9FB燃氣聯合循環機組啟停調峰經濟性分析

華能（天津）煤氣化發電有限公司 李 洋 丁 盛 于 洋 張 皓 呼德爾

目前我國開始天然氣資源的大規模開發利用，西氣東輸、近海天然氣開發和引進國外液化天然氣工程全面展開，國家開始重視發展天然氣燃氣輪機聯合循環發電。與國外燃氣蒸汽聯合循壞機組帶基本負荷為主的情況不同，我國的燃氣蒸汽聯合循環機組主要用于電網調峰。燃氣蒸汽聯合循環機組穩定運行工況的熱效率則已超過58%，但啟停經濟性分析工作較少，本文通過建立啟停模型分析啟停經濟性，為電廠參與調峰，節能降耗及爭取補貼具有重要的指導意義。

1 燃氣聯合循環機組啟停調峰過程

GE9FB級燃氣輪機額定功率304.1MW，排氣溫度640℃，汽輪機額定出力158.8MW，燃機效率約38.77%，汽輪機效率約為37.88%，整個聯合循環機組總效率可達約59.02%。聯合循環機組啟動主要經過幾個階段：輔助系統設備啟動，靜態變頻器（LCI）輸入交流電，將發電機轉換為電動機帶動燃機，為其啟動提供必需的外界動力，當轉速約為420r/min時燃機進行點火，當轉速達到2700r/min時燃氣透平所產生的機械功足以抵消壓氣機的耗功，LCI裝置退出。機組繼續升速，當達到額定轉速后并網提高電負荷。達到穩定的暖機負荷后待蒸汽參數滿足汽機的進汽條件，汽機啟動，進汽后汽機緩慢增大主汽調閥開度，直至全開進入滑壓運行，整個機組啟動完成[1-3]。

機組啟動過程中的耗電設備有盤車電機、LCI啟動裝置、透平冷卻風機、燃機包排氣風機、壓氣機水洗泵、凝汽器真空泵、軸抽風機、頂軸油泵、循環水泵、給水泵以及凝結水泵。輔助蒸汽主要分為汽輪機冷卻用蒸汽以及蒸汽輪機軸封蒸汽。補給水則主要用于：汽包與熱井水位調整用水量，開機時排污、疏水用水量，補充泄漏的水量。

綜上所述，在進行以下假設后建立計算模型：經濟性分析僅考慮氣、電、水三部分，不考慮其它成本及機組壽命等因素；機組參與的啟停調峰僅考慮晝啟夜停模式；天然氣熱值保持恒定；機組啟動時間從燃機啟動至機組投入AGC為止，機組停運時間從機組退出AGC至燃機解列熄火為止；啟停過程中的所耗外購電量累計在機組停運期間計算。

2 燃氣聯合循環機組經濟性指標及其計算模型

2.1 運行期間計算模型

在機組運行期間，設機組平均負荷率為φ1，運行時間為T1，機組額定功率為M，則運行期間機組 發電量為E1=Mφ1T1，設運行期間廠用電率隨機組 負荷率變化的函數為γ1(φ1)，則運行期間機組發電 所得費用為YE1=yeE1（1-γ1），設運行期間氣耗隨機 組負荷率變化的函數為g1（φ1），則運行期間所消耗 的燃氣費用為yG1=103ygg1E1，設運行期間水耗隨機 組負荷率變化的函數為w1（φ1），則運行期間所消耗 的化學補給水費用為yw1=yww1E1。

式中，yG1為運行期間燃氣費用，元；YE1為運行期間發電所得費用，元；YW1為運行期間化學補給水費用，元；yg為燃氣價格，元/Nm3；ye為上網電價格，元/MWh；yw為化學補給水價格，元/噸；g1為運行期間機組平均氣耗，Nm3/kWh；E1為運行期間機組發電量，MWh；w1為運行期間機組平均水耗，kg/kWh；φ1為運行期間機組平均負荷率；γ1為運行期間機組平均廠用電率；M為機組額定功率，MW；T1為機組運行小時，h。在機組運行期間綜合經濟性效益為Y1（φ1，T1）=YE1-YG1-YW1。

2.2 停機期間計算模型

在機組停運期間，設機組停運時間為T2，則停運期間機組廠用電耗量為E2=10-3UkIkT2，停運期間機組廠用電費用為YE2=yεE2，設機組停運期間化學補給水量為W2，則停運期間所消耗的化學補給水費用為YW2=yWW2。式中，YE2為停運期間廠用電費用，元；YW2為停運期間化學補給水費用，元；為yε外購電價格，元/MWh；E2為停運期間機組廠用電量，MWh；W2為停運期間化學補給水用量，噸；Uk為停運期間啟備變高壓端的電壓，V；Ik為停運期間啟備變高壓端的電流，A；T2為機組停運小時，h。在機組停運期間綜合經濟性效益為Y2（T2）=-YE2-YW2。

2.3 啟動和停運過程計算模型

根據汽機高壓缸一級金屬溫度的不同，聯合循環機組的啟動方式一般分為熱態啟動、溫態啟動和冷態啟動[4]，熱態、溫態和冷態的啟動時間依次增加，進而降低了機組啟動的經濟性[5]。但考慮啟停調峰一般不超過48小時，因此以下分析均按照熱態啟動考慮。

設啟動/停運過程中燃氣流量隨時間變化的函數是Gsi(t)，使用天燃氣的時間為則啟動/停運過程中的耗氣量為

啟動/停運過程中所消耗的燃氣費用為YGSi=ygGsi。式中，YGSi為啟動/停運過程燃氣費用，元；Gsi為啟動/停運過程燃氣用量，Nm3；si為si=su，啟動過程；si=sd，停運過程。設啟動/停運過程中機組發電量隨時間變化的函數是Esi（t），則啟動/停運過程中的機組發電量為：

啟動/停運過程中平均廠用電率為：

啟動/停運過程中機組發電所得費用為YEsi=yeEsi。

式中，YEsi為啟動/停運過程發電所得費用，元； Esi為啟動/停運過程機組發電量，MWh；γ3si為啟動/停運過程平均廠用電率；Ui為啟動/停運過程某耗電設備運行時的兩端電壓，V；Ii為啟動/停運過程某耗電設備運行時的電流，A；ti為啟動/停運過程某耗電設備運行的時間，h；n為啟動/停運過程耗電設備數量。

設啟動/停運過程中化學補給水流量隨時間變化的函數是Wsi（t），則啟動/停運過程中的化學補給 水消耗量為：

啟動/停運過程中所消耗的化學補給水費用為YWsi=yWWsi。式中YWsi為啟/停過程化學補給水費用，元；Wsi為啟/停過程化學補給水用量，噸。在機組啟停期間綜合經濟性效益為Y3=YE3-YG3-YW3=（YEsu-YGsu-YWsu）+（YEsd-YGsd-YWsd）。

2.4 調峰周期內經濟性效益

設一個啟停調峰周期時間為T，包含運行時間T1，停機時間T2和啟停時間，定義調停，則在一個啟停調峰周期內經濟性收益為Y=Y1（φ1，T1）+Y2（T2）+Y3+Y0（1），式 中Y0為 機組一次啟停調峰電網補償費用，元。如果機組在運行周期T內不參與啟停調峰，則經濟性收益為 Y'=YE-YG-YW=yeE（1-γ）-103yggE-yWWE，式中 相關物理量含義與2.1節內容類似。

通過式（1）可知，機組在一個啟停調峰周期內，由于Y3和Y0為常數，所以機組啟停調峰經濟性收益Y是隨φ1和τ變化的函數關系。對參與啟停調峰的燃氣聯合循環機組，應根據Y（φ1，τ）函數關系合 理安排各機組的啟停，爭取合適的負荷率和調停時間以提高機組運行調峰經濟性綜合效益。

3 9FB燃氣聯合循環機組啟停調峰經濟性計算

根據9FB燃氣聯合循環機組實際運行數據，可知不同負荷率下對應的發電氣耗、廠用電率及水耗關系曲線圖如圖1～3，結合第2節計算模型和上述實際關系圖，按照24、48小時周期分別計算，結果如表1～2。

4 結語

燃氣蒸汽聯合循環機組調峰是中國燃機電廠持續發展的必由之路，利用本文建立的調峰模型對燃氣電廠運行方式進行分析可得結論：非低負荷運行機組建議不進行或少進行調峰運行；長期低負荷運行的機組建議積極參與市場調峰以提高收益；參與調峰的機組在一個調峰周期內一方面盡可能縮短停機時間，另一方面盡可能提高運行負荷率才能達到收益增加的目標；充分利用不同時段氣價、電價的差別，合理安排調峰時段；合理安排啟停機操作，停備期間采取可靠措施降低外購電量，進而提高收益；雖然不同周期對收益差值沒有影響，但考慮到周期越長啟動消耗越大，建議采取短周期調峰。由于本文未考慮機組調峰導致的設備損耗壽命折舊及其它可能的影響，因此得到的總收益與實際收益有較大出入，雖然不影響最終的應對策略，但在條件許可情況下，新建燃機電廠在進行設備采購時盡量采用適應頻繁啟停的設備以提高收益。

表1 24小時周期收益

表2 48小時周期收益