量，m3；f為氣價，元/m3。

圖2 經濟性盈利計算流程

Fig.2 Flow chart of the economic profit calculation

1.3 基于熱電比的聯合循環發電功率運行模式分類

圖3為二拖一聯合循環機組的熱電比關系曲線。全廠機組由2臺燃氣輪機各配備1個余熱鍋爐拖動1臺汽輪機運行。假設2臺燃氣輪機、2臺余熱鍋爐在相同狀態下運行。

圖3 環境溫度為?4.2 ℃時聯合循環機組熱電比變化規律

由圖3可見，在某一環境溫度下，聯合循環機組的某一供熱負荷可對應的聯合循環發電功率范圍不同。因此，在保證供熱量和發電量一定的前提下，供熱負荷確定，運行小時數即可確定。聯合循環發電功率的變化不同會影響機組總的盈利能力，因此本研究提出了幾種聯合循環發電功率的變化運行模式，在同一供熱負荷的情況下，通過分析幾種不同運行模式的盈利情況來分析燃氣輪機聯合循環供熱機組的盈利能力。5種常見規律的聯合循環發電功率變化規律的運行模式如下：

1）平均運行模式 即等聯合循環發電功率運行模式。取該供熱負荷所對應的聯合循環發電功率范圍的出功均值，計算獲得該聯合循環發電功率的機組運行560 h的盈利。

2）正弦函數運行模式 取該供熱負荷所對應的聯合循環發電功率范圍的最大值與最小值作為機組運行的聯合循環發電功率波峰與波谷，取80 h為1個周期，共7個周期。

3）梯形運行模式 取該供熱負荷所對應的聯合循環發電功率范圍的最大值與最小值分別作為機組第1 h和第560 h的聯合循環發電功率。以1 h為1個運行基本單元，隨時間推移聯合循環發電功率依次減小，計算機組各個小時的燃料消耗量從而得到總的燃料量，繼而計算機組運行560 h的盈利。

4）效率運行模式1 即最大最小出功運行模式。取該供熱負荷所對應的聯合循環發電功率范圍的最大值max與最小值min各自對應的參數作為機組運行的依據。在總運行小時數滿足560 h的前提下，通過協調2種運行模式的運行小時數，保證機組的總發電量和供熱量滿足要求。

5）效率運行模式2 即中間效率運行模式。在該供熱負荷所對應的聯合循環發電功率的范圍內，首先計算好處歸電法發電效率的最大值max與最小值min的差max?min，取max?1/4(max?min)與min+1/4(max?min)各自對應的聯合循環發電功率作為機組運行的依據，在總運行小時數滿足560 h的前提下，通過協調2種運行模式的運行小時數，保證機組的總發電量和供熱量滿足要求。如果效率max±1/4(max?min)所對應的聯合循環發電功率組合無法滿足發電量的要求，則取max±1/6(max?min)所對應的出功作為機組運行參考依據。

為了分析方便，熱電聯產機組的盈利能力計算均以1 h為1個運行基本單元，運行小時數均為560 h，供熱量由供熱負荷與運行小時數計算得到，5種運行模式的發電量取該供熱負荷對應的出功范圍的均值與運行小時數的乘積。依據圖3，以供熱負荷遞增的原則，選取0、555.56、1 094.65、1 388.89 GJ/h 4種供熱負荷，依次代表不供熱、較小供熱負荷、一般供熱負荷和較大供熱負荷的供熱情況，針對每個供熱負荷分析5種運行模式的盈利情況。表1為各供熱負荷運行560 h所對應的發電量與供熱量。本研究5種運行模式計算的實際發電量與給定發電量之間的誤差均在±0.01%以內，對盈利能力影響可忽略不計。

表2 各供熱負荷所對應的供熱量和發電量

Tab.2 The heat supply and power generation corresponding to each heating load

2 聯合循環機組盈利能力分析

2.1 不同供熱量和發電量下的效率特性

在給定的發電量、供熱量的前提下，針對機組不同供熱負荷各自對應的聯合循環發電功率范圍，分析不同供熱負荷機組聯合循環好處歸電法發電效率的變化趨勢，結果如圖4所示。

圖4 4種供熱負荷對應的效率曲線

根據效率運行模式1的選取原則，選擇聯合循環發電功率最大值與最小值組合各運行280 h，選取參數為圖4中所示的極值。按照效率運行模式2的選取原則，圖4中前3個供熱負荷均可滿足效率max±1/4(max?min)的組合運行；但供熱負荷為 1 388.89 GJ/h，選取max±1/4(max?min)效率所對應的聯合循環發電功率均小于該負荷下的聯合循環發電功率均值，無法滿足發電量的要求，因此該負荷選取效率為max±1/6(max?min)所對應的輸出功率作為機組運行參考依據。

2.2 5種運行模式盈利能力分析與討論

2.2.1 等聯合循環發電功率運行模式

圖5為4種供熱負荷下機組聯合循環發電功率范圍內的輸出功率均值運行560 h對應的等聯合循環發電功率運行模式。

圖5 4種供熱負荷等聯合循環發電功率運行模式

2.2.2 正弦函數運行模式

圖6為4種供熱負荷的正弦函數運行模式。以供熱負荷為0的機組為例，取80 h為1個周期，由于選取的運行小時數為正弦函數整周期的7倍，因此積分面積為平均聯合循環發電功率640.98 MW與運行小時數7×80=560 h的乘積，滿足發電量、供熱量的要求。

2.2.3 梯形運行模式

圖7為4種供熱負荷的梯形運行模式。以供熱負荷為0的機組為例，發電負荷以887.34 MW為最高點，穩步下降到該供熱量對應的負荷最低點即394.63 MW。

2.2.4 效率運行模式

不同供熱負荷下高好處歸電法發電效率與高聯合循環發電功率并非一一對應關系，在供熱負荷一定時，高電負荷也需要較高的天然氣消耗量，不利于整體盈利能力的提升。由圖4可知，不同供熱負荷對應的好處歸電法發電效率曲線變化趨勢不同，因此需要分別討論不同效率組合的盈利能力。

1）效率運行模式1 圖8為4種供熱負荷的 最大最小出功運行模式。以供熱負荷0為例，聯 合循環效率最高點對應的聯合循環發電功率為887.34 MW，對應的發電效率為57.74%；聯合 循環效率最低點對應的聯合循環發電功率為394.60 MW，對應的發電效率為50.02%。

2）效率運行模式2 圖9為4種供熱負荷的中間效率運行模式。聯合循環效率較高點對應的聯合循環發電功率為763.60 MW，對應的發電效率為55.80%；聯合循環效率較低點對應的聯合循環發電功率為486.76 MW，對應的發電效率為51.95%。

圖8 4種供熱負荷的最大最小輸出功率運行模式

2.3 不同供熱負荷運行模式盈利能力的比較

在同一供熱負荷的情況下，機組在不同運行模式下運行獲得的盈利有所差異。表3為4種供熱負荷運行模式的盈利結果匯總。

表3 4種供熱負荷的機組4種運行模式盈利情況匯總

由表3可見：1）純發電時，效率運行模式1盈利最高，正弦函數運行模式、梯形運行模式和效率運行模式2盈利相對較高，平均運行模式最低，此時幾種運行模式盈利能力差異較大，機組盈利最大值與最小值相差6.04%；2）在中小供熱的情況下，平均運行模式和效率運行模式1盈利能力較強，其他運行模式盈利能力相對較差，機組運行模式盈利最大值與最小值相差較小；3）聯合循環發電功率越高的機組運行小時數越多，盈利能力越強，效率運行模式1的盈利能力最強，機組盈利最大值與最小值相差1.52%。

3 結 論

1）隨著機組供熱負荷的不斷提高，好處歸電法發電效率隨著聯合循環發電功率的降低，首先逐漸降低，之后中間負荷段效率變化比較緩和，最后開始逐漸增加，其效率范圍和變化趨勢都特別明顯。

2）純發電機組盈利最大值與最小值相差6.04%，機組運行模式盈利能力相差較大；供熱機組盈利最大值與最小值相差1.52%，機組運行模式盈利能力相當。

3）中小供熱負荷下，效率運行模式1與平均運行模式盈利相當，其他運行模式盈利較差；純發電機組與大供熱負荷機組時，效率運行模式1的盈利能力優勢較為明顯，平均運行模式最低。因此在供熱量、發電量一定的前提下，以盈利能力作為評價標準時，建議機組以高電負荷與低電負荷組合的效率運行模式1運行。

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Research on optimal distribution of heating and power supply in gas turbine combined cycle cogeneration

SONG Xiaowei1, ZHANG Guoqiang1, LI Yongyi1, YANG Yongping1, WANG Jun2

(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Shenhua Guohua (Beijing) Distributed Energy Technology Co., Ltd., Beijing 102206, China)

In order to study the economic operation mode of gas-steam combined cycle units under the rated thermoelectric task, this paper uses the modular modeling method to build model for components of the unit. Moreover, based on the thermoelectric ratio of the heat-fixed electricity, the profitability of five operating modes at four heating loads was analyzed. The results show that, the maximum profit difference between different operating modes during pure power generation can reach 6.04%. With the continuous increase of the unit heating load, compared with the pure power generation situation, the benefits of normalization method of electrical power generation efficiency trends changes. The maximum profit difference between different operating modes is 1.52%, which appears when the heating load of the unit is 1 388.89 GJ/h, indicating there are few differences in profitability between each operating mode. On the premise of meeting the demands of power generation and heat supply, it is recommended that the unit be operated in an efficiency mode 1 combing high electricity load with low electricity load as much as possible, especially in the case of pure power generation and high heating load.

combined gas turbine cycle, thermoelectric ratio, cogeneration of heat and electricity, variable condition, profitability, operation mode, distribution of thermoelectric

National Natural Science Foundation of China (51436006, U1610254); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017MS15)

TK284.1

B

10.19666/j.rlfd.201807149

宋曉瑋, 張國強, 李永毅, 等. 燃氣輪機聯合循環熱電聯產供熱供電量優化分配研究[J]. 熱力發電, 2019, 48(3): 47-54. SONG Xiaowei, ZHANG Guoqiang, LI Yongyi, et al. Research on optimal distribution of heating and power supply in gas turbine combined cycle cogeneration[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 47-54.

2018-07-26

國家自然科學基金項目(51436006，U1610254)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2017MS15)

宋曉瑋(1993—)，女，碩士研究生，主要研究方向為能源動力集成及其優化，18810806192@163.com。

（責任編輯 劉永強）