9E級燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術研究與工程應用

郝洪亮 ，孫國斌，劉 軍，朱鴻飛，嚴志遠，張 濤，楊根生

(1. 國家能源集團國電科學技術研究院有限公司，南京 210033；2. 天津華電福源熱電有限公司，天津 301700)

燃氣輪機的運行情況容易受到外部氣溫、濕度等的影響，同時，由于燃氣輪機系統的精密性和軸流式葉輪機械的設備特性[1-3]，燃氣輪機的運行效率對于運行負荷十分敏感。如圖1所示，當燃氣輪機處于部分負荷時，熱耗率相對設計滿負荷時大大上升，尤其是在燃氣輪機負荷不足設計負荷70%時，熱耗率上升7%以上[4-6]。

圖1 燃氣輪機負荷率與熱耗率關系圖

目前，我國燃氣輪機電廠主要承擔電網調峰功能，一般情況下電廠根據電網調度的要求調整燃氣輪機功率，很難保證燃氣輪機的滿負荷運行。另外，由于近年火電裝機容量不斷增加，但是外部電力需求增長放緩，導致火電利用小時數減少。而天然氣發電年利用小時數相比同期煤電平均利用小時低2 000小時以上，導致燃氣輪機長期在部分負荷區間工作，大大降低了系統的運行效率，造成能源的極大浪費[7-10]。

針對燃氣發電機組部分負荷效率降低的問題，國內外主機廠家均有一定的研究，主要采用的解決方法是增加IGV機構、改善葉型、改進燃燒方式等[3]。而國內研究機構側重于輔助系統及底循環的優化研究，例如華北電力大學張國強等對聯合循環部分負荷排氣被壓進行優化，提高部分負荷效率；厲劍梁對聯合循環余熱鍋爐系統優化進行了研究[11-12]。國電環境保護研究院有限公司燃氣輪機技術研究所主要針對進氣加熱技術進行了研究，通過調節部分負荷燃氣輪機進氣溫度，優化聯合循環機組部分負荷運行效率。相對于國外主機廠家的提效技術，進氣加熱系統優化技術改造更加靈活，且技術完全自主。本文從技術研究和工程應用角度驗證燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術的應用有效性，為燃氣輪機發電行業部分負荷運行優化提供案例參考。

1 技術研究

本文以國內掌握制造技術最成熟的GE公司PG9171E型燃氣輪機聯合循環機組為研究對象，對進氣加熱提效技術進行研究。聯合循環設備組成包括：GE公司生產的PG9171E型燃氣輪機;燃氣輪機發電機采用QFW-136-2型無刷勵磁空冷同步發電機；余熱鍋爐采用Q1193.7/544.7-192.3(35.6)-5.84(0.43)/521(217)型雙壓無補燃、懸吊臥式、正壓運行、自然循環鍋爐，鍋爐采用室外布置；汽輪機設備采用LCZ60-5.8/0.48/0.4型次高壓、單缸、雙壓、無再熱、下排汽、單軸、抽凝式機組;汽輪發電機采用QFJ-60-2-10.5 空冷發電機。整套聯合循環機組采用一拖一、多軸式方式。

1.1 運行數據分析

分析機組冬季與夏季的實際運行數據，通過比較相同燃氣輪機負荷條件下，分析不同進氣溫度對燃氣輪機性能影響。如表1所示，選取燃氣輪機負荷相同時的夏季、冬季工況實際運行數據進行分析：當燃氣輪機處于部分負荷定負荷工況時，隨著燃氣輪機進氣溫度(即環境溫度)的升高，IGV角度相應變大，燃氣輪機效率有不同幅度的提高。

表1 夏季與冬季燃氣輪機部分負荷性能數據分析表

表2中選取了相同聯合循環工況下的實際運行數據。表中數據可以看到：當機組處于55%和80%負荷時，進氣溫度升高會使得燃氣輪機效率和機組發電效率有不同幅度的提升。

表2 夏季與冬季聯合循環部分負荷性能數據分析表

1.2 仿真計算分析

從運行數據分析中可以發現，燃氣輪機進氣溫度的變化對于機組部分負荷工況具有明顯的改善效應。為了進一步研究進氣溫度與機組變化效率的關系，本文通過Thermoflex軟件建立仿真模型對燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術進一步分析研究，機組熱力系統建模如圖2所示。主要系統參數見表3。

表3 主要系統參數

圖2 PG9171E燃氣發電聯合循環仿真模型熱力系統示意圖

本節仿真分析計算的外部條件為：環境溫度為12.5 ℃、大氣濕度為61%。機組采用定負荷運行，通過改變燃氣輪機入口空氣溫度從12.5 ℃到45 ℃變化，計算電廠效率、燃氣輪機效率的變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 電廠效率隨進氣溫度變化曲線

圖4 燃氣輪機效率隨進氣溫度變化曲線

從計算結果分析，在定負荷運行情況下，電廠效率隨燃氣輪機入口空氣溫度的升高而逐漸提升。以運行負荷130 MW為例進行說明，燃氣輪機入口空氣溫度為45 ℃時，電廠效率為49.47%，比設計點的電廠效率提高1.71個百分點，即熱耗降低181 kJ/(kW·h)。一定運行負荷下，電廠效率和燃氣輪機入口空氣溫度的關系近似線性關系，如運行負荷130 MW時，進氣溫度從12.5 ℃提高到20 ℃，電廠效率提高約0.28%，熱耗降低43 kJ/(kW·h)，電廠效率/進氣溫升約為0.037%/℃、電廠熱耗/進氣溫升約為5.7 kJ/(kW·h·℃)。

2 應用研究

2.1 熱源選取

燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術工程應用首先要選擇合適的進氣加熱熱源。目前，燃氣輪機進氣加熱技術常見熱源有壓氣機排氣、鍋爐余熱、電加熱等。其中，壓氣機排氣加熱一般用于燃氣輪機自帶進氣防冰系統或IBH系統。通過抽取少量300～400 ℃的壓氣機末級排氣與壓氣機入口空氣混合，提高燃氣輪機入口空氣溫度。這一技術路線會導致燃氣輪機機組高負荷時負荷下降，同時由于該熱源為系統高品位熱源，會導致機組整體運行經濟性下降。另外，電加熱耗能較大，布置在燃氣輪機進氣過濾器前部存在一定的安全隱患。因此，這兩種熱源均不適合用于燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術。如表3所示，從系統收益等方面綜合考慮，選取余熱鍋爐熱水作為進氣加熱熱源是較為合適的一種技術路線。

表3 燃氣輪機進氣加熱熱源經濟性分析

2.2 換熱器阻力影響

采用余熱鍋爐熱水作為熱源的燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術在工程實施過程中需要在燃氣輪機進氣系統內部設置一組空氣加熱換熱器。該裝置的增加會導致燃氣輪機進氣系統阻力有一定的上升。根據9E級燃氣輪機進氣系統設計風量和進氣加熱溫升的不同，換熱器進氣阻力也會有所不同，一般換熱器最大設計阻力不大于300 Pa。

本文以1.2節仿真模型為基礎，研究了BaseLoad工況下，進氣壓損從0 Pa增加到2 100 Pa過程中，電廠/燃氣輪機效率和電廠/燃氣輪機功率的變化曲線。從圖5可以看出，進氣壓損的變化對燃氣輪機效率的影響大于對電廠效率的影響。如進氣壓損增加2 100 Pa過程中，電廠效率降低0.095%、燃氣輪機效率降低0.28%。表4列出了進氣壓損每增加100 Pa對機組的影響，可以看出，其影響非常小。當機組處于部分負荷時，燃氣輪機入口空氣量會有一定下降，換熱器壓損會進一步降低。因此，換熱器壓損對于機組的性能影響遠遠小于其帶來的技術收益。

表4 BaseLoad工況下進氣壓損對機組性能影響分析表

圖5 BaseLoad工況下進氣壓損對機組性能影響

3 工程應用

結合上述技術探索與應用研究，本技術在北方某9E級燃氣熱電廠進行了工程應用。應用電廠燃氣輪機機組為PG9171E，進氣系統采用高位布置，燃氣輪機與余熱鍋爐均為室外布置。本次工程應用的燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術以電廠余熱鍋爐尾部煙氣余熱為熱源，通過尾部煙氣-水換熱器制得65 ℃的熱水，對燃氣輪機進氣進行加熱，最大可將燃氣輪機入口空氣溫度提高20 ℃。進氣加熱系統采用模塊化設計，共由7個模塊組成，單個模塊結構如圖6所示。

圖6 燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效系統換熱模塊

本技術示范應用項目于2018年7月完成系統改造施工，經試驗驗證，燃氣輪機聯合循環效率在120 MW負荷(60%負荷)時，本技術投運后能夠提高聯合循環發電效率0.75%。按照進氣加熱系統年實際運行小時數4 000 h(電廠機組年實際運行小時數大于6 000 h)，天然氣價格2.11元/m3計算，年節省燃料費350萬元以上。本技術在9E級機組上實施改造的總體費用約為1 000萬元(根據進氣系統布置情況及現場條件有20%左右差異)，靜態投資收益期不超過3年，具有客觀的節能提效潛力和應用價值。

4 結論

1) 通過對9E燃氣輪機機組實際運行數據分析，當機組處于不同部分負荷工況時燃氣輪機進氣溫度提升能夠不同程度地提高燃氣輪機及機組整體運行效率。

2) 通過仿真分析計算，當9E燃氣輪機聯合循環機組處于110～180 MW的部分負荷工況時，采用進氣加熱方式能夠顯著提升聯合循環發電效率。

3) 燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術工程應用中宜采用余熱鍋爐熱水作為加熱熱源。同時需在燃氣輪機進氣系統內設置一套換熱器裝置。經過計算分析，換熱器阻力對于機組運行影響很小。

4) 通過對燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術示范應用，結果表明該技術具有良好的技術經濟性和應用效果。在聯合循環120 MW負荷(60%負荷)時，能夠提高機組發電效率0.75%，年節省燃料費350萬元以上，靜態投資收益期不超過3年，具有極強的技術推廣價值。