F級燃氣輪機聯合循環機組的布置方案及造價分析

嚴衛春

(上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠， 上海 200240)

F級燃氣輪機是投運多年的成熟機組，技術水平較高、效率高、性能較先進。近年來，國內外新建聯合循環機組多選用大功率F級燃氣輪機作為基本機型，大部分機組的功率為300 MW，且采用軸向排氣、冷端驅動。最基本的組合是1臺燃氣輪機、1臺余熱鍋爐和1臺汽輪機組成的“1+1”方案；此外，還有2臺或3臺燃氣輪機、與燃氣輪機數量相同的余熱鍋爐和1臺共用的汽輪機組成的“2+1”方案、“3+1”方案。聯合循環機組可分為分軸聯合循環機組和單軸聯合循環機組。 “1+1” 方案中的燃氣輪機、汽輪機與發電機若同軸串聯在1根軸上，則形成了單軸聯合循環機組配置方案；而在“2+1”和“3+1”方案中，燃氣輪機和汽輪機的多個軸均相互獨立，稱為分軸聯合循環配置方案，“1+1”方案同樣也可以選擇采用分軸配置。

筆者針對不同配置的F級燃氣輪機聯合循環機組在主廠房中的布置方案進行分析，介紹機島各種布置的特點，結合電廠初期投資的對比，為電廠在建設初期選擇布置方案提供參考。

1 機組布置

1.1 分軸聯合循環機組

分軸聯合循環機組布置形式多樣，具體為：根據燃氣輪機軸線與汽輪機軸線的相應標高可分為雙高位布置、雙低位布置、高低位布置(燃氣輪機低位，汽輪機高位)；根據燃氣輪機與汽輪機軸線的相對位置可分為垂直布置、順列布置(燃氣輪機軸線與汽輪機軸線平行，對于多臺機組，按燃氣輪機→汽輪機→燃氣輪機→汽輪機的順序依次排列)、鏡像布置(燃氣輪機軸線與汽輪機軸線平行，對于多臺機組，按燃氣輪機→汽輪機→汽輪機→燃氣輪機的順序依次排列)。

分軸聯合循環機組布置的特點為：

(1) 燃氣輪機發電機組與汽輪機發電機組相互獨立，燃氣輪機與余熱鍋爐間設置旁路煙囪，可實現燃氣輪機單循環運行。燃氣輪機可快速啟動，在20 min內就可達到滿負荷，調峰能力強[1]。

(2) 相比于“1+1”方案機組，“2+1”方案機組汽輪發電機組功率大了1倍，且減少了1套汽輪發電機組，機械損失減少，機組整體發電效率更高，適合追求更高效率且場地空間有限的機組。

(3) 雙高位布置較雙低位布置具有更大的廠房容積，雖然土建及廠房框架的投入相對更高，但高位大平臺結構會更美觀。

(4) 采用分軸順列布置，每套機組可采用相同的設計圖，減少了主廠房設計的工作量。2套分軸聯合循環機組鏡像布置方案中，將2臺汽輪機共同布置在廠房中部，不需要為每臺汽輪機設置獨立的檢修區域，2臺汽輪機可共用檢修區域和檢修行車，節約廠房占地面積，減少設備投資。

1.2 單軸聯合循環機組

單軸聯合循環機組布置形式可分為：根據發電機在軸系中的相對位置，分為發電機中置和發電機尾置；根據機組中心線的高度，分為低位布置和高位布置；根據廠房布置模式，分為聯合廠房和獨立廠房。

1.2.1 發電機中置和發電機尾置

發電機中置的聯合循環機組以AE94.3A、V94.3A和GT26為例，按燃氣輪機→發電機→3S離合器→汽輪機的順序連接在1根軸上，發電機置于燃氣輪機和3S離合器之間(見圖1)。

圖1 發電機中置簡圖

發電機中置的聯合循環機組的特點為：

(1) 汽輪機布置在軸系的尾端，可采用軸向排汽至凝汽器，機組可以安裝在標高較低的位置上，降低廠房高度，減少土建和廠房建造的成本。

(2) 3S離合器的配置可以將燃氣輪機與汽輪機脫開，實現燃氣輪機單循環運行，不受汽輪機安裝進度及汽輪機故障的影響。

(3) 發電機布置在軸系的中間，不能在原位置直接抽轉子檢修，需要通過配置大型檢修行車起吊或發電機水平移位裝置來實現發電機抽轉子檢修。

發電機尾置的聯合循環機組以PG9351FA和M701F為例，按燃氣輪機→汽輪機→發電機的順序連接在1根軸上，發電機位于軸系的尾端[2](見圖2)。

圖2 發電機尾置簡圖

發電機尾置的聯合循環機組的特點：

(1) 汽輪機位于軸系中間，只能采用向下排汽至凝汽器，機組只能安裝在標高較高的位置上，采用高位布置，廠房高度有所增加。

(2) 汽輪機與燃氣輪機直接連接，只能在汽輪機和燃氣輪機全部安裝完成后，機組才能投運；汽輪機系統發生故障時，整臺機組就不能運行。

(3) 發電機布置在機組的尾端，檢修時可以直接抽轉子。

1.2.2 低位布置和高位布置

低位布置的聯合循環機組以AE94.3A為例，圖3為機組布置的三維圖。機組中心線標高為5.5 m，主廠房分為0 m層和4.5 m運行檢修層，輔助模塊大多布置在0 m層，運行檢修層布置發電機電氣盤柜及小部分輔助模塊，汽水管道布置在運行檢修層下方，發電機采用上部出線的方式，進氣系統采用上部側向進氣。

圖3 AE94.3A型燃氣輪機聯合循環機組低位布置三維圖

高位布置的聯合循環機組以M701F為例，圖4為機組布置三維圖，機組中心線標高為13.76 m，主廠房分為0 m層、6.5 m中間層、13 m運行層，輔助模塊大多布置在0 m層，中間層為汽水管道層，運行層不布置輔助模塊，僅預留檢修起吊孔，進氣系統采用底部進氣，發電機采用下部出線的方式。

圖4 燃氣輪機聯合循環機組高位布置三維圖

1.2.3 聯合廠房及獨立廠房

聯合廠房指多套機組布置于1個連通的廠房內，可共用1套檢修行車；獨立廠房指每套機組布置在各自的廠房內，分別設置獨立的檢修行車(見圖5)。

圖5 單軸布置獨立廠房三維圖

聯合廠房一般應用于單軸布置機組，對于分軸布置機組，受限于燃氣輪機上部進氣的限制，如采用聯合廠房，則廠房高度增加較多，因此應用較少。

聯合廠房及獨立廠房的主要特點為：

(1) 多套(大于2套)機組可采用聯合廠房布置形式，機組不可能都采用側向進氣，機組只可高位布置(下側進氣)；獨立廠房可采用側向進氣，機組布置形式多樣。

(2) 聯合廠房可共用1套檢修行車和檢修區域，獨立廠房每套機組設置獨立的檢修行車和檢修區域。

2 布置方案及其經濟性分析

聯合循環電站的布置形式多樣，各有優劣，在此，結合市場的實際需求及認可度，對裝有2套“1+1”F級燃氣輪機聯合循環機組(總功率為900 MW)的幾種典型布置方案進行了介紹，并對比分析了其技術特點及經濟性。

方案一為分軸聯合循環機組，燃氣輪機、汽輪機均低位布置，順列布置，獨立廠房。燃氣輪機中心線標高為4.0 m，汽輪機中心線標高為5.5 m。

方案二為分軸聯合循環機組，燃氣輪機低位布置、汽輪機高位布置，鏡像布置，聯合廠房。燃氣輪機中心線標高為4.0 m，汽輪機中心線標高為13.0 m。

方案三為單軸聯合循環機組，發電機中置，低位布置。機組中心線標高為5.5 m，2套機組分別布置在獨立廠房內。

方案四為單軸聯合循環機組發電機中置， 高位布置。機組軸線標高為13.0 m，2套機組布置在聯合廠房內。

2.1 主要技術特點對比

表1為各方案主廠房的主要數據。分軸聯合循環機組布置的主廠房無法容納全部機島電氣、熱控設備房間，需要額外配置集控樓滿足機組運行控制的要求，方案三和方案四已考慮機島電氣、熱控設備房間，基本能滿足機島需求，故廠房占地面積及廠房容積對比應以含集控樓為準。

表2為各方案主廠房的建設特點。

表1 主廠房的主要數據

表2 主廠房的建設特點

從表2和表3可以得出：(1)分軸布置方案廠房占地面積大于單軸布置方案，用地成本更高；(2)高位布置的廠房容積要大于低位布置，具有更大的設備布置空間，廠房更加寬敞；(3)低位布置的建設周期更短，施工難度更低；(4)高位布置較低位布置具有更佳的檢修維護空間，整體美觀度較高；(5)鏡像布置的2套機組組成1個單元，不便擴建。

2.2 經濟性分析

經濟性分析對比著重于主廠房內主輔系統投資，造價主要包括設備購置費、建造工程費、安裝工程費及其他費用。設備購置費占總費用的72%～75%，對總體投資的影響最大，建造工程費占7%～8%，安裝工程費占6%～7%，其他費用占10%～12%。由于安裝工程費和其他費用與當地材料費和人工費關系較大，在無法確定廠址條件前，未將其計入。

2.2.1 設備購置費

表3為主廠房設備購置費的對比(以方案三為基準，相對費用為各方案的費用與基準方案間的差)。設備購置費中，燃氣輪機、汽輪機及其輔助系統費用占比最大。不同布置方案的檢修行車數量、起吊質量和跨度的差別較大，因此將檢修行車的購置費單獨列入表3中。電氣、熱控等設備的購置費相差不大，故未將其列入表中。

表3 主廠房設備購置費對比

由表3可知：方案一、二、三、四的合計相對費用分別為1 720 萬元、1 580 萬元、0 萬元、-290 萬元。方案四的主廠房設備購置費最低，方案一的主廠房設備購置費最高。相比于單軸布置，分軸布置雖然發電機功率較小，但多1套汽輪發電機及其輔助系統，因此每套機組主機設備的價格約高1 000萬元。

2.2.2 建造工程費

表4給為主廠房建造工程費(以方案三為基準)，不包含地基與基礎部分工程量(可能的地基處理或樁基)，僅為樁材本身的市場價，不含安裝費、人工費等費用。框架結構及機島鋼平臺的主要材料為Q345-B鋼，運轉層平臺的主要材料為壓型鋼板和混凝土板，基座的主要材料為鋼筋混凝土。由表4可知：不含集控樓時，方案一、二、三、四的合計相對費用分別為-870 萬元、-630 萬元、0 萬元、1 180 萬元；含集控樓時，方案一、二、三、四的合計相對費用分別為240 萬元、480 萬元、0 萬元、1 180 萬元。若考慮集控樓投資，方案三的主廠房建造工程費最少，方案四的建造工程費最大。

表4 主廠房的建造工程費

3 結語

特定的布置方案中無法顯現全部優勢，應結合各電廠具體的主要關注點來選擇最優的布置方案。低位布置方案適合要求建設施工便捷的電廠，廠房框架及基座施工難度低，整體建設周期短；單軸低位布置方案適合要求投資費用較低的電廠，廠房占地面積小，電氣系統簡單，設備投資少。單軸(發電機中置)且配有3S離合器的機組或分軸聯合循環機組適合要求運行調峰靈活的電廠，可實現燃氣輪機單循環運行，機組運行啟動快。高位布置方案適合要求檢修維護便利的電廠，可實現多臺機組共用檢修區域，運行維護空間大。單軸高位布置方案適合要求整體美觀大氣的電廠，易形成運行維護大平臺，整體美觀度高。單軸機組、獨立廠房布置方案適合要求分期擴建方便的電廠，單元機組相對獨立，易分期擴建。